DE102009050426B3

DE102009050426B3 - Verfahren zum ausgerichteten Aufbringen von Bauteilen auf einem Trägersubstrat und ein Verfahren zur Herstellung eines Trägersubstrats dafür und ein Verfahren zur Bestückung eines Zielsubstrats damit.

Info

Publication number: DE102009050426B3
Application number: DE102009050426A
Authority: DE
Inventors: Christof Landesberger; Sabine Scherbaum; Erwin Yacoub-George
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2009-10-22
Filing date: 2009-10-22
Publication date: 2011-03-31
Anticipated expiration: 2029-10-23

Abstract

Ausführungsbeispiele zeigen ein Verfahren zum ausgerichteten Aufbringen von Bauteilen auf einem Trägersubstrat mit den Schritten des Bereitstellens eines Substrates mit Metallisierungsflächen, wobei mindestens eine Metallisierungsfläche zur Aufnahme eines Bauteils vorgesehen ist, wobei die mindestens eine Metallisierungsfläche hydrophile oder lipophile Eigenschaften aufweist, und wobei die die mindestens eine Metallisierungsfläche umgebenden Oberflächenbereiche hydrophobe oder lipophobe Eigenschaften aufweisen. Ferner weist das Verfahren einen Schritt des Benetzens der mindestens einen Metallisierungsfläche mit einem flüssigen Assemblierungsmedium auf und ein Aufbringen eines Bauteils auf das flüssige Assemblierungsmedium, das sich auf der mindestens einen zugeordneten Metallisierungsfläche befindet, wobei das Bauteil aufgrund der Oberflächenspannung des flüssigen Assemblierungsmediums an der Oberfläche desselben gehalten wird, um sich über der mindestens einen Metallisierungsfläche auszurichten.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum ausgerichteten Aufbringen von Bauteilen auf einem Trägersubstrat, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Trägersubstrates und zur Bestückung eines Zielsubstrates mit Hilfe eines solchen Trägersubstrates.
Mikroelektronikbauelemente, wie z. B. Siliziumchips mit Schaltungsstrukturen, werden üblicherweise mit so genannten Pick & Place-Maschinen auf ein Substrat gesetzt und dort mittels Klebstoff- oder Lotverbindungen fest montiert. Darüber hinaus zielen aktuelle Entwicklungen in der Mikroelektronik auf so genannte 3D-integrierte Chipsysteme. In diesem Fall werden einzelne Chipbausteine vertikal übereinander gestapelt und miteinander mechanisch und elektrisch verbunden. Auch dies kann mit den genannten Pick & Place Maschinen ausgeführt werden. Dies hat jedoch den Nachteil, dass langwierige Justage- und Montageprozesse ausgeführt werden müssen bis eine Vielzahl solcher 3D-integrierter Chipstapel realisiert sind. Zudem erfordern diese Pick & Place-Maschinen eine sehr hohe Justagegenauigkeit, was sowohl umfangreiche optische Komponenten als auch hochgenaue und kontrollierbare Verfahrwege für die bewegten Teile des Gerätes notwendig machen.
Anstelle jedes Chipbauteil einzeln zu montieren ist es grundsätzlich hilfreich, ein ganzes Ensemble von Bauteilen in einem Schritt auf ein weiteres Ensemble von bereits platzierten Bauteilen zu montieren. Dabei können so genannte Zwischenträger, z. B. ein Wafersubstrat, eingesetzt werden auf denen die Bauteile nur reversibel fixiert sind. Nach dem Ausführen eines Prozessschrittes zur dauerhaften Montage aller einzelnen Bauteile wird der Zwischenträger wieder entfernt. Allerdings muss auch in diesem Fall jeder Chip einzeln auf dem Zwischenträger justiert und platziert werden. Lediglich der Schritt des dauerhaften Montierens der Bauelemente wird als gemeinsamer Schritt für das ganze Ensemble an Bausteinen ausgeführt. En weiterer Nachteil des bislang bekannten reversiblen Fixierens der Bausteine kann die übliche Verwendung von Klebstoffen und Polymeren sein, die für eine reversible Fixierung auf dem Zwischenträger notwendig sind. Bei Verwendung von Klebstoffen und Polymeren zur reversiblen Fixierung müssen nach dem Transfer der Bausteine im Allgemeinen Klebstoffreste wieder aufwendig entfernt werden. Zudem sind viele Klebstoffe; insbesondere wieder lösbare Klebstoffe, nur wenig temperaturstabil. Wenn beispielsweise bei Temperaturen von 250°C bis 400°C die Chips über einen Lötprozess von dem Zwischenträger auf ein Zielsubstrat bzw. ein weiteres Substrat übergeben werden sollen, so stehen dafür keine reversiblen Klebstoffe in diesem Temperaturbereich zur Verfügung.
Die EP 1 305 821 B1 beschreibt einen elektrostatischen Träger zur reversiblen Fixierung von Wafersubstraten mit Hilfe elektrostatischer Kräfte. In der Offenlegungsschrift DE 10 2007 061 465 A1 wird ein Verfahren zur Plasmakonditionierung an Polymer- und Metalloberflächen beschrieben, das zu einem selektiven Benetzungsverhalten der Metalloberflächen und der Polymeroberflächen führt. In der EP 1 499 168 A2 wird ein Verfahren beschrieben, wie sich Chipbausteine, welche in einem Flüssigkeitstropfen absinken, auf einem Substrat selbst ausrichten.
In der US 2009/0265929 A1 bzw. der WO 2007/037381 A1 ist ein Verfahren zum gerichteten Aufbringen von Bauteilen auf Trägersubstraten beschrieben. Das Aufbringen erfolgt dabei mit Hilfe von zwei sich nicht vermischenden Flüssigkeiten, wobei die eine Flüssigkeit besser benetzend ist für ein aufzubringendes Bauteil als die zweite Flüssigkeit, so dass das Bauteil von der ersten Flüssigkeit „angezogen” wird und sich auf dem Trägersubrat ausrichten lässt.
In der Veröffentlichung von Xiong, X; Hanein, Y; Fang, J; [u. a.]: „Controlled Multibach Self-Assembly of Microdevices” in: Journal of Micromechanical Systems, Vol. 12, No. 2, S. 117–127, ISSN 1057–7157 wird ein Verfahren beschrieben, welches es ermöglicht unterschiedliche Bauteile auf einem einzelnen Substrat aufzubringen. Mit Hilfe einer elektrochemischen Methode können Substratbereiche so geschaltet werden, dass sie entweder hydrophile oder hydrophobe Eigenschaften besitzen. Dadurch wird es ermöglicht, unter Zuhilfenahme einer Benetzungsflüssigkeit gezielt unterschiedliche Bauteile auf das Substrat aufzubringen.
Die Patentschrift US 5,355,577 offenbart ein Verfahren zur schnellen Assemblierung von einer Vielzahl von diskreten Bauelementen mittels einer Selbstausrichtungszelle bestehend u. a. aus einem Lautsprecher oberhalb dessen Lautsprechermembran zwei Elektrodenplatten angeordnet sind, wobei eine erste Elektrodenplatte Öffnungen aufweist. Beim Anlegen einer Wechselspannung an die Elektrodenplatten können nun Bauteile, die durch Vibrationen des Lautsprechers in der Selbstausrichtungszelle geschüttelt werden, bei abnehmender Vibrationsstärke in den Öffnungen ausgerichtet werden.
In der Patentschrift US 5,075,253 ist ein Verfahren zum Stapeln von Bauteilen mit Hilfe einer Selbstausrichtung der Bauteile auf einem Zwischenträger, sowie einem Transfer der Bauteile auf ein Zielsubstrat offenbart.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum ausgerichteten Aufbringen von Bauteilen auf einem Trägersubstrat anzugeben, mit dem sich (Chip-)Bauteile auf dem Trägersubstrat dauerhaft oder reversibel fixieren lassen. Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß der Patentansprüche 1 und 23 bzw. das Verfahren zur Bestückung eines Zielsubstrates mit Bauteilen gemäß Patentanspruch 17, sowie dem Verfahren zur Herstellung eines Substrats mit selektiver Benetzbarkeit gemäß Patentanspruch 15 gelöst.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass mit Hilfe eines flüssigen Assembliermediums, welches auf einem Trägersubstrat mit unterschiedlichen Benetzungseigenschaften aufgebracht wird, ein Ausrichten eines Bauteils gegenüber einer Metallisierungsfläche ermöglicht wird, in dem auf dem flüssigen Assemblierungsmediums ein auszurichtendes Bauteil aufgebracht wird, welches durch die Oberflächenspannung des flüssigen Assembliermediums an der Oberfläche gehalten wird, um sich über der Metallisierungsfläche auszurichten.
Die vorliegende Erfindung beruht auf der Idee, ein Substrat bereitzustellen, welches hydrophile oder lipophile Eigenschaften einer Metallisierungsfläche aufweist und bei dem die umgebenden Oberflächenbereiche des Substrates hydrophobe oder lipophobe Eigenschaften aufweisen. Durch ein Benetzen dieser Metallisierungsflächen mit einem flüssigen Assemblierungsmedium und dem anschließenden Aufbringen eines Bauteils auf das flüssige Assemblierungsmedium, wobei das Bauteil aufgrund der Oberflächenspannung des flüssigen Assemblierungsmediums an der Oberfläche desselben gehalten wird, kann sich das Bauteil über der Metallisierungsfläche ausrichten. Es kann somit eine Selbstassemblierung des Bauteils bezüglich einer oder mehrere Metallisierungsflächen bzw. Zielgebiete stattfinden.
Aufgrund der Form der Metallisierungs- oder Kontaktfläche und des sich darauf befindlichen flüssigen Assemblierungsmediums kann das aufzubringende Bauteil zumindest eine bevorzugte Position oder Ausrichtung bezüglich der Metallisierungsfläche(n) annehmen. Dieser Ausrichtungseffekt kann über die Geometrie oder Symmetrie der Metallisierungsfläche(n) in Bezug auf das aufzubringende Bauteil und/oder beispielsweise auch über die Menge des aufgebrachten flüssigen Assemblierungsmediums gesteuert werden. Die Metallisierungsflächen können Pads sein.
Das Bauteil wird ferner in einem Schritt des Fixierens und/oder Ausrichtens des Bauteils mittels elektrostatischer Kräfte auf dem Substrat durch Anlegen einer elektrischen Haltespannung über den mindestens zwei Metallisierungsflächen auf dem Substrat fixiert. Durch das Anlegen einer elektrischen Haltespannung kann zum einen die Ausrichtung des Bauteils unterstützt werden und nach dem Entfernen des Assemblierungsmediums kann das Bauteil durch elektrostatische Haltekräfte auf den Metallisierungsflächen fixiert werden.
Gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung kann das Verfahren einen Schritt des Fixierens des ausgerichteten Bauteils auf dem Substrat mit Hilfe eines leitfähigen Klebstoffes oder eines anisotrop leitfähigen Klebstoffes erfolgen.
Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann ein Substrat mindestens zwei Metallisierungsflächen zur Aufnahme eines Bauteils vorsehen, wobei die mindestens zwei Metallisierungsflächen durch einen Spalt unterteilt sind und das Benetzen dieser Metallisierungsflächen mit einem flüssigen Assemblierungsmedium so durchgeführt wird, dass der Spalt von dem flüssigen Assemblierungsmedium überbrückt wird.
Bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist das Verfahren ferner einen Schritt des Entfernens des flüssigen Assemblierungsmediums auf, so dass das Bauteil ausgerichtet auf den mindestens zwei Metallisierungsflächen angeordnet ist.
Gemäß einigen Ausführungsbeispielen kann die Metallisierungsfläche zur Aufnahme eines Bauteils eine effektive Gesamtfläche aufweisen, die größer oder gleich ist als eine Grundfläche des Bauteils, welches auf die Metallisierungsfläche aufzubringen ist. Die Metallisierungsflächen können also in einigen Ausführungsbeispielen eine größere Fläche aufweisen, als das aufzubringende Bauteil. Dies kann die Ausrichtung des Bauteils erleichtern bzw. verbessern.
Bei weiteren Ausführungsbeispielen weist der Schritt des Bereitstellens des Verfahrens zum ausgerichteten Aufbringen von Bauteilen auf ein Trägersubstrat einen Teilschritt des Durchführens einer Remote-Plasmabehandlung der Oberfläche des Substrates mit einem fluorhaltigem Plasma auf, um die hydrophilen und die hydrophoben bzw. die lipophilen und lipophoben Eigenschaften der Metallisierungsflächen und der die Metallisierungsflächen umgebenden Oberflächenbereiche zu erhalten, wobei die Remote-Plasmabehandlung so durchgeführt wird, dass die Ausbildung eines Fluor-Karbon-Films auf dem Metallisierungsflächen verhindert wird. Ein weiterer Aspekt der Erfindung bezieht sich auf eine Zeitkopplung zwischen dieser Remote-Plasmabehandlung und der Durchführung nachfolgender Verfahrensschritte bzw. auf die Lagerung des Remote-Plasma behandelten Substrates in Schutzgas oder Vakuum um die selektiven Benetzungseigenschaften des Substrates zu erhalten.
In weiteren Ausführungsbeispielen wird ein Verfahren zur Herstellung eines Substrates mit Metallisierungsflächen und Oberflächenbereichen mit unterschiedlicher Benetzbarkeit, sowie ein Verfahren zur Bestückung eines Zielsubstrates mit Bauteilen mit Hilfe eines Zwischenträgers beschrieben.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 ein Flussdiagramm zu einem Ausführungsbeispiel des Verfahrens zum ausgerichteten Aufbringen von Bauteilen auf ein Trägersubstrat;
2 ein weiteres Flussdiagramm des Verfahrens zum ausgerichteten Aufbringen von Bauteilen auf einem Trägersubstrat gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
3a schematische Darauf- und Seitenansicht eines Substrates mit mindestens einer Metallisierungsfläche zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum ausgerichteten Aufbringen von Bauteilen auf dem Substrat gemäß einem Ausführungsbeispiel;
3b schematische Darauf- und Seitenansicht eines Substrates mit unterteilten Metallisierungsflächen zur Durchführung des Verfahrens zum ausgerichteten Aufbringen von Bauteilen auf dem Substrat;
3c schematische Draufsicht auf ein Substrat mit zwei rechteckigen Metallisierungsflächen gemäß einem Ausführungsbeispiel;
3d schematische Draufsicht eines Substrates mit dreieckigen Metallisierungsflächen.
3e schematische Draufsicht eines Substrates mit vier Metallisierungsflächen zur Aufnahme eines Bauteils gemäß einem Ausführungsbeispiels;
3f schematische Darstellung der Vollflächeneinwirkung eines fluorhaltigen Plasmas gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
3g schematische Darstellung des Aufbringens eines flüssigen Assemblierungsmediums auf die unterteilten Metallisierungsflächen gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
3h schematische Darstellung der mit dem flüssigen Assemblierungsmedium benetzen hydrophilen Metallisierungsflächen, wobei ein Spalt zwischen den Metallisierungsflächen durch das Assemblierungsmedium überbrückt wird gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
3i schematische Darstellung des Aufbringens eines Bausteins bzw. Bauteils auf das flüssige Assemblierungsmedium, welches sich auf dem beiden hydrophilen Metallisierungsflächen befindet;
3j schematische Darstellung des Ausrichtens des auf der Oberfläche aufgrund der Oberflächenspannung des flüssigen Assemblierungsmediums schwimmenden Bausteins über der Metallisierungsfläche gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
3k schematische Darstellung der ausgerichteten Ablage des Bauteils auf den beiden Metallisierungsflächen nach dem Entfernen des flüssigen Assemblierungsmediums gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
3l schematische Darstellung des Anlegens einer elektrischen (Halte)-Spannung an die Doppelelektrodenflächen zur (reversiblen) Fixierung des Bauelementes auf den Elektrodenflächen;
4 schematische Draufsicht auf eine Mehrzahl von Paaren von Metallisierungsflächen, an die sich eine Haltespannung zur elektrostatischen Fixierung eines darauf ausgerichteten Bauteils anlegen lässt gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
5 ein Flussdiagramm zum Verfahren zur Herstellung eines Substrates gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
6 schematische Darstellung eines elektrostatischen Chipträgers mit Chipbausteinen, die auf den Doppelelektroden elektrostatisch fixiert sind gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
7 ein Flussdiagramm zum Verfahren zur Bestückung eines Zielsubstrates mit Bauteilen gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
8 schematische Seitenansicht eines 3D-integrierten Chipstapels, welcher mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens angeordnet wird; und
9 schematische Darstellung des Verfahrens zum ausgerichteten Aufbringen von Bauteilen in einem Rolle-zu-Rolle-Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
10 die schematische Seitenansicht eines auf einem Substrat ausgerichteten und mittels eines anisotrop leitfähigem Klebstoffes fixierten Bauteils gemäß einem Ausführungsbeispiels.
Bezüglich der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sollte beachtet werden, dass in den unterschiedlichen Figuren für funktional, identische bzw. gleichwirkende oder funktionsgleiche äquivalente Elemente oder Schritte zur Vereinfachung in der gesamten Beschreibung die gleichen Bezugszeichen verwendet werden. Somit sind die mit gleichen Bezugszeichen versehenen Elemente oder Schritte in den unterschiedlichen Ausführungsbeispielen untereinander austauschbar.
1 zeigt ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels zum Verfahren 100 zum ausgerichteten Aufbringen von Bauteilen auf einem Trägersubstrat gemäß der vorliegenden Erfindung. Bei einigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung weist das erfindungsgemäße Verfahren 100 beispielsweise einen Schritt des Bereitstellens 110 eines Substrates mit Metallisierungsflächen auf, wobei mindestens eine Metallisierungsfläche zur Aufnahme eines Bauteils vorgesehen ist, wobei die mindestens eine Metallisierungsfläche hydrophile oder lipophile Eigenschaften aufweist, und wobei die die mindestens eine Metallisierungsfläche umgebenden Oberflächenbereiche hydrophobe oder lipophobe Eigenschaften aufweisen. Die mindestens eine Metallisierungsfläche kann in einigen Ausführungsbeispielen auf der Trägersubstratoberfläche vollständig von den hydrophoben oder lipophoben Oberflächenbereichen umgeben sein oder aber, wie in weiteren Ausführungsbeispielen, können an der mindestens eine Metallisierungsfläche unmittelbar angrenzende Teilbereiche, wie z. B. elektrische Zuleitungen, ausgebildet sein die ebenfalls hydrophil oder lipophil sind. Solche Teilbereiche, wie die elektrischen Anschlüsse, brauchen das erfindungsgemäße Verfahren nicht stören, solange sie nicht eine bestimmte Größe überschreiten, so dass eine Fehlausrichtung des Bauteils eintreten würde. Ferner weist das Verfahren einen Schritt des Benetzens 120 der mindestens einen Metallisierungsfläche mit einem flüssigen Assemblierungsmedium auf. Das erfindungsgemäße Verfahren 100 weist also einen Schritt des Aufbringens 120 eines flüssigen Assemblierungsmediums zumindest auf die mindestens eine Metallisierungsfläche, die zur Aufnahme eines Bauteils vorgesehen ist, auf. Ferner weist das erfindungsgemäße Verfahren 100 einen Schritt des Aufbringens 130 eines Bauteils auf das flüssige Assemblierungsmedium, das sich auf der mindestens einen zugeordneten Metallisierungsfläche befindet, auf, wobei das Bauteil aufgrund der Oberflächenspannung des flüssigen Assemblierungsmediums an der Oberfläche desselben gehalten wird, um sich über der mindestens einen Metallisierungsfläche auszurichten.
Bei den auf das Substrat aufzubringenden Bauteilen, kann es sich beispielsweise um (mikro-)elektronische Chips oder Bauteile, aber auch um andere Bauteile oder Bauelemente, wie z. B. mechanische Teile handeln, die an bzw. auf bestimmte Positionen eines Substrates aufzubringen sind. Die Bauteile können reversibel oder fest auf das Substrat aufgebracht werden. Bei dem Substrat kann es sich beispielsweise um ein Wafersubstrat, wie es in der Halbleiterelektronik Verwendung findet, um ein Glassubstrat, um ein Kunststoffsubstrat, wie z. B. ein Polymersubstrat oder auch um eine flexibles Foliensubstrat handeln.
Das bereitzustellende Substrat weist eine oder mehrere Metallisierungsflächen auf, wobei mindestens eine Metallisierungsfläche als Zielgebiet für das auf das Substrat aufzubringende Bauteil dient. Bei einigen Ausführungsbeispielen dienen mindestens zwei getrennte Metallisierungsflächen als Zielgebiet für ein aufzubringendes Bauteil. Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens 100 kann das bereitzustellende Substrat mindestens eine Metallisierungsfläche aufweisen, wobei diese Metallisierungsfläche hydrophile oder lipophile Eigenschaften gegenüber der die Metallisierungsfläche umgebenden Oberflächenbereiche des Substrates aufweist. Diese die mindestens eine Metallisierungsfläche umgebenden Oberflächenbereiche können im Vergleich zu den Metallisierungsflächen hydrophobe oder lipophobe Eigenschaften aufweisen.
Die Metallisierungsflächen können beispielsweise Gold, Kupfer, Aluminium, Nickel, Chrom, Silber, Platin oder andere Metalle oder metallischen Verbindungen aufweisen. Die hydrophilen Metallisierungsflächen können gegenüber einem Wassertropfen einen Kontaktwinkel nahe 0°, also beispielsweise zwischen 0° und 20°, zwischen 0° und 10° oder zwischen 0° und 5° aufweisen.
Die Benetzbarkeit von Oberflächen, also der hydrophile oder hydrophobe Charakter von Oberflächen durch bestimmte Flüssigkeiten oder flüssigen Assemblierungsmedien wird üblicherweise durch den Kontaktwinkel eines Flüssigkeitstropfens auf der Oberfläche charakterisiert. Als Kontaktwinkel (oder Benetzungswinkel) wird der Winkel bezeichnet, den ein Flüssigkeitstropfen auf der Oberfläche eines Feststoffs zu dieser Oberfläche bildet. Die Größe des Kontaktwinkels zwischen Flüssigkeit und Feststoff hängt ab von der Wechselwirkung zwischen den Stoffen an der Berührungsfläche. Je geringer diese Wechselwirkung ist, desto größer wird der Kontaktwinkel. Kleine Kontaktwinkel, also beispielsweise Winkel zwischen 0° und 20°, zwischen 0° und 10° oder 0° und 5° bedeuten hierbei, dass sich ein Flüssigkeitstropfen auf der entsprechenden Oberfläche ausbreitet, die Benetzung also sehr gut auf dieser Oberfläche ist, die Oberfläche also hydrophil ist oder hydrophile Eigenschaften aufweist. Große Kontaktwinkel, beispielsweise zwischen 40° und 110° oder zwischen 40° und 60° oder zwischen 100° und 110° bedeuten hingegen, dass der Flüssigkeitstropfen stehen bleibt, so dass in einem Querschnittsbild des Flüssigkeitstropfens ein sehr großer Kontaktwinkel zwischen der Substratoberfläche und der Tropfenoberfläche entsteht, die Benetzbarkeit also schlecht ist und die Oberfläche also hydrophob ist oder hydrophobe Eigenschaften aufweist.
Eine Substanz oder Oberfläche wird als lipophil bezeichnet, wenn sie sich gut in Fetten und Ölen lösen lässt oder ihrerseits Fette und Öle gut lösen kann. Wohingegen eine Substanz oder Oberfläche als lipophob bezeichnet wird, wenn sie Fett oder Öl meidende Eigenschaften aufweist. Die Eigenschaft beschreibt also flüssige Stoffe, beispielsweise Wasser, die sich nicht mit Fetten und Ölen mischen lassen, sondern bei dem Versuch eine Emulsion bilden.
Das bereitzustellende Substrat kann ein metallstrukturiertes flexibles Foliensubstrat, beispielsweise also eine metallstrukturierte Kunststoff- oder Polymerfolie sein. Das Polymersubstrat bzw. die Kunststofffolie oder das Foliensubstrat kann beispielsweise Polyimid (PI), Polyethylenterephthalat (PET), Polyethylennaphtalat (PEN), Polyetherketone (PEEK), etc. aufweisen. Die die mindestens eine Metallisierungsfläche umgebenden Oberflächenbereiche können elektrisch isolierend sein, also beispielsweise auch Polyimid, PET, PEN, PEEK, Photolack, aber auch Siliziumoxid oder Siliziumnitridbeschichtungen aufweisen. Das Substrat kann mit einer elektrisch isolierenden Schicht beschichtet sein, auf die die Metallisierungsflächen angeordnet sind. Beispielsweise kann also auf einen Halbleiterwafer eine dünne Polymerschicht aufgebracht werden und auf die dünne Polymerschicht die Metallisierungsflächen.
Das Benetzen 120 der mindestens einen Metallisierungsfläche mit einem flüssigen Assemblierungsmedium kann beispielsweise durch Tropfen, Sprühen, Drucken, Eintauchen in das flüssige Assemblierungsmedium, Übergießen mit einer größeren Menge des flüssigen Assemblierungsmediums oder auch auf andere Arten erfolgen. Das Benetzen kann also großflächig das ganze Substrat einschließlich der Metallisierungsflächen umfassen oder aber gezielter nur die Metallisierungsflächen oder nur die Metallisierungsflächen einschließlich der die Metallisierungsflächen umgebenden Oberflächenbereiche des Substrates umfassen. Wie später ferner gezeigt wird, kann das Benetzen 120 auch in einem sogenannten Rolle-zu-Rolle-Verfahren durchgeführt werden, bei dem dann beispielsweise mittels Walzen, durch Sprühen, mittels, Drucken, ähnlich wie bei einem Tintenstrahldrucker oder mittels Schwammen das flüssige Assemblierungsmedium in einem kontinuierlich ablaufenden Rolle-zu-Rolle-Verfahren auf das Substrat aufgebracht wird.
Bei dem flüssigen Assemblierungsmedium kann es sich beispielsweise um eine Flüssigkeit wie Wasser, eine ölige Flüssigkeit, Öl, ein Lösungsmittel, einen flüssigen Klebstoff, einen leitfähigen Klebstoff oder auch einen anisotrop leitfähigen Klebstoff etc. handeln. Das flüssige Assemblierungsmedium kann eine Viskosität η aufweisen, wobei die Viskosität des flüssigen Assemblierungsmediums bei einer Assemblierungstemperatur beispielsweise zwischen 0.5 mPas und 1000 mPas, zwischen 1 mPas und 50 mPas oder zwischen 0.8 mPas und 100 mPas liegen kann. Die Viskosität eines Materials hängt von der Temperatur ab, so dass sich der Viskositätswert η des flüssigen Assemblierungsmediums auf die jeweilige Assemblierungstemperatur bezieht, weshalb auch unterschiedliche flüssige Assemblierungsmedien in Abhängigkeit der jeweiligen Assemblierungstemperatur verwendet werden können.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist ferner einen Schritt des Aufbringens 130 eines Bauteils, z. B. eines Chips, auf das flüssige Assemblierungsmedium, das sich auf der mindestens einen zugeordneten Metallisierungsfläche. befindet, auf. Das Aufbringen kann so erfolgen, dass das Bauteil aufgrund der Oberflächenspannung des flüssigen Assemblierungsmediums an der Oberfläche desselben gehalten wird, also auf dem flüssigen Assemblierungsmedium bzw. dem flüssigen Assemblierungsmediumtropfen schwimmt und nicht aufgrund der Schwerkraft in dem flüssigen Assemblierungstropfen absinkt und auf dem Substrat zum Liegen kommt.
Der Schritt des Aufbringens eines Bauteils auf das flüssige Assemblierungsmedium kann so durchgeführt werden, dass das Bauteil bei der Ablage auf dem flüssigen Assemblierungsmedium durch die Oberflächenspannung des flüssigen Assemblierungsmediums an der Oberfläche gehalten wird und nicht in das flüssige Assemblierungsmedium eintaucht oder absinkt. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass ein Bauteil verwendet wird das eine Dicke kleiner 150 μm oder eine Dicke zwischen 20 μm und 50 μm aufweist. Das Gewicht eines solchen Bausteines kann also gewählt sein, dass er bei der Ablage des Bausteines auf dem flüssigen Assemblierungsmedium durch die Oberflächenspannung des flüssigen Assemblierungsmediums an der Oberfläche gehalten wird und nicht in das flüssige Assemblierungsmedium eintaucht oder absinkt.
Durch das Aufbringen eines Bauteils auf das flüssige Assemblierungsmedium, wobei das Bauteil an der Oberfläche des Assemblierungsmediums gehalten wird, kann sich das Bauteil über der mindestens einen zugeordneten hydrophilen oder liphophilen Metallisierungsfläche ausrichten. Das heißt, falls das Bauteil nicht absinkt, kann es bezüglich der zumindest einen zugeordneten Metallisierungsfläche durch die Oberflächenspannung ausgerichtet werden. Ein Ausrichten eines Bauteils kann sowohl ein Zentrieren des Bauteils als auch eine Anpassung des Bauteils zu Winkel- und/oder Kanten bzw. Randgeometrien von Metallisierungsflächen bezüglich einer Metallisierungs- oder Kontaktfläche oder eines Zielgebietes, umfassen.
Gemäß einigen Ausführungsbeispielen kann durch die Form der hydrophilen Metallisierungsflächen und damit einhergehend der Ausgestaltung der Form der Tropfenbildung des Assemblierungsmediums auf der Metallisierungsfläche eine Vorzugsrichtung für die Ausrichtung des Bauteils u. a. durch die Oberflächenspannung des Tropfens bewirkt werden. Die Ausrichtung eines auf einem flüssigen Assemblierungsmedium aufgebrachten Bauteils kann sowohl von der Form der Metallisierungsfläche, als auch von der Menge und der Oberflächenspannung des flüssigen Assemblierungsmediums abhängen. Beispielsweise kann eine Metallisierungsfläche eine längliche rechteckige Form aufweisen, so dass ein darauf befindlicher Tropfen des Assemblierungsmediums ebenfalls diese Form annehmen wird und ein Bauteil, welches beispielsweise um 90° gedreht zu der länglichen Form des Tropfens abgelegt wird, durch die Oberflächenspannung in eine zu der Metallisierungsfläche parallelen Lage gedreht wird.
Wie in dem Flussdiagramm in 1 dargestellt ist, kann das erfindungsgemäße Verfahren in einem anderen Ausführungsbeispiel weiterhin einen Schritt des Fixierens 140 des ausgerichteten Bauteils auf dem Substrat aufweisen, wobei das flüssige Assemblierungsmedium ein flüssiger Klebstoff ist, ein leitfähiger Klebstoff oder ein anisotrop leitfähiger Klebstoff sein kann. In anderen Worten kann es sich also bei einigen Ausführungsbeispielen bei dem Fixieren 140 um ein Aufkleben des ausgerichteten Bauteils nach der Durchführung des Schrittes des Aufbringens 120 handeln. Das flüssige Assemblierungsmedium kann also ein Klebstoff sein, der dann, nachdem das Bauteil durch die Oberflächenspannung und der Gestalt des flüssigen Klebstofftropfens über den Metallisierungsflächen ausgerichtet ist, aushärtet und das ausgerichtete Bauteil fest auf dem Bauteil fixiert. Ein Bauteil kann beispielsweise dann ausgerichtet sein, wenn es mit einer gewünschten Lage oder Position auf dem Substrat übereinstimmt oder wenigstens innerhalb einer Lagetoleranz von weniger als 5%, weniger als 3% oder weniger als 1% mit dieser gewünschten Position übereinstimmt. Die gewünschte Position kann beispielsweise der Form bzw. Geometrie des Zielgebietes zur Aufnahme des Bauteils entsprechen. Parallele Kanten und/oder Winkel der Metallisierungsflächen und des ausgerichteten Bauteils können eine Abweichung von weniger als 10°, weniger als 5° oder weniger als 1° im ausgerichteten Zustand aufweisen.
Gemäß einigen Ausführungsbeispielen kann also ein Bauteil mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens auf einem Substrat bzw. einem Zielgebiet ausgerichtet werden, und dort fest, also final, fixiert werden. Im Gegensatz dazu wird bei anderen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung das Bauelement reversibel auf einem Trägersubstrat fixiert. Das Trägersubstrat kann dann als Zwischenträger fungieren. Die Bauteile lassen sich also wieder reversibel entfernen und es besteht keine finale feste Fixierung der ausgerichteten Bausteine sondern eine reversible Fixierung. Die Metallisierungsflächen können elektrische Anschlussleitungen aufweisen und das Substrat kann andere elektronische Schaltkreise oder Schaltstrukturen aufweisen. In weiteren Anwendungsgebieten kann ein Substrat auch andere mechanische oder optische Bauteile aufweisen.
Das flüssige Assemblierungsmedium kann beispielsweise ein leitfähiger Klebstoff sein, so dass ein elektrisches Bauelement, das auf einer zugeordneten Metallisierungsfläche ausgerichtet und fixiert wurde, elektrisch kontaktiert ist. Es kann also eine Spannung angelegt werden bzw. Strom über die Zuleitungen und die Metallisierungsflächen zu dem Bauteil. Bei solch einem Bauelement, welches auf mindestens einer Metallisierungsfläche ausgerichtet und fixiert ist, kann es sich beispielsweise um eine Leuchtdiode (LED) handeln, bei der ein elektrischer Anschluss über die Metallisierungsfläche und den leitfähigen Klebstoff erfolgt und ein zweiter elektrischer Anschluss über einen Kontakt an der Oberfläche der LED, die beispielsweise der Metallisierungsfläche gegenüberliegt erfolgt.
In 2 ist ein weiteres Flussdiagramm zum Verfahren zum ausgerichteten Aufbringen von Bauteilen auf einem Trägersubstrat dargestellt. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel kann das Bereitstellen 110 eines Substrats mit Metallisierungsflächen so durchgeführt werden, dass ein Substrat mit unterteilten Metallisierungsflächen bereitgestellt wird, wobei mindestens zwei Metallisierungsflächen zur Aufnahme eines Bauteils vorgesehen sind, wobei die mindestens zwei Metallisierungsflächen durch einen Spalt unterteilt sind, und wobei der Schritt des Benetzens 120 der mindestens zwei Metallisierungsflächen so durchgeführt wird, dass der Spalt von dem flüssigen Assemblierungsmedium überbrückt wird.
Das Verfahren weist ferner wieder den Schritt des Aufbringens 130 eines Bauteils auf das flüssige Assemblierungsmedium das sich auf den mindestens zwei zugeordneten Metallisierungsflächen befindet, auf, wobei das Bauteil aufgrund der Oberflächenspannung des flüssigen Assemblierungsmediums an der Oberfläche desselben gehalten wird, um sich über den mindestens zwei zugeordneten Metallisierungsflächen auszurichten. In einigen Ausführungsbeispielen der obigen Erfindung kann das Verfahren, wie in 2 dargestellt ist, ferner einen Schritt des Entfernens 150 des flüssigen Assemblierungsmediums aufweisen, so dass das Bauteil ausgerichtet auf den mindestens zwei Metallisierungsflächen angeordnet ist. In einigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann das Verfahren ferner einen Schritt des Fixierens und/oder des Ausrichtens 160 des Bauteils mittels elektrostatischer Kräfte auf dem Substrat durch Anlegen einer elektrischen Haltespannung über die mindestens zwei Metallisierungsflächen aufweisen. Das Anlegen einer elektrischen Haltespannung zum Fixieren und/oder Ausrichten eines Bauteils kann nach dem Entfernen des flüssigen Assemblierungsmediums 150 durchgeführt werden oder aber auch schon während bzw. bei dem Schritt des Aufbringens 130 eines Bauteils auf das flüssige Assemblierungsmedium. D. h. eine elektrische Haltespannung kann an den mindestens zwei Metallisierungsflächen, die als leitfähige Elektrodenflächen ausgebildet sind, erst nach Entfernen bzw. Abtrocknen des Assemblierungsmediums angelegt werden oder auch schon während des Vorgangs der Selbstausrichtung an der Oberfläche des Assemblierungsmediums.
Bei Ausführungsbeispielen zu dem Verfahren zum ausgerichteten Aufbringen von Bauteilen kann der Schritt des Bereitstellens 110 ferner einen Teilschritt des Durchführens einer Remote-Plasmabehandlung 115 der Oberfläche des Substrats mit einem fluorhaltigen Plasma, um die hydrophilen Eigenschaften der Metallisierungsflächen und die hydrophoben Eigenschaften der die Metallisierungsflächen umgebenden Oberflächenbereiche oder die lipophilen Eigenschaften der Metallisierungsflächen und die lipophoben Eigenschaften der die Metallisierungsflächen umgebende Oberflächenbereiche zu erhalten. Kennzeichen eines Remote-Plasmas kann ein sehr hoher Anteil an elektrisch neutralen Radikalen sein, hier also Fluor-Radikale. Andere Plasmaprodukte, beispielsweise eines CF₄-Ausgangsgases, können nur in geringen Mengen auf das Träger- bzw. Foliensubstrat auftreffen, deshalb bildet sich auf den Metallisierungsflächen beispielsweise kein oder nur sehr unwahrscheinlich ein Fluor-Karbon Film aus, da hauptsächlich Fluor-Atome und nur wenige Kohlenstoff-Atome auf das Trägersubstrat treffen.
Gemäß einiger Ausführungsbeispiele wirkt auf die zu beschichtende Oberfläche des Substrates beispielsweise ein fluorhaltiges Plasma, also z. B. ein CF₄-Plasma, ein SF₃-Plasma, ein SF₆-Plasma oder Mischungen eines dieser Plasmen mit Sauerstoff oder Stickstoff, insbesondere ein F/C/O₂-Plasma. Bei einigen Ausführungsbeispielen kann das Plasma einen fluorhaltigen Anteil A von größer gleich 50 Vol.-% aufweisen und einen sauerstoffhaltigen Anteil B von kleiner gleich 50%. Der Anteil A und der Anteil B können zusammen ungefähr 100% ergeben. Beispielsweise kann also solch ein Plasma eine Zusammensetzung von ungefähr 60 Vol.-% CF₄ und ungefähr 40% Vol.-% O₂ oder von ungefähr 80 Vol.-% CF₄ und ungefähr 20 Vol.-% O₂ aufweisen. Durch den Zusatz von Sauerstoffgas – z. B. 20% Vol. zu 80% Vol. CF₄-Gas – kann die Ausbildung eines Fluor-Karbon-Films auf den Metallisierungsflächen, ebenfalls eher verhindern, da der Sauerstoff Kohlenstoff oxidiert und das Produkt als gasförmiges CO₂ abgepumpt werden kann.
Das Plasma kann als ein Niederdruckplasma, beispielsweise bei einem Kammerdruck von 0.1–100 hPa oder als Atmosphärenplasma bei Normaldruck, auf die gesamte Oberseite bzw. Oberfläche des Trägersubstrats oder auf die Metallisierungsflächen und zumindest die die Metallisierungsflächen umgebenden Oberflächenbereiche einwirken. Die Plasmabehandlung mit einem fluorhaltigen Plasma kann vorzugsweise mittels einer Remote-Plasambehandlung durchgeführt werden. Denkbar ist aber auch eine direkte Plasmabehandlung (direct plasma). Die Plasmaeinwirkung kann ferner in einem durchlaufenden Prozess durchgeführt werden.
Bei einigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann das fluorhaltige Plasma vollflächig auf die gesamte Oberfläche des Substrats einwirken. Es wird also kein Maskenschritt benötigt, um eine unterschiedliche Benetzbarkeit der Substratoberfläche und der Metallisierungsflächen in dem fluorhaltigen Plasma zu erhalten. Dass heißt, in einem einzigen Schritt kann durch die Einwirkung des fluorhaltigen Plasmas das Substrat mit den Metallisierungsflächen so behandelt werden, dass die Metallisierungsflächen hydrophile Eigenschaften aufweisen und die übrigen Oberflächenbereiche des Substrats, besonders die die Metallisierungsflächen umgebenden Oberflächenbereiche oder zumindest Teile der die Metallisierungsfläche umgebenden Oberflächenbereiche, hydrophobe Eigenschaften aufweisen. Das heißt, in einem einzigen Schritt können ohne Verwendung von Masken oder ohne den Einsatz von Maskentechnik durch die Anwendung des fluorhaltigen Plasmas in einer Remote-Plasmabehandlung sowohl hydrophile Metallisierungsflächen als auch hydrophobe Oberflächenbereiche bzw. lipophile Metallisierungsflächen und lipophobe Bereiche auf dem Substrat erzeugt werden. Dabei ist keine Maskentechnik nötig, um eine selektive Plasmabehandlung der Metallisierungsflächen und der übrigen Oberflächenbereiche des Substrates zu erzielen. Es wird also beispielsweise auch keine Fotolackschicht benötigt, um Bereiche der Oberfläche des Substrats abzudecken, um unterschiedlich benetzende Eigenschaften der Substratoberfläche zu erzielen. Durch die Verwendung einer Remote-Plasmabehandlung wird ferner auch keine karbonhaltige dünne Schicht auf den Metallisierungsflächen abgeschieden, wobei eine Reinigung oder Säuberung der Metallisierungsflächen Oberflächen erfolgen kann.
Es lassen sich also in einem einzigen Plasmabehandlungsschritt ohne Maskentechnik die oben beschriebenen hydrophilen Eigenschaften der Metallisierungsflächen und hydrophoben Eigenschaften der übrigen Bereiche des Substrats erzielen. Die hydrophilen Eigenschaften der Metallisierungsflächen können relativ zu den hydrophoben Eigenschaften der die Metallisierungsflächen umgebenden Oberflächenbereiche sein. Die hydrophilen Metallisierungsflächen können einen kleineren Kontaktwinkel mit einem Wassertropfen aufweisen als die hydrophoben Oberflächenbereiche oder Teile der Oberflächenbereiche. Die die Metallisierungsflächen umgebenden Oberflächenbereiche können beispielsweise auch metallische elektrische Zuleitungen oder Schaltungen aufweisen. Diese können ebenfalls hydrophile Eigenschaften aufweisen. Die Metallisierungsflächen brauchen also nicht vollständig von hydrophoben Oberflächenbereichen umgeben sein.
Bei Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann die Plasmabehandlung in einem Vakuumreaktor durchgeführt werden, der bis zu einem Druck von wenigen hPa mit einem fluorhaltigen Ätzgas gefüllt ist, und in dem eine Hochfrequenz- oder elektrodenlose Mikrowellenentladung, beispielsweise zwischen zwei GHz und drei GHz, also beispielsweise bei 2.45 GHz gezündet wird und so ein hochreaktives, ätzaktives Plasma erzeugt wird. Besonders geeignet zur Durchführung der Plasmabehandlung ist die sogenannte Remote-Plasmabehandlung, bei der die Plasmaerzeugung in einer Vorkammer stattfindet, also nicht direkt in unmittelbarer Nähe bzw. der Kammer des mit dem Plasma zu behandelten Gegenstands, wie es bei der direkten Plasamabehandlung (direct plasma) durchgeführt wird. Eine Remote-Plasmabehandlung kann gewählt werden, wenn wie beim Reinigungsätzen auf eine Anisotropie beim Ätzen verzichtet werden kann.
Wie in dem Flussdiagramm in 2 gezeigt ist, kann das Benetzen 120 der Metallisierungsflächen mit einem flüssigen Assemblierungsmedium so durchgeführt werden, dass innerhalb einer Zeitdauer von weniger als zwei Stunden oder von weniger als 15 Minuten nach der Remote-Plasmabehandlung 115 das Benetzen durchgeführt wird. Es wurde nun erkannt, dass eine Zeitkopplung zwischen der Plasmabehandlung des Substrats mit den Metallisierungsflächen und dem Benetzen 120 der Metallisierungsflächen mit einem flüssigen Assemblierungsmedium nötig ist. Diese Zeitkopplung kann deshalb nötig sein, um die hydrophilen Eigenschaften der Metallisierungsflächen und die hydrophoben Eigenschaften der die Metallisierungsflächen umgebenden Oberflächenbereiche oder die lipophilen Eigenschaften der Metallisierungsflächen und die lipophoben Eigenschaften der die Metallisierungsflächen umgebenden Oberflächenbereiche beizubehalten. In anderen Worten können die hydrophilen und hydrophoben bzw. lipophilen und lipophoben Eigenschaften der entsprechenden Bereiche des Substrats nach der fluorhaltigen Remote-Plasmabehandlung mit der Zeit bei Lagerung an Umgebungsluft verloren gehen. Die hydrophilen Metallisierungsflächen können ihre hydrophilen Eigenschaften mit der Zeit bei Lagerung an Luft verlieren oder sie können reduziert werden. Deshalb kann in weiteren Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung das erfindungsgemäße Verfahren auch einen Schritt des Unterbringens 170 des Substrats in einer Schutz- oder Inertgasatmosphäre oder in Vakuum bzw. in Unterdruck aufweisen. Dass heißt, nach der fluorhaltigen Plasmabehandlung kann das entsprechende Substrat in einer Schutzgas- oder in einer Inertgasatmosphäre oder im Vakuum, also bei Unterdruck, gelagert werden. Bei dem Schutz- bzw. dem Inertgas kann es sich um Edelgase, wie z. B. Helium, Neon, Argon, Krypton oder auch um Stickstoff oder sonstige Schutzgase oder Schutzgaskombinationen handeln, die geeignet sind die hydrophilen und hydrophoben bzw. die lipophilen und lipophoben Eigenschaften des Substrats mit den Metallisierungsflächen nach der fluorhaltigen Plasmabehandlung zu erhalten.
Bei einigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann also das Remote-Plasma-behandelte Substrat innerhalb einer Zeitdauer von weniger als zwei Stunden oder von weniger als 15 Minuten nach der Remote-Plasmabehandlung in einer Schutzgasatmosphäre oder im Vakuum untergebracht werden, um die hydrophilen Eigenschaften der Metallisierungsflächen und die hydrophoben Eigenschaften der die Metallisierungsflächen umgebenden Oberflächenbereiche oder die lipophilen Eigenschaften der Metallisierungsflächen und die lipophoben Eigenschaften der die Metallisierungsflächen umgebenden Oberflächenbereiche beizubehalten. Unter Schutzgasatmosphäre oder unter Unterdruck bzw. in Vakuum kann das Substrat beispielsweise einige Stunden, einige Tage oder einige Wochen zwischengelagert werden, bevor dann der Schritt des Benetzens 120 der mindestens einen Metallisierungsfläche mit einem flüssigen Assemblierungsmedium durchgeführt wird.
In den nachfolgenden 3a–3k wird das erfindungsgemäße Verfahren unter Bezugnahme auf eine schematisierte Darstellung in einer Aufsicht und einer Seitenansicht eines Substrats mit mindestens einer Metallisierungsfläche erläutert.
3a zeigt links die Aufsicht auf ein Substrat 10 mit mindestens einer Metallisierungsfläche 5, wobei die Metallisierungsfläche, wie angedeutet, eine elektrische Zuleitung 7 aufweisen kann. Die Metallisierungsfläche 5 auf dem Substrat 10 wird auch als Zielgebiet für ein aufzubringendes Bauelement (nicht gezeigt in 3a) bezeichnet. An die Metallisierungs- oder Elektrodenfläche 5 kann mittels einer Leiterbahnzuführung 7 eine elektrische Spannung angelegt werden. Dies kann später genutzt werden, um eine elektrische Spannung an die Elektroden bzw. das darauf ausgerichtete Bauelement anzulegen. Ein Teilbereich 5e der Metallisierungsfläche kann mit der elektrischen Zuleitung 7 in elektrischer Verbindung sein. Dieser die Metallisierungsfläche 5 umgebende Oberflächenbereich kann ebenfalls hydrophile bzw. lipophile Eigenschaften aufweisen. Die restliche Umgebung 15 bzw. die die Metallisierungsfläche 5 umgebenden restlichen Oberflächenbereiche können hydrophob bzw. lipophil und elektrisch isolierend sein, also beispielsweise elektrisch isolierende Polymere aufweisen, wie Polyimid, PET, PEN, PEEK, Fotolack, etc. oder auch Beschichtungen aus Siliziumoxid oder Siliziumnitrid. Denkbar sind auch andere elektrisch isolierende Materialien, wie Gläser, etc. Auf der rechten. Seite in 3a ist eine schematische Seitenansichtsdarstellung des Substrats 10 mit der mindestens einen Metallisierungsfläche 5 und der Zuleitung 7 dargestellt. Die Metallisierungsfläche 5 und die Zuleitungen 7 können auf dem Substrat angeordnet sein oder (nicht gezeigt in 3a) in diesem eingelassen sein, so dass eine ebene Oberfläche 2 des Substrates ausgebildet ist. Die Metallisierungsfläche kann beispielsweise auf einer dünnen elektrisch isolierenden Schicht auf einem Siliziumwafer angeordnet sein.
Wie in 3b schematisch dargestellt ist, kann das erfindungsgemäße Verfahren so durchgeführt werden, dass ein Substrat 10 bereitgestellt wird, welches unterteilte Metallisierungsflächen aufweist, wobei mindestens zwei Metallisierungsflächen 5a, 5b – das Zielgebiet – zur Aufnahme eines Bauteils vorgesehen sind, wobei die mindestens zwei Metallisierungsflächen 5a, 5b durch einen Spalt 8 mit der Breite B unterteilt sind. Die mindestens zwei Metallisierungsflächen 5a und 5b können als Doppelelektrodenflächen bzw. Elektroden-Paare ausgebildet sein, wobei jede der beiden Elektrodenflächen 5a, 5b einen entsprechenden elektrischen Anschluss oder Zuleitung 7a, 7b aufweisen kann. Die beiden Elektrodenflächen bzw. Metallisierungsflächen 5a, 5b können hydrophile Eigenschaften aufweisen, während der Spalt 8 zwischen den beiden Elektrodenflächen 5a, 5b hydrophobe Eigenschaften aufweisen kann. Die Leiterbahnstrukturen 7a, 7b können hydrophobe oder hydrophile Eigenschaften aufweisen. Bei einigen Ausführungsbeispielen kann der Spalt 8 zwischen den mindestens zwei zugeordneten Metallisierungsflächen 5a, 5b beispielsweise eine Breite B zwischen 1 μm und 300 μm, zwischen 5 μm und 200 μm oder zwischen 20 μm und 60 μm aufweisen.
Bei einigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung bildet die Fläche der Metallisierungsfläche 5 (3a) oder die Flächen der mindestens zwei Metallisierungsflächen 5a, 5b und die Fläche des Spaltes 8 zwischen den Metallisierungsflächen 5a, 5b eine effektive Gesamtfläche 12. Diese effektive Gesamtfläche 12 kann bei einigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung die 0.8-fache bis 2-fache, die 1.05-fache bis 1.7-fache oder auch die 1.3-fache bis 1.5-fache Größe der Grundfläche des aufzubringenden Bauteils aufweisen. Dass heißt, die effektive Gesamtfläche 12 kann in einigen Ausführungsbeispielen beispielsweise 5% bis 70% oder 20% bis 50% größer sein als die Grundfläche des auf den Metallisierungsflächen anzuordnenden Bauteils. Dadurch kann eine vereinfachte und verbesserte Ausrichtung des Bauteils erreicht werden. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann die effektive Gesamtfläche 12 gleich der Grundfläche des Bauteils sein.
Die Metallisierungsflächen können, wie in den Seitenansichten z. B. in den 3a oder 3b schematisch dargestellt ist, dünne Metallschichten sein. Diese Metallschichten können beispielsweise Kupfer, Chrom, Aluminium, Gold, Silber, Nickel oder andere Metalle oder metallische Verbindungen bzw. leitfähige Verbindungen aufweisen. Die Metallisierungsflächen 5a, 5b können auf einem Polymersubstrat 10 beispielsweise aus Polyimid, PET, PEN, PEEK oder anderen polymeren Verbindungen bzw. auf anderen organischen oder glasartigen Substraten ausgeführt sein.
Bei dem Substrat 10 kann es sich um ein Siliziumwafersubstrat handeln, wobei die Waferoberfläche 2, gemäß einem Ausführungsbeispiel, oxidiert wird oder mit einem Polymer beschichtet wird. Diese Verfahrenschritte können als weitere Teilschritte des Schrittes zum Bereitstellen 110 eines Substrates gemäß weiterer Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung durchgeführt werden. Nach dem Oxidieren oder der Polymerbeschichtung könnten dann die Leiterbahnen und die Elektrodengeometrien bzw. die Metallisierungsflächen aufgebracht werden.
Im Folgenden weist zur Erklärung der Verfahrensweise des erfindungsgemäßen Verfahrens die Trägersubstratoberfläche Metallflächen bzw. Metallisierungsflächen mit elektrischen Zuleitungen in elektrisch isolierender Umgebung auf. Dass heißt, die Trägersubstratoberfläche 2 des Substrates 10 kann elektrisch isolierende Eigenschaften aufweisen.
Wie in der schematischen Draufsicht in 3c gezeigt ist, kann ein Substrat 10 Metallisierungsflächen 5a, 5b aufweisen, so dass aufgrund ihrer Form, hier längliche Rechtecke, ein Assemblierungstropfen diese durch die hydrophile Metallisierungsform vorgegebenen Richtung einnimmt und so ein Bauteil, welches auf dem Assemblierungstropfen aufgebracht wird, in Längsrichtung der Metallisierungsflächen 5a, 5b ausgerichtet wird.
Die geometrische Form der mindestens einen bzw. mindestens zwei Metallisierungsflächen 5a, 5b kann z. B. quadratisch, rechteckig, rund, dreieckig oder auch andersgestaltig sein.
Ferner können, wie in 3d schematisch dargestellt ist, mehr als eine oder zwei Metallisierungsflächen zur Aufnahme eines Bauteils vorgesehen sein. 3d, zeigt eine schematische Darstellung der Draufsicht von drei dreieckig ausgebildeten Metallisierungsflächen 5a, 5b, 5c mit entsprechenden elektrischen Zuleitungen 7a, 7b, 7c. In 3e sind beispielsweise vier Metallisierungsflächen 5a, 5b, 5c und 5d bzw. vier Pads zur Aufnahme eines Bauelementes oder Bauteiles vorgesehen. Zwischen den vier Metallisierungsflächen können beispielsweise zwei Spalte 8a und 8b angeordnet sein. Diese beiden Spalte 8a, 8b können kreuzförmig ausgebildet sein. Die Kontakte eines aufzubringenden Bauteils und die Metallisierungsflächen auf dem Substrat können sich jeweils gegenüber liegen. Die effektive Gesamtfläche 12 dieser Anordnung kann die vier Elektrodenflächen 5a bis 5d, sowie die zwei zwischen den Elektrodenflächen liegenden Spalte 8a und 8b umfassen. Jede Elektroden- bzw. Metallisierungsfläche 5a und 5d kann eine elektrische Zuleitung 7a bis 7d aufweisen, wobei an die Elektrodenflächen einzeln oder auch in Gruppen eine Haltespannung über die entsprechend einzeln oder in Gruppen verschalteten Zuleitungen 7a bis 7d anlegbar ist. Erfindungsgemäß wird durch das Anlegen einer elektrischen Spannung an die Elektrodenflächen die Ausrichtung eines Bauteiles auf einem Assemblierungstropfen über den Elektrodenflächen und/oder eine reversible Fixierung des Bauteils erreicht. Die Elektrodenflächen können beim Anlegen einer (Halte-)Spannung entgegengesetzt aufgeladen werden, so dass ein elektrisches Feld erzeugt wird. Dieses elektrische Feld kann in einem auf den Elektrodenflächen angeordneten Bauteil eine Ladungsverschiebung verursachen, wodurch eine elektrostatische Kraft erzeugt wird, die das Bauteil auf den Elektrodenflächen fixiert. Durch ein Abschalten oder Abtrennen der (Halte-)Spannung wird das elektrische Feld und damit die elektrostatische Kraft, welche das Bauteil auf den Elektrodenflächen fixiert, abgeschaltet und das Bauteil kann reversibel von den Elektrodenflächen entfernt werden.
Wie in 3f schematisch dargestellt ist, kann ein Plasma vollflächig, d. h. auf die gesamte Oberfläche 2 des Substrates 10 sowie auf die elektrischen Zuleitungen 7a, 7b und die Metallisierungsflächen 5a und 5b einwirken. Dadurch werden die Metallisierungsflächen hydrophil bzw. lipophil und die übrigen Oberflächenbereiche 2 des Substrats 10 hydrophob. Auch der Spalt 8 zwischen den Metallisierungsflächen 5a und 5b kann hydrophobe oder lipophile Eigenschaften nach der Plasmabehandlung aufweisen.
Die vollflächige Einwirkung mit einem fluorhaltigen Plasma kann mittels einer Remote-Plasmabehandlung 115 durchgeführt werden. Solch eine Remote-Plasmabehandlung kann dazu geeignet sein, die Oberflächen der Metallisierungsflächen 5a und 5b zu säubern und somit die hydrophilen Eigenschaften im Vergleich zu den hydrophoben Eigenschaften, der die Metallisierungsflächen umgebenden Oberflächenbereiche 15 und der restlichen Substratoberfläche 2 zu erhalten. Die Remote-Plasmabehandlung des Substrates mit den Metallisierungsflächen kann ein Teilschritt des Bereitstellens 110 eines Substrates mit den entsprechend selektiven Benetzungseigenschaften darstellen.
Wie in 3g schematisch dargestellt ist, wird ein flüssiges Assemblierungsmedium, wie z. B. eine Flüssigkeit, Wasser, Lösemittel, Lacke, elektrisch isolierende oder leitende Polymere, leitfähige Tinten oder dünnflüssige Klebstoffe auf die Elektroden 5a, 5b aufgebracht. Das Aufbringen 130 kann beispielsweise durch ein Auftropfen, Aufsprühen oder ein Eintauchen bzw. Übergießen des Substrates mit dem flüssigen Assemblierungsmedium durchgeführt werden. Denkbar ist auch der Auftrag des flüssigen Assemblierungsmediums mittels eines Druckverfahrens. Da die Metallisierungsflächen hydrophile Eigenschaften aufweisen, kann es ausreichen, wenn ein Tropfen des flüssigen Assemblierungsmediums auf das Zielgebiet 5a, 5b nur in einem Überlappungsbereich, also nicht exakt auf die Metallsierungsfläche aufgebracht wird. Eine präzise Justage des Aufbringens des flüssigen Assemblierungsmediums auf die Metallisierungsflächen 5a und 5b ist also nicht unbedingt erforderlich. Wegen des hydrophilen Verhaltens der beiden Metallisierungsflächen 5a und 5b benetzt die Flüssigkeit bzw. das flüssige Assemblierungsmedium 30 die Elektroden und, wie in der Seitenansicht rechts in 3h gezeigt ist, überspannt sie auch den schmalen Spalt bzw. Graben 8 zwischen den beiden Metallisierungsflächen 5a und 5b. Wie oben erwähnt, kann dieser Spalt 8 eigentlich hydrophobe Eigenschaften aufweisen. Eine Benetzung der Leiterbahnzuführungen 7a, 7b kann auftreten, was allerdings keinen Einfluss auf das Assemblierungsverfahren hat.
Das flüssige Assemblierungsmedium 30 wird einerseits durch die hydrophoben Oberflächenbereiche des Substrates abgestoßen und andererseits von den hydrophilen Bereichen der Metallisierungsflächen 5a und 5b angezogen, so dass sogar ein Spalt 8 der Breite B, welcher hydrophobe Eigenschaften aufweist, überbrückt wird.
In 3i ist schematisch dargestellt, wie ein Baustein, z. B. ein Chip auf das flüssige Assemblierungsmedium 30 abgelegt wird. Der Schritt des Aufbringens 130 eines Bauteils auf das flüssige Assemblierungsmedium kann dabei so durchgeführt werden, dass auf der mindestens einen Metallisierungsfläche aufgrund der Oberflächenspannung des Assemblierungsmediums das Bauteil an der Oberfläche desselben gehalten wird.
Der Schritt des Aufbringens 130 eines Bauteils 40 auf das flüssige Assemblierungsmedium 30 kann beispielsweise so durchgeführt werden, dass mindestens 40% oder etwa 50% der Größe der Grundfläche des aufzubringenden Bauteils 40 auf dem flüssigen Assemblierungsmedium 30 mit der effektiven Gesamtfläche 12 bzw. der mindestens einen Metallisierungsfläche 5 überlappt. In anderen Worten, muss das aufzubringende Bauteil 40 nicht exakt auf das Zielgebiet, d. h. die zugeordnete Metallisierungsfläche 5 aufgebracht werden, sondern es kann reichen, wenn lediglich ein Überlapp von 40% oder mehr mit der Zielgebietsfläche oder der effektiven Gesamtfläche 12 bzw. der mindestens einen Metallisierungsfläche gegeben ist. Durch das flüssige Assemblierungsmedium auf dem Zielgebiet erfolgt dann die Selbstausrichtung des Bauteils auf der oder den zugeordneten Metallisierungsflächen. Durch das erfindungsgemäße Verfahren können also die Anforderungen an die exakte Positionierung bei der Aufbringung von Bauelementen geringer sein als bei herkömmlichen Verfahren. Dadurch kann das Ausrichten und Aufbringen eines Bauteils auf einem Substrat sowohl kostengünstiger, als auch schneller im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren sein, bei denen eine exakte Positionierung der Bauteile beim Aufbringen auf ein Substrat erforderlich ist. In der Seitenansicht in 3i ist nochmals zur Veranschaulichung schematisch die Breite der effektiven Gesamtfläche 12, sowie die Breite der Grundfläche 40a des Bauteils 40 dargestellt. Ein vollständiger Überlapp beider Flächen ist nicht nötig.
Aufgrund der Oberflächenspannung des flüssigen Assemblierungsmediums 30 wird das Bauteil 40 an der Oberfläche des flüssigen Assemblierungsmediums gehalten. Das Bauteil sinkt nicht in dem Tropfen aufgrund seiner Schwerkraft ab. Wie in 3j dargestellt ist, schwimmt der Baustein 40 auf der Assemblierungsflüssigkeit und wird durch die Oberflächenspannkräfte automatisch richtig zentriert und kantenparallel zu den Elektrodenflächen bzw. zu den Metallisierungsflächen 5a, 5b ausgerichtet. Um eine exaktere und bessere Ausrichtung zu erreichen, kann gemäß einiger Ausführungsbeispiele vorteilhafterweise das Zielgebiet, also die Elektrodenflächen bzw. Metallisierungsflächen 5a, 5b eine etwa 5 bis 30% größere effektive Gesamtfläche 12 aufweisen, verglichen mit der Bauteilfläche bzw. der Grundfläche des Bauteils 40. Die Grundfläche des Bauteils kann dabei die Fläche sein, mit der ein Kontakt oder ein Kontaktbereich zu einem Substrat oder eine Unterlage hergestellt wird.
In weiteren Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann das Verfahren zum ausgerichteten Aufbringen von Bauteilen auf einem Trägersubstrat so durchgeführt werden, dass ein Substrat mit Metallisierungsflächen bereitgestellt wird, wobei die mindestens eine Metallisierungsfläche, also auch zwei Metallisierungsflächen oder mehrere Metallisierungsflächen, welche zur Aufnahme eines Bauteils eine effektive Gesamtfläche 12 aufweisen, die die 0.8-fache bis 2-fache, die 1.01-fache bis 1.7-fache oder die 1.05-fache bis 1.3-fache Größe der Grundfläche bzw. Bauteilfläche des auf der mindestens einen Metallisierungsfläche aufzubringenden Bauteils aufweist. Die effektive Grundfläche kann also auch etwas kleiner sein, als die Grundfläche des aufzubringenden Bauteils. Durch die erfindungsgemäße Verwendung von Zielgebieten bzw. Metallisierungsflächen, die eine größere Fläche aufweisen als die auf dem Zielgebiet aufzubringenden Bauteile, kann erfindungsgemäß eine sehr gute bzw. exakte Ausrichtung der Bauteile auf den Zielgebieten erreicht werden. Durch die erfindungsgemäße Verwendung dieser größeren Metallisierungsflächen (siehe 3k) kann eine exakte Ausrichtung erreicht werden, wobei beispielsweise bei rechteckigen Metallisierungsflächen bzw. Zielgebieten eine kantenparallele Ausrichtung eines ebenfalls rechteckigen Bauteils mit einer Abweichung von weniger als 5°, weniger als 3° oder weniger als 1° erreicht werden kann.
Wie oben bereits erwähnt, wird in einem Ausführungsbeispiel erfindungsgemäß die Ausrichtung mit Hilfe des flüssigen Assemblierungsmediums und dessen Oberflächenkräfte zusätzlich beispielsweise durch das. Anlegen einer elektrostatischen Kraft über die Zuleitungen 7a, 7b an die mindestens zwei Metallisierungsflächen 5a, 5b unterstützt werden. Gemäß einiger Ausführungsbeispiele kann das erfindungsgemäße Verfahren einen Schritt des Entfernens 150 des flüssigen Assemblierungsmediums 30 aufweisen, so dass das Bauteil 40 ausgerichtet auf den mindestens zwei Metallisierungsflächen 5a, 5b, angeordnet ist. Das Entfernen des flüssigen Assemblierungsmediums 30 kann beispielsweise durch Abtrocknen erreicht werden. Dass heißt die Flüssigkeit 30 trocknet ab, eventuell unterstützt durch Wärmezufuhr bzw. durch Erzeugung eines Unterdrucks bzw. Vakuums über dem Assemblierungsmedium, um eine Verdunstung des flüssigen Assemblierungsmediums 30 zu begünstigen.
Der Schritt des Entfernens des Assemblierungsmediums 150 kann in einigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung zumindest einen der folgenden Schritte aufweisen; Erwärmen des Substrates oder des Assemblierungsmediums, Verdunsten des Assemblierungsmediums oder Erzeugen eines Unterdrucks oder Vakuums über dem Assemblierungsmedium, so dass eine Verdunstung des flüssigen Assemblierungsmediums unterstützt wird. Eine Erwärmung des Substrates bzw. des Assemblierungsmediums kann durch Wärmestrahlung, Wärmekonvektion oder Wärmeübertragung erfolgen.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist bei einem Ausführungsbeispiel einen Schritt des Fixierens und/oder des Ausrichtens 160 des Bauteils 40 mittels elektrostatischer Kräfte auf dem Substrat durch Anlegen einer elektrischen Haltespannung über die mindestens zwei Metallisierungsflächen 5a, 5b auf. Dies ist schematisch in 3l dargestellt, wo beispielsweise über die Leiterbahnzuführungen 7a, 7b eine elektrische Spannung an die Doppelelektrodenflächen 5a, 5b angelegt wird. Die angelegte Haltespannung kann eine Gleichspannung (DC) oder eine Wechselspannung (AC), beispielsweise zwischen 10 und 500 Volt sein, die an die Elektrodenflächen 5a, 5b angelegt wird.
Anhand der 3a bis 3l und den vorhergehenden Ausführungen ist das prinzipielle Verfahren für ein einzelnes Zielgebiet – hier zwei Metallisierungsflächen – und die Platzierung eines einzelnen Chips oder allgemein eines Bausteines, Bauelementes oder einer Komponente dargestellt. Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die Methode zum ausgerichteten Aufbringen von Bausteinen auf einem Trägersubstrat lässt sich leicht erweitern auf eine großflächigen Matrixanordnung vieler solcher Zielgebiete, welche beispielsweise aus Doppelelektrodenflächen bzw. mindestens zwei Metallisierungsflächen bestehen können. Um eine Fixierung und/oder ein Ausrichten des Bauteils mittels elektrostatischer Kräfte auf dem Substrat durchführen zu können, sollte jedes dieser Zielgebiet zur Aufnahme eines Bauteils zwei gegensätzlich aufladbare Elektrodenflächen aufweisen.
In 4 ist solche eine schematische Anordnung der Zielgebiete, welche jeweils aus den zwei Metallisierungsflächen 5a und 5b besteht, in einer Matrixanordnung dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel weist das bereitgestellte Substrat Zielgebiete 5a, 5b auf, die zeilenweise parallel schaltbar sind. An die gegensätzlich aufladbaren Elektrodenflächen lässt sich dann eine Wechselspannung oder eine Gleichspannung von beispielsweise 10 bis 500 Volt zur Fixierung der ausgerichteten Bausteine anlegen. Denkbar ist natürlich auch eine andere Anordnung der Zielgebiete bzw. eine andere Ausführung und Ausgestaltung der einzelnen Elektrodenflächen 5a, 5b der Zielgebiete. Prinzipiell lässt sich eine solche Anordnung auf Trägerplatten bzw. Trägersubstrate unterschiedlicher Größe, Dicke und Materialart realisieren. Im Bereich der Montagetechnik von Siliziumchips sind waferförmige Substrate von Vorteil, also z. B. ein Siliziumwafer, ein Halbleiterwafer oder ein Glaswafer mit Durchmessern von beispielsweise 100 mm, 150 mm, 200 mm, 300 mm oder 400 mm. In anderen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung müssen nicht alle Doppelelektroden 5a, 5b der Zielgebiete parallel geschaltet sein. Es können bestimmte Bereiche auf dem Trägersubstrat in Gruppen kontaktiert werden oder auch eine Einzelansteuerung der Zielgebiete ist möglich. In solch einem Fall könnten viele Leiterbahnen die einzelnen Matrixelemente, also die Zielgebiete mit den beiden Elektrodenflächen 5a, 5b individuell kontaktieren und dadurch individuell ansteuerbar sein.
Bei anderen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann die Verwendung von so genannten Active Matrix Backplanes, wie sie für die Ansteuerung von TFT-(thin-film-transistor)Flachbildschirmen eingesetzt werden, verwendet werden. In diesem Ausführungsbeispiel würde jedes Doppelelektrodenelement 5a, 5b bzw. jedes Zielgebiet mit mindestens zwei Metallisierungsflächen einen zugeordneten, auf dem Substrat integrierten Transistor aufweisen, über den jedes Doppelelektrodenelement, ähnlich wie ein Pixel in einem TFT-Flachbildschirmen angesteuert werden kann.
Für eine allgemeine Verwendung des elektrostatischen Trägers mit ausgerichteten und fixierten Bauteilen kann aber eine gruppenweise Ansteuerung von parallelgeschalteten Doppelelektroden 5a, 5b für die Anwendung ausreichen.
In einigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung findet eine Kombination der Selbstausrichtung von Bausteinen auf einem Zielgebiet und eine elektrostatische Fixierung des Bauteils nach der Ausrichtung auf einem Zwischen- oder Hilfsträgersubstrat oder einem Trägersubstrat statt. In anderen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung findet eine Selbstausrichtung der Bausteine auf einem Zielgebiet statt, wobei das flüssige Assemblierungsmedium ein leitfähiger sein kann, so dass dann im Gegensatz zu einigen anderen Ausführungsbeispielen keine reversible Fixierung, sondern eine finale, feste Fixierung des Bauteils auf dem Trägers- oder Schaltungssubstrat ermöglicht wird. Bei einigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann das Zielgebiet aus mindestens zwei geteilten Metallflächen in einer polymeren oder allgemein elektrisch isolierten Umgebung bestehen, so dass an die geteilten Metallflächen eine Spannung zur elektrostatischen Fixierung angelegt werden kann. Die Metallflächen bzw. Metallisierungsflächen können bei einigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung eine Doppelelektrode bilden, die einen Spalt aufweist, wobei dieser Spalt beispielsweise eine Breite von 5 um bis 200 um oder bevorzugt etwa 50 um aufweist. Die Breite des Spaltes 8 kann so gewählt sein, dass ein Flüssigkeitstropfen bzw. das flüssige Assemblierungsmedium den Spalt überbrücken kann und die erforderliche elektrische Isolation der beiden Elektrodenflächen trotzdem aufrechterhalten bleibt. Dass heißt, die mindestens zwei Metallisierungsflächen, die durch einen Spalt unterteilt sind, können einen Spalt aufweisen, mit einer Breite B, so dass in Abhängigkeit einer Viskosität η des flüssigen Assemblierungsmediums der Spalt von dem flüssigen Assemblierungsmedium überbrückt wird. Um ein Substrat mit dem gewünschten Effekt der selektiven Benetzung herzustellen, kann der Schritt des Bereitstellens eines solchen Substrates 110 einen Teilschritt der Remote-Plasmabehandlung 115, wie er oben beschrieben wurde, aufweisen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann durch die Berücksichtigung der Zeitkopplung zwischen der Plasmabehandlung und dem Aufbringen der Assemblierflüssigkeit die hydrophilen Eigenschaften der Metallisierungsflächen und die hydrophoben Eigenschaften der übrigen Substratoberfläche bzw. der die Metallisierungsflächen umgebenden Oberflächenbereiche beibehalten werden. Zwischen der Plasmabehandlung der Oberflächen des Substrates, also der Elektroden bzw. der Metallisierungsflächen und der die Metallisierungsflächen umgebenden Oberflächenbereiche, die beispielsweise aus Polymeren bestehen kann und dem Aufbringen des flüssigen Assemblierungsmediums sollte gemäß einem weiteren Aspekt möglichst wenig Zeit vergehen, um den maximalen Effekt der unterschiedlichen Benetzbarkeit von Metall und Polymeroberfläche, also den Metallisierungsflächen und den die Metallisierungsflächen umgebenden Oberflächenbereichen nutzen zu können. Durch eine längere Lagerung an Luft können aufgrund von Oberflächenreaktionen die hydrophilen Eigenschaften der Metallisierungsflächen und die hydrophoben Eigenschaften der die Metallisierungsflächen umgebenden Oberflächenbereiche reduziert werden. Bei einigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung wird vorteilhafterweise deshalb eine Zeitkopplung von 15 Minuten bis 2 Stunden vorgeschlagen. Alternativ kann das plasmabehandelte Substrat im Vakuum bzw. unter Unterdruck oder Schutzgas, wie z. B. Stickstoffe oder Edelgase gelagert werden. Die Lagerung unter Schutzgas bzw. im Vakuum erhält den Zustand der Plasmakonditionierung auch über Tage hinweg. In diesem Fall beginnt die Zeitkopplung nach der Entnahme des Substrates aus der Schutzgasatmosphäre. Dass heißt, der Schritt des Benetzens 120 der mindestens einen Metallisierungsfläche mit einem flüssigen Assemblierungsmedium findet vorteilhafterweise innerhalb einer Zeitdauer von weniger als 2 Stunden oder von weniger als 15 Minuten nach der Herausnahme des Remote-Plasma behandelten Substrates aus der Schutzgasatmosphäre bzw. dem Vakuum statt. Dadurch kann gewährleistet werden, dass die hydrophilen Eigenschaften der Metallisierungsflächen und die hydrophoben Eigenschaften der restlichen Substratoberfläche bzw. der die Metallisierungsflächen umgebenden Oberflächenbereiche erhalten sind.
In 5 ist ein Flussdiagramm zum erfindungsgemäßen Verfahren 200 zur Herstellung eines Substrates mit selektiver Benetzbarkeit gemäß einem Ausführungsbeispiel gezeigt. Das Substrat weist Metallisierungsflächen auf, wobei die Metallisierungsflächen hydrophile und die die Metallisierungsflächen umgebenden Oberflächenbereiche hydrophobe Eigenschaften aufweisen oder die Metallisierungsflächen lipophile Eigenschaften aufweisen und die die Metallisierungsflächen umgebenden Oberflächenbereiche lipophobe Eigenschaften aufweisen. Das erfindungsgemäße Verfahren 200 kann einen Schritt 210 des Bereitstellens eines Substrates mit Metallisierungsflächen, wobei mindestens eine Metallisierungsfläche zur Aufnahme eines Bauteils vorgesehen ist, aufweisen. Bei dem Substrat kann es sich um eines der oben aufgeführten Substrate handeln. Das Verfahren kann weiterhin einen Schritt des Durchführens 220 einer Remote-Plasmabehandlung der Oberfläche des Substrates mit einem fluorhaltigen Plasma aufweisen. Die Remote-Plasmabehandlung 220, 115 der Oberfläche des Substrates und den darauf befindlichen Metallisierungsflächen kann unter den bereits oben genannten Bedingungen für die Plasmabehandlung durchgeführt werden. Die Remote-Plasmabehandlung 220, 115 der Oberfläche des Substrates, welche beispielsweise eine Polymeroberfläche mit Metallisierungsflächen aufweisen kann, kann so durchgeführt werden, dass in einem einzigen Remote-Plasmabehandlungsgang sowohl die hydrophilen Eigenschaften der Metallisierungsflächen, als auch die hydrophoben Eigenschaften der die Metallisierungsflächen umgebenden Oberflächenbereiche oder die lipophilen Eigenschaften der Metallisierungsflächen und die lipophoben Eigenschaften der die Metallisierungsflächen umgebenden Oberflächenbereiche, erzeugt werden.
Gemäß einiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung kann durch eine Remote-Plasmabehandlung 220, 115 mit einem fluorhaltigen Plasma beispielsweise ein Polymersubstrat mit Metallisierungsflächen so behandelt werden, dass ein selektives Benetzen der Metallisierungsflächen und der Polymeroberfläche erreicht werden kann.
Gemäß einem weiteren Aspekt zum Verfahren zur Herstellung eines Substrates kann das Remote-plasmabehandelte Substrat innerhalb einer Zeitdauer von weniger als 2 Stunden oder von weniger als 15 Minuten nach der Remote-Plasmabehandlung in einer Schutzgasatmosphäre oder im Vakuum untergebracht werden, um die hydrophilen Eigenschaften der Metallisierungsflächen und die hydrophoben Eigenschaften der die Metallisierungsflächen umgebenden Oberflächenbereiche oder die lipophilen Eigenschaften der Metallisierungsflächen und die lipophoben Eigenschaften der die Metallisierungsflächen umgebenden Oberflächenbereiche beizubehalten.
In 6 ist die schematische Draufsicht auf einen elektrostatischen Chipträger 35 gezeigt, wie er in einem Chip-to-Wafer-Bondverfahren gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden kann. 6 zeigt die Konfiguration eines waferförmigen, elektrostatischen Zwischenträgers 35 mit einer Matrixanordnung von Doppelelektroden bzw. mindestens zwei Metallisierungsflächen 5a, 5b. Der elektrostatische Zwischenträger 35 kann ein Trägersubstrat 10 sein. Auf dem elektrostatischen Zwischenträger 35 können Bauteile, nachdem sie im oben beschriebenen Verfahren aufgebracht und ausgerichtet wurden, über eine anlegbare Spannung reversibel fixiert werden. Der elektrostatische Zwischenträger mit den darauf ausgerichteten und fixierten Bauteilen kann dann zu einem Zielsubstrat verbracht werden und dort so ausgerichtet werden, dass einzelne Bauteile, Gruppen von Bauteilen oder zeilen- bzw. spaltenweise Bauteile reversibel von dem Zwischenträger gelöst werden können, beispielsweise durch Abschalten der entsprechenden Spannung, und auf dem Zielsubstrat aufgebracht werden können. Auf dem Zielsubstrat aufgebrachte Bauteile können dann beispielsweise gebondet, gelötet oder falls die Bauteile auf dem Zwischenträger mit einem Klebstoff versehen wurden, fest aufgeklebt werden. Die Bauteile auf dem Zwischenträger, wie in 6 dargestellt ist, können einzeln, spaltenweise, zeilenweise- oder, gruppenweise fixiert und auf einen Zielsubstrat transferiert werden, je nachdem, wie die Leitungszuführungen 7 von einer Spannungsquelle zu den Doppelelektrodenflächen gelegt sind. Das Trägersubstrat 10 kann am Waferrand beispielsweise zwei Kontaktstellen 17 aufweisen, die zum Anlegen einer Gleichspannung an die Elektrodenflächen bzw. Metallisierungsflächen 5a, 5b der Matrixanordnung dienen. Die Kontaktstellen 17 können natürlich auch an der Waferkante oder an der Rückseite des Zwischenträgersubstrates liegen.
In 7 ist das Flussdiagramm zu dem erfindungsgemäßen Verfahren 300 zur Bestückung eines Zielsubstrates mit Bauteilen gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt. Das Verfahren zur Bestückung kann ein ausgerichtetes Fixieren von Bauteilen 310 auf einem Substrat aufweisen. Dieses ausgerichtete Fixieren 310 kann, wie oben beschrieben, mit Hilfe des Verfahrens 100 zum ausgerichteten Aufbringen von Bauteilen auf einem Trägersubstrat durchgeführt werden. Das Substrat kann als Zwischenträger 35 dienen, die Fixierung der Bausteine auf dem Substrat kann also reversibel sein und beispielsweise nur dazu dienen, eine Ausrichtung der Bauteile zu erreichen und eventuell weitere Prozessschritte oder Transportschritte zu dem Zielsubstrat vorzunehmen. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestückung eines Zielsubstrates kann weiterhin einen Schritt des Ausrichtens 320, des mit den Bauteilen versehenen Zwischenträgers zu dem zu bestückenden Zielsubstrat aufweisen. Dieses Ausrichten 320 kann beispielsweise mit Hilfe von optischen Justagemarken durchgeführt werden. Durch die einmalige Ausrichtung des Zwischenträgers 35 zu dem Zielsubstrat kann eine erhebliche Zeitersparnis erreicht werden, da nur eine einmalige Justage nötig ist, um sämtliche ausgerichteten und fixierten Bauteile auf dem Zwischenträger in eine definierte Position zu dem Zielsubstrat zu bringen. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestückung eines Zielsubstrates kann ferner einen Schritt des Transferierens 330 und Fixierens 340, der auf dem Zwischenträger befindlichen Bauteile auf dem Zielsubstrat aufweisen. Das Transferieren 330 kann beispielsweise so durchgeführt werden, dass die elektrische Haltespannung an den zu transferierenden Bauteilen des Zwischenträgers abgeschaltet wird und so die zu transferierenden Bauteile auf das Zielsubstrat beispielsweise mittels Schwerkraft übertragen werden können werden. Anschließend kann in einem Schritt des Fixierens 340 des Bauteils auf dem Zielsubstrat eine finale bzw. feste Fixierung des Bauteils auf dem Zielsubstrat erfolgen. Dieses Fixieren 340 kann beispielsweise ein Kleben, Bonden oder Löten umfassen. Der Schritt des Transferierens 330 und des Fixierens 340, der auf dem Zwischenträger befindlichen Bauteile auf das Zielsubstrat kann z. B. einzeln, gruppenweise, zeilenweise oder spaltenweise durchgeführt werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt dieser Erfindung kann die Anordnung, wie sie in 6 schematisch dargestellt ist, dazu benutzt werden, um in dem Verfahren 300 zur Bestückung eines Zielsubstrates mit Bauteilen eingesetzt zu werden. Die Anordnung aus 6 kann dazu benutzt werden, um eine Vielzahl von Chipbausteinen 40 geometrisch präzise justiert auf einem Zwischenträgersubstrat 35 reversibel zu fixieren und anschließend beispielsweise weitere Prozessschritte an den so fixierten Chip-Ensemble auszuführen. Die Bausteine können auf das Trägersubstrat 35 durch das oben beschriebene erfindungsgemäße Verfahren 100 zum ausgerichteten Aufbringen von Bauteilen aufgebracht werden. Dass heißt, es ist nicht unbedingt nötig, über optische Justagemarken den elektrostatischen Chipträger 35 zu bestücken, sondern dies kann durch das erfindungsgemäße Verfahren erfolgen. Ferner ist, wie oben bereits beschrieben wurde, an die Genauigkeit einer zur Bestückung nötigen Einrichtung eine geringere Anforderung möglich als bei Verfahren, in denen exakt justiert und ausgerichtet werden muss. Folglich können der apparative Aufwand und die Anforderung an die Präzisionsmechanik zum Aufbringen eines Bauteils auf einem Zielgebiet geringer sein, als bei herkömmlichen Verfahrensweisen. Dies wird durch die Ausnutzung des oben beschriebenen Selbstassemblierungsverfahrens aufgrund der Oberflächenspannung des flüssigen Assemblierungsmediums ermöglicht. Bei einigen Ausführungsbeispielen können die Bausteine bei ihrer Ablage auf dem Zielgebiet einen Überlappbereich mit dem angestrebten Zielgebiet von beispielsweise mindestens etwa 50% ihrer Fläche aufweisen. Bei einer angenommenen beispielhaften Chipkantenlänge von 3 mm bedeutet dies eine Justageanforderung von besser als 1,5 mm. Die Chipbausteine können nach der Ablage auf dem elektrostatischen Zwischenträger z. B. mit Klebstoff beschichtet werden, d. h. das erfindungsgemäße Verfahren 300 kann zudem einen Schritt des Beschichtens der Bauteile mit Klebstoff nach dem Fixieren des Bauteils auf dem Substrat aufweisen. Alternativ kann auch eine lotfähige Metallisierung an einer Oberseite bzw. an der nicht auf dem Zwischenträger fixierten Seite des Bausteins erfolgen. Der elektrostatische Chipträger 35 kann dann genutzt werden, um alle oder auch nur einzelne Bausteine 40 auf ein zweites Zielsubstrat zu übertragen. Dazu kann zunächst der Träger über Justagemarken zu dem zweiten Zielsubstrat ausgerichtet und dann auf das zweite Zielsubstrat abgesetzt werden. Gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung zu dem Verfahren 300 zur Bestückung eines Zielsubstrates mit Bauteilen kann dann eine Klebeverbindung erfolgen, falls vorher die Oberseite bzw. die nicht fixierte Seite der Bauteile 40 auf dem Zwischenträger dementsprechend beschichtet wurde. Alternativ kann auch eine Lotverbindung der einzelnen Chips auf das zweite Substrat bzw. ein Bonden durchgeführt werden. Der Transferprozess des Bauteils von dem Zwischenträger auf das Zielsubstrat und ein möglicher Bondprozess kann unter erhöhter Temperatur, Druck und ggf. im Vakuum ausgeführt werden. Das Zielsubstrat kann beispielsweise ein Halbleiterwafer mit vorgefertigten elektronischen Strukturen bzw. Schaltkreisen sein. Dieser vorgefertigte Wafer kann dann mit Bauteilen durch das erfindungsgemäße Verfahren 300 bestückt werden.
Um 3D-integrierte Chipstapel ausbilden zu können, kann das erfindungsgemäße Verfahren 300 zur Bestückung eines Zielsubstrates mit Bauteilen, ein wiederholtes Transferieren 330 und Fixieren 340 der auf dem Zwischenträger befindlichen Bauteile auf das Zielsubstrat aufweisen, so dass mindestens zwei Bauteile auf dem Zielsubstrat übereinander angeordnet sind. Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel zum Verfahren 300 zur Bestückung eines Zielsubstrates kann der Schritt des Transferierens 330 und/oder des Fixierens 340 bei einer Temperatur zwischen 250°C und 600°C oder zwischen 300°C und 450°C durchgeführt werden. Dass heißt, durch die elektrostatische Fixierung auf dem Zwischenträger kann es auch möglich sein, reversible Fixierungen mittels eines Zwischenträgers ohne Klebstoff bei höheren Temperaturen durchzuführen.
Wie in 8 schematisch dargestellt ist, kann das erfindungsgemäßes Verfahren 300 zur Bestückung eines Zielsubstrates mit Bauteilen so durchgeführt werden, dass sogenannte 3D-integrierte Chips übereinander gestapelt auf einem Zielsubstrat 11 fixiert werden können. Wie oben beschrieben, kann mittels eines Zwischenträgers ein erster Baustein 40a auf ein Zielsubstrat 11, beispielsweise mit Klebstoff 27, geklebt werden und anschließend kann mittels des Zwischenträgers auf diesen ersten Baustein 40a ein zweiter Baustein 40b aufgeklebt werden. Denkbar ist natürlich auch die Stapelung mehrerer weiterer Chips übereinander.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung findet der Schritt des Benetzens 120 des Verfahrens 100 zum ausgerichteten Ausbringen von Bauteilen auf einem Trägersubstrat innerhalb einer Zeitdauer von weniger als 2 Stunden oder von weniger als 15 Minuten nach dem Schritt des Bereitstellens 110 eines Substrates mit Metallisierungsflächen gemäß dem Verfahren 100 zum ausgerichteten Aufbringen von Bauteilen statt.
Gemäß weiterer Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung kann das Verfahren zum ausgerichteten Aufbringen von Bauteilen so durchgeführt werden, dass nicht nur ein Baustein am Zielgebiet abgelegt wird, sondern eine Mehrzahl von Bausteinen „im Überschuss” in einer größeren Flüssigkeitsmenge auf beispielsweise eine Matrixanordnung von Metallisierungsflächen bzw. Doppelelektroden aufgebracht oder aufgespült wird. Nach einem Schritt des Entfernens des flüssigen Assemblierungsmediums, z. B. durch Abgießen oder Abtrocknen des flüssigen Assemblierungsmediums bleiben aufgrund der Selbstassemblierung, wie oben beschrieben, eine Vielzahl von Chips auf den Doppelelektrodenzielgebieten in justierter ausgerichteter Weise übrig. Durch Anlegen einer Spannung an die Doppelelektroden werden die korrekt justierten Chips fixiert, Bausteine auf Zwischenplätzen oder fehljustierte Bausteine können anschließend abgespült werden oder fallen nach Schüttelbewegungen herunter. Dass heißt, in einer alternativen Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens 100 kann der Schritt des Aufbringens 130 eines Bauteils so durchgeführt werden, dass eine Anzahl von Bauteilen, die größer ist als die Anzahl von den Bauteilen der zugeordneten Metallisierungsflächen, auf das flüssige Assemblierungsmedium aufgebracht wird und nach dem Schritt des Fixierens 160 der Bauteile auf den Metallisierungsflächen überschüssige Bauteile von dem Substrat entfernt werden.
Gemäß dem eingangs beschriebenen Verfahren 100 können sich die Bausteine direkt auf den geteilten Metallisierungsflächen orientieren. Eine elektrisch leitende Oberfläche des Bausteins würde somit die Elektrodenpaare kurzschließen und die elektrostatische Fixierung könnte nicht erfolgen. Dies kann umgangen werden, indem die Bausteine eine elektrisch isolierende Beschichtung aufweisen. Günstig ist hierfür z. B. ein Polymer oder eine Passivierung aus der Halbleiterindustrie, wie Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid. Dies kann beispielsweise auch für die 3D-Chip-integrierten Anordnung der Fall sein. Eine weitere Möglichkeit zur Vermeidung von Kurzschlüssen kann in dem Bereitstellen eines Substrates mit Metallisierungsflächen bestehen, wobei diese elektrisch leitenden Oberflächen strukturierte Isolationen aufweisen können. Beispielsweise können die Metallisierungsflächen feine Linienraster aus elektrisch isolierendem Material, wie Polymere, Fotolack, Siliziumdioxid, Siliziumoxid oder Nitride aufweisen. Dazwischen können größere Bereiche über den Metallisierungsflächen frei zugänglich sein. Dass heißt, ein flüssiges Assemblierungsmedium wird weiterhin selektiv die Doppelelektroden beschichten, wobei die feinen Isolationsstege von der Flüssigkeit – dem flüssigen Assemblierungsmedium – überbrückt werden. Nach dem Entfernen der Flüssigkeit, beispielsweise durch Abtrocknen, liegt der Baustein dann auf dem isolierenden Gitter und kann keinen Kurzschluss mehr zwischen den Elektrodenflächen bewirken.
In einem alternativen Ausführungsbeispiel, wie es schematisch in 9 dargestellt ist, werden die Bausteine nicht auf einem starren Substrat, wie z. B. einem Wafer abgelegt, sondern die Elektroden 5 bzw. die Metallisierungsflächen 5 sind auf einem großflächigen Foliensubstrat 10a angeordnet und über Zuleitungen 7 elektrisch kontaktiert. Dadurch kann das erfindungsgemäße Verfahren 100 zum ausgerichteten Aufbringen von Bauteilen auf einem Trägersubstrat 10, 10a auch in einem Rolle-zu-Rolle-Fertigungsverfahren, wie es schematisch in 9 dargestellt ist, hergestellt werden. Auf eine flexible Folie, z. B. einer Kunststofffolie aus PET, Polyimid, PEEK, etc. mit Leiterbahnstrukturen kann beispielsweise in einem ersten Schritt nach dem Bereitstellen 110 der Foliensubstratrolle ein Benetzen 120 mittels eines Benetzers 112 durchgeführt werden. Die Rolle-zu-Rolle-Einrichtung kann entsprechende Führungsrollen 116 und einem entsprechenden Antrieb zum Ab- bzw. Aufrollen des Foliensubstrats 10a aufweisen (nicht gezeigt in 8). Nach dem Aufbringen des flüssigen Assemblierungsmediums 30 auf die hydrophilen Metallisierungsflächen 5 kann in einem nachfolgenden Schritt 130 ein Bauteil 40 durch eine Bestückungseinrichtung 113 auf das flüssige Assemblierungsmedium 30, das sich auf der mindestens einen zugeordneten Metallisierungsfläche 5 befindet, aufgebracht werden. In nachfolgenden Schritten im Rolle-zu-Rolle Verfahren kann ferner der Schritt des Entfernens 150 des Assemblierungsmediums 30 mittels einer Trockeneinrichtung 114 erfolgen. Dabei kann beispielsweise bereits eine Spannung an die Doppelelektroden 5a, 5b angelegt Werden, um eine Fixierung und/oder eine Ausrichtung des darauf befindlichen Bausteins 40 zu erreichen. Es sollte darauf hingewiesen werden, dass die 9 lediglich zur schematischen Veranschaulichung des Rolle-zu-Rolle-Verfahrens dient und diese möglichen Schritte, entweder einzeln oder in Kombination mit anderen Schritten in solch einem Rolle-zu-Rolle-Verfahren durchgeführt werden können. Demnach kann das Verfahren 100 zum ausgerichteten Aufbringen von Bauteilen auch in einem Rolle-zu-Rolle-Verfahren durchgeführt werden. Denkbar ist auch, dass die Remote-Plasmabehandlung 115, 220 kontinuierlich in einem Rolle-zu-Rolle-Verfahren durchgeführt wird. Die Bausteine können ebenfalls in einem Rolle-zu-Rolle-Fertigungsverfahren auf die flexible Kunststofffolie 10a mit Leiterbahnstrukturen aufgebracht werden und anschließend elektrostatisch fixiert werden, solange bis z. B. ein endgültiger Bondprozess, wie z. B. Löten oder Kleben die Chips fixiert oder falls das flüssige Assemblierungsmedium ein flüssiger Kleber ist, die Chips fest aufgeklebt sind.
Bei einigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann eine Flüssigkeit oder das flüssige Assemblierungsmedium eine Materie im flüssigen Aggregatzustand sein. Nach einer makroskopischen Definition kann eine Flüssigkeit als ein Stoff, der einer Formänderung so gut wie kein, einer Volumenänderung hingegen einen recht großen Widerstand entgegensetzt, beschrieben werden. Nach einer mikroskopischen Definition kann eine Flüssigkeit bzw. das flüssige Assemblierungsmedium ein Stoff sein, dessen Teilchen sich ständig nicht periodisch bewegen sowie keinerlei Fernordnung aufweisen, die jedoch einer Nahordnung unterliegen und deren mittlere freie Weglänge in der Größenordnung des Teilchendurchmessers liegen kann.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann als flüssiges Assemblierungsmedium 30 ein anisotrop leitfähiger und flüssiger Klebstoff (anisotropic conductive adhesive (ACA)) verwendet werden. Wie in 10 schematisch dargestellt ist, kann ein Bauteil 40 auf ein solches flüssiges Assemblierungsmedium 30 aus Klebstoff aufgebracht werden und sich aufgrund der Oberflächenspannung des Klebstoffs selbstständig auf den Metallisierungsflächen 5a, 5b ausrichten. Um einerseits eine elektrische Kontaktierung des Bauteils über den Klebstoff 27 zu ermöglichen, aber anderseits einen eventuellen Kurzschluss des Bauteils zu verhindern, kann es sich bei dem Klebstoff um einen anisotrop leitfähigen Klebstoff handeln, welcher leitfähige Partikel 29 aufweist. Diese weisen jedoch unter Druck eine Vorzugsrichtung auf – in 10 Richtung y –, so dass eine elektrische Leitung nur in dieser Richtung y erfolgt, falls der Baustein 40 nach der Ausrichtung auf den Metallisierungsflächen 5a, 5b gedrückt wird. Ein Kurzschluss zwischen den Metallisierungsflächen 5a und 5b kann so bei Anlegen einer Spannung über die Zuleitung 7a und 7b vermieden werden. Der Baustein 10 ist dann nach dem Austrocknen des anisotropen leitfähigen Klebstoffes fest mit dem Substrat 10 verbunden. Der Baustein 40 kann auf seiner mit dem Kleber 27 verbundenen Seite Kontakte 41 aufweisen, so dass dann über die Zuleitungen 7a, 7b, die Metallisierungsflächen 5a, 5b und über den anisotrop leitfähigen Klebstoff 27 ein elektrischer Kontakt zur Ansteuerung oder Versorgung des Bausteins 40 hergestellt werden kann.
Bei einigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung findet eine Fluorplasmabehandlung einer metallisierten Kunststofffolie statt, wobei das Zielgebiet aus einer unterteilten elektrisch leitfähigen Metallfläche bestehen kann. Ferner umfasst das erfindungsgemäße Verfahren 100 einen Schritt des Aufbringens 120 einer Flüssigkeit innerhalb einer kurzen Zeitspanne von weniger als 3 Stunden, also z. B. weniger als 5 Minuten auf das strukturierte und selektiv benetzbare Substrat. In einem weiteren Schritt findet ein Aufbringen 130 eines (flächenhaften Bauteils) auf das flüssige Assemblierungsmedium bzw. die Flüssigkeit statt. Durch Anlegen einer Potenzialdifferenz an die unterteilten leitfähigen Bereiche, also z. B. die Metallisierungsflächen des Zielgebietes, kann in einigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung eine Fixierung und/oder Ausrichtung 160 des Bauteils erreicht werden. Gemäß einigen Ausführungsbeispielen können die Metallisierungsflächen auf einem Substrat in einer Matrixanordnung mit parallel geschalteten Zielgebieten ausgebildet sein. Ferner können die Metallisierungsflächen in einer Matrix mit in Gruppen ansteuerbaren Zielgebieten ausgebildet sein, sowie in einer Matrix mit einzeln ansteuerbaren Zielgebieten.
Ferner ist gemäß weiterer Ausführungsbeispiele ein Multiplexbetrieb mit Transistoren zur Ansteuerung, vergleichbar wie in einem Active Matrix Display, möglich. Die Metallisierungsflächen können in weiteren Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung eine Isolationsschicht mit dünnen Stegen über den Metallisierungsflächen aufweisen. Das erfindungsgemäße Verfahren kann gemäß einiger Ausführungsbeispiele mit/oder ohne angelegter Spannung bei der Ablage oder Aufbringen von Bausteinen und auch bei einem späteren Transport der Bausteine auf dem elektrostatischen Träger 35 durchgeführt werden. In anderen Ausführungsbeispielen kann die Spannung zum reversiblen Fixieren der Baustein auf dem Substrat erst nach Abtrocknen des Assemblierungsmediums eingeschaltet werden.
Denkbar ist jedoch auch, schon während des Vorgangs der Selbstausrichtung der Bausteine mit Hilfe des Assemblierungsmediums die Spannung einzuschalten. Die Metallisierungsflächen auf dem Substrat können beispielsweise Elektrodenstrukturen auf einer Polyimidschicht auf einem Trägersubstrat sein. Die Elektrodenstrukturen können von einer strukturierten Polymerschicht überdeckt werden. Dabei kann es sich beispielsweise um Fotolack, um Polyimid (PI), etc. ... handeln, die Aussparungen oder Öffnungen aufweist, so dass ein flüssiges Assemblierungsmedium in Kontakt mit den Metallflächen kommen kann. Die Elektrodenstrukturen können auf einer Polymerfolie, z. B. aus Polyimid, PET, PEN, PEEK ausgebildet sein. Ferner können die Elektrodenflächen von einem feinen Raster eines elektrisch isolierenden Materials überdeckt sein, so dass ein aufgesetzter Chipbaustein keinen direkten elektrischen Kontakt mit dem darunter liegenden Elektrodenflächen erhält. Vorteilhafterweise können gemäß einiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sehr dünne und damit leichte Halbleiterbauelemente auf dem Flüssigkeitstropfen bzw. dem flüssigen Assemblierungsmedium aufgebracht werden, so dass diese auf der Oberfläche des Flüssigkeitstropfens aufgrund der Oberflächenspannung schwimmen und sich selbst ausrichten. Die Dicke solcher Halbleiterbauelemente kann beispielsweise unter 150 μm sein, bevorzugt beispielsweise zwischen 20 und 50 μm.

Claims

Verfahren (100) zum ausgerichteten Aufbringen von Bauteilen auf einem Trägersubstrat, mit folgenden Schritten: Bereitstellen (110) des Trägersubstrats (10, 35) mit Metallisierungsflächen (5), wobei mindestens zwei Metallisierungsflächen zur Aufnahme eines Bauteils (40) vorgesehen sind, wobei die mindestens zwei Metallisierungsflächen (5) hydrophile oder lipophile Eigenschaften aufweisen, und wobei die die mindestens zwei Metallisierungsflächen umgebenden Oberflächenbereiche (15) hydrophobe oder lipophobe Eigenschaften aufweisen, Benetzen (120) der mindestens zwei Metallisierungsflächen mit einem flüssigen Assemblierungsmedium (30), Aufbringen (130) eines Bauteils auf das flüssige Assemblierungsmedium (30), das sich an den mindestens zwei zugeordneten Metallisierungsflächen befindet, wobei das Bauteil (40) aufgrund der Oberflächenspannung des flüssigen Assemblierungsmediums (30) an der Oberfläche desselben gehalten wird, um sich über der mindestens zwei Metallisierungsflächen (5) auszurichten, Ausrichten (160) des Bauteils und/oder Fixieren (140) des ausgerichteten Bauteils (40) mittels elektrostatischer Kräfte auf dem Trägersubstrat (10) durch Anlegen einer elektrischen Haltespannung über die mindestens zwei Metallisierungsflächen (5a, 5b) an dem Trägersubstrat.
Verfahren (100) gemäß Anspruch 1, wobei mindestens zwei unterteilte Metallisierungsflächen (5a, 5b) zur Aufnahme eines Bauteils (40) vorgesehen sind, wobei die mindestens zwei Metallisierungsflächen (5a, 5b) durch einen Spalt (8) getrennt sind, und wobei der Schritt des Benetzens (120) der mindestens zwei Metallisierungsflächen (5a, 5b) so durchgeführt wird, dass der Spalt (8) von dem flüssigen Assemblierungsmedium (30) überbrückt wird.
Verfahren (100) gemäß Anspruch 2, wobei der Spalt (8) eine Breite B aufweist, die so gewählt ist, dass in Abhängigkeit einer Viskosität η des flüssigen Assemblierungsmediums (30) der Spalt (8) von dem flüssigen Assemblierungsmedium (30) überbrückt wird, wobei der Spalt (8) zwischen den mindestens zwei zugeordneten Metallisierungsflächen (5a, 5b) eine Breite B zwischen 1 μm und 300 μm, zwischen 5 μm und 200 μm oder zwischen 40 μm und 60 μm aufweist.
Verfahren (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mindestens zwei Metallisierungsflächen zur Aufnahme eines Bauteils eine effektive Gesamtfläche (12) aufweist, die die 0.8-fache bis 2-fache, die 1.05-fache bis 1.7-fache oder die 1.3-fache bis 1.5-fache Größe der Grundfläche des auf den mindestens zwei Metallisierungsflächen aufzubringenden Bauteils (40) aufweist.
Verfahren (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schritt des Bereitstellens eines Trägersubstrats ferner folgende Teilschritte aufweist: Durchführen (115) einer Remote-Plasmabehandlung der Oberfläche des Trägersubstrats (10) mit einem fluorhaltigen Plasma, um die hydrophilen Eigenschaften der Metallisierungsflächen (5, 5a, 5b) und die hydrophoben Eigenschaften der die Metallisierungsflächen umgebenden Oberflächenbereiche (15) oder die lipophilen Eigenschaften der Metallisierungsflächen (5, 5a, 5b) und die lipophoben Eigenschaften der die Metallisierungsflächen umgebenden Oberflächenbereiche (15) zu erhalten, wobei der Schritt des Benetzens (120) der Metallisierungsflächen (5, 5a, 5b) innerhalb einer Zeitdauer von weniger als 2 Stunden oder von weniger als 15 Minuten nach der Remote-Plasmabehandlung (115) durchgeführt wird, oder wobei das Remote-Plasma behandelte Trägersubstrat innerhalb einer Zeitdauer von weniger als 2 Stunden oder von weniger als 15 Minuten nach der Remote-Plasmabehandlung in einer Schutzgasatmosphäre oder in Vakuum untergebracht wird, um die hydrophilen Eigenschaften der Metallisierungsflächen und die hydrophoben Eigenschaften der die Metallisierungsflächen umgebenden Oberflächenbereiche (15) oder die lipophilen Eigenschaften der Metallisierungsflächen und die lipophoben Eigenschaften der die Metallisierungsflächen umgebenden Oberflächenbereiche beizubehalten.
Verfahren (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das flüssige Assemblierungsmedium (30) bei einer Assemblierungstemperatur eine Viskosität η zwischen 0.5 mPas und 1000 mPas oder zwischen 0.8 mPas und 100 mPas aufweist.
Verfahren (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Metallisierungsflächen in einer Matrix angeordnet sind und wobei an die Metallisierungsflächen einzeln, gruppenweise, zeilenweise oder spaltenweise eine elektrische Haltespannung anlegbar ist.
Verfahren (100) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 7, bei dem jeweils den mindestens zwei Metallisierungsflächen zur Aufnahme eines Bauteils ein Transistor zugeordnet ist, so dass eine elektrische Haltespannung in einem Multiplexbetrieb über den Transistor steuerbar und an die mindestens zwei Metallisierungsflächen anlegbar ist.
Verfahren (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8, bei dem der Schritt des Aufbringen (130) eines Bauteils (40) so durchgeführt wird, dass eine Anzahl von Bauteilen, die größer ist als eine Anzahl von den Bauteilen zugeordneten Metallisierungsflächen, auf das flüssige Assemblierungsmedium aufgebracht wird und bei dem nach dem Schritt des Fixierens (140) der Bauteile auf den Metallisierungsflächen überschüssige, nicht fixierte Bauteile von dem Substrat entfernt werden.
Verfahren (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Schritt des Bereitstellens (110) ferner so durchgeführt wird, dass über den Metallisierungsflächen (5, 5a, 5b) Isolationsbereiche ausgebildet sind, um einen elektrischen Kurzschluss zwischen den mindestens zwei zugeordneten Metallisierungsflächen über das aufzubringende Bauteil (40) hinweg zu verhindern.
Verfahren (100) gemäß Anspruch 11, wobei die Isolationsbereiche über den Metallisierungsflächen Strukturen Öffnungen aufweisen, um einen direkten elektrischen Kontakt des Bauteils mit den Metallisierungsflächen zu verhindern und nach dem Schritt des Benetzens der Metallisierungsflächen mit einem flüssigen Assemblierungsmedium das flüssige Assemblierungsmedium in Kontakt mit den Metallisierungsflächen ist.
Verfahren (100) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 11, ferner mit folgendem Schritt: Entfernen (150) des flüssigen Assemblierungsmediums (30), so dass das Bauteil (40) ausgerichtet auf den mindestens zwei Metallisierungsflächen (5a, 5b) angeordnet ist.
Verfahren (100) gemäß Anspruch 12, bei dem der Schritt des Entfernens (150) des flüssigen Assemblierungsmediums (30) zumindest einen der folgenden Schritte aufweist: Erwärmen des flüssigen Assemblierungsmediums, Verdunsten des flüssigen Assemblierungsmediums oder Erzeugen eines Unterdrucks über dem flüssigen Assemblierungsmedium.
Verfahren (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Trägersubstrat (10, 35) ein flexibles Foliensubstrat ist und das Bereitstellen (110), das Benetzen (120), das Aufbringen (130) und das Ausrichten (160) und/oder Fixieren (140) in einem kontinuierlichen Rolle-zu-Rolle Verfahren durchgeführt wird.
Verfahren (200) zur Herstellung eines Trägersubstrats (10) mit Metallisierungsflächen (5, 5a, 5b), wobei die Metallisierungsflächen hydrophile und die die Metallisierungsflächen umgebenden Oberflächenbereiche (15) hydrophobe Eigenschaften aufweisen oder die Metallisierungsflächen lipophile Eigenschaften aufweisen und die die Metallisierungsflächen umgebenden Oberflächenbereiche lipophobe Eigenschaften aufweisen, mit folgenden Schritten: Bereitstellen (210) eines Trägersubstrats mit Metallisierungsflächen, wobei mindestens eine Metallisierungsfläche zur Aufnahme eines Bauteils vorgesehen ist, Durchführen (220) einer Remote-Plasmabehandlung der Oberfläche des Trägersubstrats mit einem fluorhaltigen Plasma um die hydrophilen Eigenschaften der Metallisierungsflächen und die hydrophoben Eigenschaften der die Metallisierungsflächen umgebenden Oberflächenbereiche oder die lipophilen Eigenschaften der Metallisierungsflächen und die lipophoben Eigenschaften der die Metallisierungsflächen umgebenden Oberflächenbereiche zu erhalten, wobei die Remote-Plasmabehandlung so durchgeführt wird, dass die Ausbildung eines Fluor-Karbon-Films auf den Metallisierungsflächen verhindert wird.
Verfahren (200) zur Herstellung eines Trägersubstrats gemäß Anspruch 15, wobei das Remote-Plasma behandelte Trägesubstrat innerhalb einer Zeitdauer von weniger als 2 Stunden oder von weniger als 15 Minuten nach der Remote-Plasmabehandlung in einer Schutzgasatmosphäre oder in Vakuum untergebracht wird (170), um die hydrophilen Eigenschaften der Metallisierungsflächen und die hydrophoben Eigenschaften der die Metallisierungsflächen umgebenden Oberflächenbereiche oder die lipophilen Eigenschaften der Metallisierungsflächen und die lipophoben Eigenschaften der die Metallisierungsflächen umgebenden Oberflächenbereiche beizubehalten.
Verfahren (300) zur Bestückung eines Zielsubstrats (11) mit Bauteilen (40), mit folgenden Schritten: Aufbringen (310) von Bauteilen (40) auf einem Trägersubstrat (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei das Trägersubstrat ein Zwischenträger (35) für Bauteile ist; Fixieren (320) des Bauteils (40) auf dem Zwischenträger (35) Ausrichten (330) des mit Bauteilen versehenen Zwischenträgers (35) zu dem zu bestückenden Zielsubstrat (11); und Transferieren (340) und Fixieren (350) der auf dem Zwischenträger (35) befindlichen Bauteile (40) auf dem Zielsubstrat (11).
Verfahren (300) zur Bestückung eines Zielsubstrats gemäß Anspruch 17, dass ferner nach den Schritten des Ausrichtens (330) und Fixierens (320) einen Schritt des Aufbringens von Klebstoff oder Lot auf die nicht fixierte Oberfläche der fixierten Bauteile aufweist.
Verfahren (300) zur Bestückung eines Zielsubstrats gemäß einem der Ansprüche 17 oder 18, bei dem der Schritt des Fixierens (350) der auf dem Zwischenträger befindlichen Bauteile auf dem Zielsubstrat (11) durch Kleben, Bonden oder Löten durchgeführt wird.
Verfahren (300) zur Bestückung eines Zielsubstrats gemäß einem der Ansprüche 17 bis 19 bei dem das Transferieren (340) und das Fixieren (350) der auf dem Zwischenträger befindlichen Bauteile auf dem Zielsubstrat einzeln, gruppenweise, zeilenweise oder spaltenweise durchgeführt wird.
Verfahren (300) zur Bestückung eines Zielsubstrats (11) gemäß einem der Ansprüche 17 bis 20 bei dem der Schritt des Ausrichtens (330) des mit Bauteilen versehenen Zwischenträgers und das Transferieren (340) und Fixieren (350) der auf dem Zwischenträger befindlichen Bauteile auf das Zielsubstrat, wiederholt durchgeführt wird, so dass mindestens zwei Bauteile auf dem Zielsubstrat übereinander angeordnet sind.
Verfahren (300) zur Bestückung eines Zielsubstrats gemäß einem der Ansprüche 17 bis 21, wobei die Schritte des Transferierens (340) und Fixierens (350) bei einer Temperatur zwischen 250°C und 600°C oder zwischen 300°C und 450°C durchgeführt wird.
Verfahren (100) zum ausgerichteten Aufbringen von Bauteilen auf einem Trägersubstrat, mit folgenden Schritten: Bereitstellen (110) des Trägersubstrats (10, 35) mit Metallisierungsflächen (5), wobei mindestens eine Metallisierungsfläche zur Aufnahme eines Bauteils (40) vorgesehen ist, wobei die mindestens eine Metallisierungsfläche (5) hydrophile oder lipophile Eigenschaften aufweist, und wobei die die mindestens eine Metallisierungsfläche umgebenden Oberflächenbereiche (15) hydrophobe oder lipophobe Eigenschaften aufweisen, Benetzen (120) der mindestens einen Metallisierungsfläche mit einem flüssigen Assemblierungsmedium (30), Aufbringen (130) eines Bauteils auf das flüssige Assemblierungsmedium (30), das sich an der mindestens einen zugeordneten Metallisierungsfläche befindet, wobei das Bauteil (40) aufgrund der Oberflächenspannung des flüssigen Assemblierungsmediums (30) an der Oberfläche desselben gehalten wird, um sich über der mindestens einen Metallisierungsfläche (5) auszurichten, Fixieren (140) des ausgerichteten Bauteils an dem Trägersubstrat (10, 35), wobei das Fixieren (140) des ausgerichteten Bauteils an dem Trägersubstrat mit dem flüssigen Assemblierungsmedium (30) durchgeführt wird, und wobei das flüssige Assemblierungsmedium (30) ein leitfähiger Klebstoff oder ein anisotrop leitfähiger Klebstoff ist.