Flip Chip Bonden - Umstellung auf bleifreie Lotmaterialien

  Inhaltsverzeichnis  

  Inhaltsverzeichnis  

  Zeichen Benennungen und Einheiten  4

1  Einführung  8

2  Nasschemische Abscheidung  10

2.1  Aufbau des Abscheidungstools  10

2.2  Notwendige Wafervorbereitungen für die Flip Chip Technologie  11

2.3  Analyse der Abscheidungsparameter  11

2.4  Einflüsse der elektrochemischen Spannungsreihe der Metalle  12

2.5  Stromloses nasschemisches Abscheiden von Ni Au auf Kupfer  13

2.6  Stromloses nasschemisches Abscheiden von Ni Au auf Aluminium  15

2.6.1  Abscheidungsversuche auf an der FHL bedampften 3 Zoll Wafern  16

2.6.2  Abscheidungsversuche auf Alustäben und Aluplatten  17

2.6.3  Abscheidung auf 4 Zoll Prozess- Wafern von Infineon Technologies  19

3  Flip-Chip-Hardwarekomponenten  20

3.1  Positionierungstool CCD-ATC-CNC (Bungard)  20

3.1.1  Positionierung der Platine  21

3.1.2  Ansteuerung mittels FillPro  21

3.2  Dispensanlage EFD 1000XL  23

3.3  Reflow-Ofen  23

3.4  SMD - Positionierungs- und Bestückungstool  25

3.5  Weitere Komponenten (Nadeln Lotpaste )  25

3.5.1  Dispensnadeln  26

3.5.2  Lotpaste  26

3.5.3  Platine  27

4  Theoretische Vorbetrachtung  30

4.1  Der Flip-Chip-Prozess  30

4.2  Grundlegende Verwendungseigenschaften von bleihaltigem Lot  31

4.3  Grundlegende Verwendungseigenschaften von bleifreiem Lot  32

4.4  Patentschriften zur Flip- Chip Technologie  33

5  Praktische Durchführung des Verbindungsprozesses  34

5.1  Der Flip-Chip-Prozess in der praktischen Durchführung  34

5.2  Test der mechanischen und elektrischen Lötverbindung  36

6  Fazit und Ergebnisse  39

7  Anhang  41

  2  

  Inhaltsverzeichnis  

  A- 3 2 1  41

  A- 3 2 2  43

  A- 3 3 1  47

  A- 3 3 2  47

  A- 3 3 3  49

  A- 3 4  51

  A- 3 5 3 1  52

  A- 3 5 3 2  52

  A- 3 5 3 3  53

  A- 3 5 3 4  53

  A- 3 5 3 5  54

  A- 3 5 3 6  55

  A- 3 5 3 8  56

  A- 3 5 3 9  56

  A- 5 1 1  57

  A- 5 1 2  57

  A- 5 1 3  58

  A- 5 1 4  59

  A- 5 1 5  60

  A- 5 1 6  60

  A- 5 2 1  61

  A- 5 2 2  61

  A- 5 2 3  62

8  Literaturverzeichnis Quellen  64

  3  

Zeichen, Benennungen und Einheiten

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Zeichen, Benennungen und Einheiten

Zeichen

C - Kondensator RS - schwach dotierte Widerstände RN - normal dotierte Widerstände

Fachbegriffe

Bedampfung - Vakuumbeschichtungsverfahren, bei dem durch Erhitzen des Schichtmaterials ein Dampfstrahl erzeugt wird und durch Kondensation der Dampfteilchen auf der Substratoberfläche die Schichtbildung erfolgt BGA - Ball Grid Array Kügelchen- Matrix, Anschlussbauform für ICs Bonding - Verdrahtungs- und Anschlusstechnik für ICs und andere Halbleiter Bumps - Bezeichnung für Kontaktstellen auf Pads von Bauelementen oder Löttropfen Chip - Schaltkreis Depletion - Verarmung Die - Würfel, Prägeplatte, Matrize (Mehrzahl Dice) In der Halbleitertechnik als Halbleiter- Chip bezeichnet, besonders nachdem es aus dem Wafer (durch Sägen oder Brechen) herausgelöst ist.

Dispensen - Auftragen eines fluiden Werkstoffes auf einen vorgegebenen Punkt mittels einer dafür geeigneten Dosieranlage (Im Projekt wurde bleihaltiges Lot dispenst.) Elektrolyt - Ist ein Stoff, der beim Anlegen einer Spannung den elektrischen Strom leitet (Leiter), wobei seine elektrische Leitfähigkeit und der Ladungstransport durch die Bewegung von gelösten Ionen verursacht wird.

Eutektikum - Eine Lösung wird als Eutektikum bezeichnet, wenn ihre Bestandteile in einem solchen Verhältnis zueinander stehen, dass sie als Ganzes bei einer bestimmten Temperatur flüssig bzw. fest wird ohne Mischkristalle zu bilden.

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Zeichen, Benennungen und Einheiten

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Flip- Chip - Ein monolithischer IC ohne Anschlussdrähte, der mittels einer speziellen Verbindungstechnik auf einen hybriden Schaltkreis aufgesetzt wird Fotomaske - Schablone mit welcher mittels Licht, Ionen, Elektronen oder Röntgenstrahlen eine Struktur in den Wafer übertragen werden kann. Benötigt wird dazu eine Hilfsmaske aus Fotolack auf dem Wafer. Diese Hilfsmaske wird nach der Schichtstrukturierung oder einer lokalen Dotierung wieder entfernt. IC - Integrated Circuit Integrierter Schaltkreis oder Integrierte Schaltung. Der erste IC wurde von Jack Kirby 1958 in den TI- Labors entwickelt. Unabhängig von ihm erfanden Robert Noyce und Gordon Moore (zwei der Intel- Gründer) 1959 bei Fairchild einen planaren IC. Katalysator - Ist ein Stoff, der die Reaktionsgeschwindigkeit einer chemischen Reaktion beeinflusst, ohne dabei verbraucht zu werden. Korrelation - Vergleichsmessung Layer - Schicht Layout - Als Layout ( „Plan“ oder „Anlage“) bezeichnet man das detaillierte Bild einer Drucksache.

Liquiduspunkt - Schmelzpunkt Nutzen - Auf einem Nutzen werden eine bestimmte Anzahl von Platinen zusammengefasst gefertigt. Dadurch kann der Fertigungsaufwand und die Zeit maßgeblich reduziert werden. (Bsp.: Im Projekt wurden 10 Platinen auf einer Kupferplatte gefertigt, man spricht von einem 10er-Nutzen) Offset - Bezeichnet einen Versatz oder Abstand Oxidation - Bezeichnet das Aufwachsen beziehungsweise Erzeugen von Oxidschichten Packaging - Gesamtheit einer großen Vielfalt von Technologien für die "chipgerechte Verpackung", sowie die Realisierung der (elektrischen und sonstigen) Schnittstellen integrierter Schaltkreise mit der Außenwelt Pad - Metallfläche auf einem Halbleiter- Die, über die der elektrische Kontakt mit einem Gehäuse oder zu Prüfspitzen realisiert wird.

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Zeichen, Benennungen und Einheiten

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Pin - Ist der äußere Anschluß eines ICs oder die Bezeichnung für kurze Metallstifte auf einer Leiterkarte Preheating - Vorheizphase (Aufheizen der Luft) Reduktion - Unter Reduktion versteht man das Vermögen eines höher stehenden Elements (unedler) Elektronen an ein tiefer stehendes Element (edler) abzugeben und sich so abzuscheiden. Reflow - Reflow bedeutet Wiederaufschmelzen und wird beim Weichlöten, z.B. von SMD Bauelementen, angewendet. Soaking - Zeit in der das Flussmittel aus der Lotpaste aktiv wird um das Oxid von den Pads zu entfernen.

Soldering - Bezeichnung für den Lötprozess an sich zum Herstellen der Verbindungen.

Substrat - Ein inaktives Trägermaterial, das bei der Halbleiterherstellung als Träger verwendet wird.

Thixotropie - Steht für einen zähflüssigen Zustand. Tool - Ist wörtlich übersetzt ein Werkzeug, in diesem Fall sowohl als Software- als auch Hardwarebezeichnung verwendet. Die einzelnen Tools dienen als Hilfsmittel bei der Projektrealisierung. Underfill - Um eine ausreichende Zuverlässigkeit der Lötverbindungen zu erreichen, ist es erforderlich, den Spalt zwischen Chip und Leiterplatte mit einem Epoxydharz (Underfill) auszufüllen. Wafer - Scheibe aus Halbleitermaterial (Silizium), auf der mittels Wafer- stepping eine Vielzahl identischer Dice (Chips) aufgebaut wird. Wiring - Metallische Verbindungsbahnen auf der Leiterplatte.

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Zeichen, Benennungen und Einheiten

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Benennungen

Al - Aluminium Au - Gold Bi - Wismut C4 - Controlled Collapse Chip Connection DOS - Disk Operating System (Speicher- platten- orientiertes- Betriebssystem) FC - Flip- Chip Ni - Nickel Pd - Palladium SMD - Surfaced Mounted Device (Steht in der Elektronik für "oberflächenmontierte" Bauelemente.) UBM - Unterbumpmetallisierung

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Abschnitt 1: Einführung

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1 Einführung

Die Hauptaufgabe der Verbindungstechnologien ist es, einzelne Komponenten und Teilsysteme in einem funktionsorientierten elektronischen Gesamtsystem zu vereinigen. Das Packaging ist heute maßgeblich verantwortlich für die Funktionalität, Qualität und Wirtschaftlichkeit von mikroelektronischen Standardprodukten.

Damit bestimmen insbesondere die verwendete Technologie, die Materialauswahl und der Aufbau des Systems, die Größe, das Gewicht, die Leistungsfähigkeit, die Handhabbarkeit, die Zuverlässigkeit und zuletzt auch den Marktpreis des entsprechenden Produktes. Diese Parameter beeinflußen endscheidend den Markterfolg. Ein weiterer entscheidender Einflußfaktor für die Neu- und Weiterentwicklung des Packaging ist die dynamische Entwicklung in der Halbleiter- Technologie.

Die Miniaturisierung wird dabei hauptsächlich durch zwei Technologien vorangetrieben die beide auf einer direkten Chipmontage basieren: das Die- und Drahtbonden und das Area Array Packaging, zu welchem zum Beispiel BGA und auch die Flip Chip- Technologie gehören.

Die Flip-Chip Technologie nimmt in der Mikrosystemtechnik eine bedeutende Rolle ein, da in einem Flip- Chip- Package der Chip wie bereits beschrieben ohne weitere Anschlussdrähte montiert wird. Dies führt zu entsprechend geringen Abmessungen des Packages, was die benötige Fläche einschränkt und somit die Integration und Kosten verbessert. Zusätzlich entsteht ein deutlicher Zeitgewinn gegenüber den Einzelverbindungen beim Drahtbonden.

Der Name Flip- Chip ist darauf begründet, dass für diese Verbindungsbauweise der Chip mit seiner funktionellen Seite umgedreht (nach unten) auf die Leiterplatte aufgesetzt wird. Also gegenüber dem herkömlichen Aufbau „geflippt“ wird. Viele neue Vorteile können durch das Flip- Chip- Bonden genutzt werden. So sind die resultierenden Leiterlängen äusserst kurz, was die elektrischen Vorteilen einer geringeren parasitären Induktivität bzw. Kapazität mit sich bringt. Da die Montage des Chips und die Kontaktierung gleichzeitig erfolgt und der Chip dabei direkt auf die Anschlußpads des Substrates montiert wird, entsteht eine hohe mechanische Belastbarkeit und Stabilität der Chips zum Substrat. Zusätzlich verbessert ein einbringbares Underfill zwischen den fertig gebondeten Chip und dem Substrat diese Eigenschaft. Dies ermöglicht es, das fertige Produkt auch rauen Umweltbedingungen auszusetzen, wie z.B. Vibrationen und Stößen im Automobilbereich oder in Chipkarten.

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Abschnitt 1: Einführung

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Durch die geflippte Montage entstehen aber auch Nachteile. So ist es nicht möglich fehlerhafte Bumps auszutauschen um dadurch Verbindungen zu reparieren. Auch eine manuelle Reparatur ist nicht möglich, da sich der Chip nicht mehr vom Substrat lösen lässt, ohne die Kontaktpads zu zerstören.

In dieser Studienarbeit soll weiterhin die Umstellung von bleihaltigem auf bleifreies Lot implementiert werden.

Für die Hersteller von elektronischen Komponenten bricht ab Mitte 2006 eine neue Ära an, denn mit Wirkung zum 01. Juli 2006 treten die neuen EU Richtlinien 2002/95/EG (Verordnung über die Beschränkung der Verwendung bestimmter gefährlicher Stoffe in Elektro- und Elektronikgeräten) und 2002/96/EG (Verordnung über Elektro- und Elektronik-Altgeräte) in Kraft. Diese Richtlinien verbieten das Neuinverkehrbringen von Geräten die giftige Metalle, wie Blei, Quecksilber, Cadmium, sechswertiges Chrom oder bromierte Flammschutzmittel, enthalten. Da Blei allerdings ein Hauptbestandteil in der heutigen Löttechnik ist, zwingt dies die Hersteller zur Umstellung auf bleifreies Lot. Diese Aufgabe stellt eine neue Herausforderung für Industrie, Technik und Forschung dar, da das Wissen für solche Prozesse noch nicht die Ausmaße besitzt, wie es für das bisher genutzte bleihaltige Lot der Fall ist.

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Abschnitt 2: Nasschemische Abscheidung ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

2 Nasschemische Abscheidung

2.1 Aufbau des Abscheidungstools

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10

Abschnitt 2: Nasschemische Abscheidung

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2.2 Notwendige Wafervorbereitungen für die Flip Chip Technologie

Vor der Erzeugung der Bumps zur Flip- Chip Kontaktierung muss eine so genannte Unterbumpmetallisierung (UBM) auf dem Chip erzeugt werden.

Diese Unterbumpmetallisierung kann durch unterschiedliche Verfahren der Metallabscheidung realisiert werden und dient als Haftvermittler des Bumpwerkstoffes auf den Kontakt- bzw. Bondpads. Gleichzeitig hat diese UBM eine diffusionshemmende Funktion gegenüber dem Silizium zu erfüllen.

Die Pads auf welchen mittels der Flip- Chip- Technologie gebondet werden soll, bestehen an der Oberfläche aus einer Aluminium oder Kupferschicht. Diese Pads sind die Verbindung des Chips zur Außenwelt. Alle ein- oder ausgehenden Signale laufen über diese Pads.

Die Vorauswahl des während der Studienarbeit angewendeten Abscheidungsverfahrens, der außenstromlosen nasschemischen Metallabscheidung für Alu und Kupfer, basierte auf den Ergebnissen der Masterthesis zur Thematik „Electrolytic Technologies for Flip- Chip“.

Hierzu wurde zunächst eine Nickelschicht als Diffusionsbarriere zwischen dem Basismaterial und der danach aufgebrachten Goldstruktur, welche wiederum als Antioxidations- bzw. Legierungsschicht dient, abgeschieden.

2.3 Analyse der Abscheidungsparameter

Der wichtigste Abscheidungsparameter, der die Abscheidungsgeschwindigkeit bestimmt, ist die Badtemperatur. Viele Reaktionen der Reduktion und Oxidation brauchen Energie, die in Form von Wärme zur Verfügung gestellt werden muss. Um die optimalen Temperaturen der Bäder 7/8 (zwischen 88-90°C) zu erreichen, müssen die Heizungen der Bäder vor der Arbeit mindestens 97 min. eingeschaltet sein. Weiterhin spielt das Alter der verwendeten Bäder, erläutert anhand des Nickelbades, eine entscheidende Rolle.

Unter Badalter sei die aus dem Elektrolyten abgeschiedene und wieder ergänzte Menge Nickel in g/l verstanden.

Das Badalter chemischer Nickelbäder ist begrenzt. Nachdem etwa 30 bis 80 g/l Nickel, je nach Badtyp, aus einem Bad abgeschieden und ergänzt wurden, sollte das Bad verworfen werden, da sich die Korrosionsbeständigkeit und einige andere wichtige funktionelle Eigenschaften der abgeschiedenen Überzüge drastisch verschlechtern.

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Abschnitt 2: Nasschemische Abscheidung

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Im Folgenden wurden während der Versuche die Badparameter der Ph- Werte sowie der Badtemperatur aufgenommen und mit den Angaben in der Masterthesis korreliert. Tabelle:

2.4 Einflüsse der elektrochemischen Spannungsreihe der Metalle

Um eine chemische Abscheidung durchzuführen, ist wichtig zu wissen, welche elektrochemischen Standardpotentiale die verwendeten Metalle haben. Jedes höher stehende Element ist imstande, an die tiefer stehenden Elemente Elektronen abzugeben, d.h., sie zu reduzieren.

Je negativer die Standardpotentiale der Metalle sind, umso stärker ist ihre reduzierte Wirkung, d.h. umso leichter lassen sie sich oxidieren und sind infolgedessen besonders starke Reduktionsmittel. Allgemein nennt man diese Metalle „unedle Metalle.“ Für edle Metalle gilt, je positiver die Standardpotentiale der Metalle sind, desto stärker ist ihre oxidierende Wirkung, d.h. desto schwerer lassen sie sich oxidieren und sind infolgedessen, besonders wenn sie in Ionenform vorliegen, sehr starke Oxidationsmittel. Die folgenden Spannungspotentiale wurden zum Vergleich aus der Masterthesis „Electrolytic Technologies for Flip- Chip“ entnommen.

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  Abschnitt 2: Nasschemische Abscheidung  

  Tabelle:  

  Red ----------------  Ox.

  K ---------------- K -2  93

  Ca ----------------  Ca2+

  -2  87

  Na ----------------  Na+

  -2  71

  Mg ---------------- Mg2 -2  37

  Al ----------------  Al3+

  -1  66

  Mn ----------------  Mn2+

  -1  19

  Zn ---------------- Zn2 -0  76

  Cr ----------------  Cr3+

  -0  74

  Fe ---------------- Fe2 -0  44

  Cd ----------------  Cd2+

  -0  4

  Co ----------------  Co2+

  -0  28

  Ni ---------------- Ni2 -0  23

  Sn ---------------- Sn2 -0  14

  Pb ---------------- Pb2 -0  13

  H2 ---------------- H2  0

  Cu ---------------- Cu2 0  34

  Ag ---------------- Ag 0  80

  Pd ---------------- Pd2 0  99

  Pt ---------------- Pt2 1  20

  Au ---------------- Au3 1  50

2.5  Stromloses nasschemisches Abscheiden von Ni Au auf Kupfer  

  Zur Abscheidung des Nickels  und

  danach des Goldes auf Kupfer  sind

  mehrere Teilschritte nötig Maßgeblich  

  zu beachten ist dabei während  der

  Prozessabläufe die in 2 4 erläuterte  

  chemische Spannungsreihe denn  es

  kann immer nur ein edleres auf  ein

  unedleres Metall aufgebracht werden  

  Bei einer chemischen Abscheidung  gibt

  es Haftungsprobleme des Zinns auf  dem

  Kupfer Kupfer ist ein fremdkatalytisch  

  wirkender Werkstoff Die Oberfläche muss vor dem stromlosen Vernickeln durch  

  Keime eines eigenkatalytisch wirkenden Metalls (Gruppe 1) katalytisch aktiviert d  h.

  wirksam gemacht werden  

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