FACHHOCHSCHULE LAUSITZ
UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES
Fachbereich Elektrotechnik
Fachübergreifende Studienarbeit
Halbleiter- & Mikrosystemtechnik 
SS 2004/2005 & WS 2005/2006

Thema: 

Flip Chip Bonden - Umstellung auf bleifreie Lotmaterialien

Verfasser: 

Marcel Wittek

Abgabetermin: 24. Februar 2006

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  ...  
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
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

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.

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.

2 Nasschemische Abscheidung

2.1 Aufbau des Abscheidungstools

[...]

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.

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