Flip Chip Bonding mit Umstellung auf bleifreie Lotmaterialien

Fachübergreifende Studienarbeit


Studienarbeit, 2006
63 Seiten, Note: sehr gut

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

Zeichen, Benennungen und Einheiten

1 Einführung

2 Nasschemische Abscheidung
2.1 Aufbau des Abscheidungstools
2.2 Notwendige Wafervorbereitungen für die Flip Chip Technologie
2.3 Analyse der Abscheidungsparameter
2.4 Einflüsse der elektrochemischen Spannungsreihe der Metalle
2.5 Stromloses nasschemisches Abscheiden von Ni/ Au auf Kupfer
2.6 Stromloses nasschemisches Abscheiden von Ni/ Au auf Aluminium
2.6.1 Abscheidungsversuche auf an der FHL bedampften 3 Zoll Wafern
2.6.2 Abscheidungsversuche auf Alustäben und Aluplatten
2.6.3 Abscheidung auf 4 Zoll Prozess- Wafern von Infineon Technologies

3 Flip- Chip- Hardwarekomponenten
3.1 Positionierungstool CCD-ATC-CNC (Bungard)
3.1.1 Positionierung der Platine
3.1.2 Ansteuerung mittels FillPro
3.2 Dispensanlage EFD 1000XL
3.3 Reflow-Ofen
3.4 SMD - Positionierungs- und Bestückungstool
3.5 Weitere Komponenten (Nadeln, Lotpaste...)
3.5.1 Dispensnadeln
3.5.2 Lotpaste
3.5.3 Platine

4 Theoretische Vorbetrachtung
4.1 Der Flip- Chip- Prozess
4.2 Grundlegende Verwendungseigenschaften von bleihaltigem Lot
4.3 Grundlegende Verwendungseigenschaften von bleifreiem Lot
4.4 Patentschriften zur Flip- Chip Technologie

5 Praktische Durchf ü hrung des Verbindungsprozesses
5.1 Der Flip- Chip- Prozess in der praktischen Durchführung
5.2 Test der mechanischen und elektrischen Lötverbindung

6 Fazit und Ergebnisse

7 Anhang

A- 3.2.1

A- 3.2.2

A- 3.3.1

A- 3.3.2

A- 3.3.3

A- 3.4

A- 3.5.3.1

A- 3.5.3.2

A- 3.5.3.3

A- 3.5.3.4

A- 3.5.3.5

A- 3.5.3.6

A- 3.5.3.8

A- 3.5.3.9

A- 5.1.1

A- 5.1.2

A- 5.1.3

A- 5.1.4

A- 5.1.5

A- 5.1.6

A- 5.2.1

A- 5.2.2

A- 5.2.3

8 Quellenverzeichnis

Zeichen, Benennungen und Einheiten

Zeichen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Fachbegriffe

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Benennungen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

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 ChipTechnologie 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

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

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.

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

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

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.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

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.

Deswegen wird ein Aktivator benötigt, durch welchen Palladiumkeime (Pd) auf dem Kupfer aufgebracht werden um eine Potentialerniedrigung zu erreichen.

Im folgenden Versuch wurde durch experimentelle Untersuchungen der Verfahrensablauf der Ni/Au- Abscheidung auf Kupfer parameternah zur vorgegebenen Masterthesis optimiert.

Anhand der Versuchsvorgänge mittels Beschichtung mehrer Kupferplatten, sowie einer Kupfer Leiterplatine ergab sich eine optimale, gleichmäßige Au- Abscheidung bei folgenden Prozesszeiten in den einzelnen Bädern mit anschließendem Spülvorgang:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Im Prozessflussbild ergibt sich somit folgender Ablaufplan:

Eine wichtige Erkenntnis der Versuchsreihe ergab, das ein zu langes Spritzspülen zwischen Bad 7 und Bad 8 vermieden werden sollte, da sonst Leckstellen durch Abwaschen der vorher aufgebrachten Nickelschicht entstehen.

2.6 Stromloses nasschemisches Abscheiden von Ni/ Au auf Aluminium

Wesentlich schwieriger als die Abscheidung von Nickel/Gold auf Kupfer gestaltete sich während der experimentellen Phase die Abscheidung derselben Materialien auf Aluminium.

Zunächst erfolgte beim Aluminium eine zusätzliche Reinigung (Oxidentfernung mit Salpetersäure/ Bad 5) um anschließend durch eine Zinkatbehandlung (Aktivierung des Al mit Zinkatbeize/ Bad 6) die Oberfläche für die Abscheidung des Nickels zu aktivieren. Das Zink ist notwendig, um die spätere autokatalytische Nickelabscheidung zu ermöglichen. Die Zinkatbehandlung darf aber nicht zu lange dauern, weil sonst das Al vollständig entfernt wird.

Bei dem Eintauchen der Wafer in das Nickelbad scheiden sich auf dem Zink durch Ladungsaustausch Nickelkeime ab, die nun ihrerseits die stromlose Vernicklung beginnen lassen. Diese Art der Nickelabscheidung verläuft also autokatalytisch.

Da diese unterschiedlichen Prozesse nicht sofort zu den gewünschten Ergebnissen führten, musste der Prozess über Versuche mit unterschiedlichen Aluminiumobjekten (Größe und Form) analysiert und stabilisiert werden.

2.6.1 Abscheidungsversuche auf an der FHL bedampften 3 Zoll Wafern

Bei der Abscheidung von Nickel, beziehungsweise Gold, auf Aluminium ist zunächst zu beachten das Aluminium nicht mit Palladiumkeimen aktiviert werden muss, da es bereits unedler als Nickel ist. Das heißt, während des Prozesses kann auf die Bäder 2 bis einschließlich 4 verzichtet werden.

Mit den an der FHL bedampften Alu Wafern, war es nicht möglich eine Nickelabscheidung durchzuführen, da nach der Oxidentfernung mit der Salpetersäure (Bad 5) die Zinkatbeize (Bad 6) das Aluminium vollständig entfernte. Dadurch war es nicht möglich eine Zinkschicht auf dem Aluminium aufzubringen.

Als Ursache für diese schnelle Aluminiumentfernung durch die Zinkatbeize ist eine zuvor ungleichmäßige Aluminiumbedampfung zu sehen. Da zur Versuchsdurchführung alubedampfte Wafer zur Verfügung gestellt wurden, konnte keine Überprüfung auf die Einhaltung der in der Masterthesis vorgegebenen Bedampfungsschritte erfolgen. Laut dieser, sollten die zu untersuchenden Wafer vor der Bedampfung bei 250°C 3 min. auf der Heizplatte gelegen haben und viermal bedampft werden. Im Anschluss daran sollten die Scheiben im Ofen bei 400°C 15 min. in N

/ H

-Gasgemisch (90% N 2) getempert werden, um ein optimales Ergebnis zu erhalten.

Da die verwendeten Wafer zumeist aus dem Mikrosystemtechnik Praktikumsversuch MST05 „Bedampfen und Sputtern“ entnommen wurden, erhielten diese keine Mehrfachbedampfungen und auch keine Ofentemperung, so das im Ergebnis eine chemische Abscheidung von Nickel und Gold nicht möglich war (Zinkatbeize löste Al vollständig ab).

2.6.2 Abscheidungsversuche auf Alustäben und Aluplatten

Um eine experimentelle Funktionstüchtigkeit der Bäder nachzuweisen, mussten nun Objekte mit einer ausreichend Alu- Schichtdicke verwendet werden. Unter Verwendung von geringflächigen Alustäben sollte zunächst eine gleichmäßige Abscheidung des Nickels und später des Goldes erzielt werden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bei den ersten Versuchen mit den Alustäben konnten allerdings nicht die gewünschten Ergebnisse erzielt werden. Ein sich viel zu langsam und ungleichmäßig ausbildender Zinküberzug, sowie experimentelle Neuansätze der Zinkatbeize in einer Petrischale führten zu dem Ergebnis, dass eine Neuansetzung des Zinkatbades erfolgen muss.

Die Zinkatbeize verbraucht sich durch Ausschleppung prom 2 durchsetzter Warenoberfläche und soll eine dünne Zinkschicht auf dem Aluminium erzeugen, um eine nachfolgende Metallisierung durch chemische oder galvanische Verfahren zu ermöglichen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Nach der Baderneuerung des Bads 6 (Zinkatbeize) konnten auf den Alustäben gleichmäßig glänzende Goldschichten abgeschieden werden. So wurden mit den Alustäbchen optimale Ergebnisse erzielt. Um dieses Ergebnis auch auf großflächigere Objekte umzusetzen, wurden im Folgenden Aluplatten für die weitere Versuchsdurchführung verwendet. Bei der Abscheidung auf diesen Aluplatten wurde festgestellt, dass die entstandene Nickelschicht nicht ausreichend war, um eine gleichmäßige großflächige Abscheidung des Goldes zu erreichen.

Als Begründung dafür kann genannt werden, dass sich das Nickelbad (Bad 7) ebenfalls, wie die Zinkatbeize, durch Ausschleppung verbraucht beziehungsweise sich die Nickelteilchen an Badverunreinigungen anlagern und am Boden des Bades absetzen.

Nach einer Ergänzung des Bades, bezugnehmend auf 4g abgeschiedenen Nickelüberzug, (80 ml Ergänzungslösung SLOTONIP 33, 40 ml Reduktor SLOTONIP 34, 8 ml Stabilisator SLOTONIP 36) konnte das gewünschte Ergebnis einer gleichmäßig großflächigen Goldabscheidung auf der Aluplatte erzielt werden.

Anhand der optimierten Versuchsvorgänge mittels Beschichtung mehrer Aluminiumplatten, sowie den vorher beschichteten Aluminiumstäben, ergab sich eine gleichmäßige Au- Abscheidung bei folgenden Badprozesszeiten:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Der Prozessablaufplan stellt sich für die Abscheidung auf Aluminium folgendermaßen dar:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Anwendung von Bad 5 und Bad 6 kann bei Bedarf wiederholt werden. Allerdings ist dabei zu beachten, dass ein zu langes Prozessieren in der Zinkatbeize zu einer vollständigen Entfernung des Alus führen kann. Weiterhin ist genau wie bei der Abscheidung auf Kupfer ein zu langes Spritzspülen zwischen Bad 7 und Bad 8 zu vermeiden um keine Leckstellen entstehen zu lassen.

2.6.3 Abscheidung auf 4 Zoll Prozess- Wafern von Infineon Technologies

Nachdem die fehlerhaften Bäder ausgetauscht wurden und der Prozess stabilisiert werden konnte, wurden die für den Flip Chip Versuch durch die Infineon Technologies zur Verfügung gestellten 4 Zoll Wafer prozessiert.

Diese waren mit einer ausreichenden Aluschichtdicke versehen und konnten somit wie gewünscht mit Nickel/ Gold beschichtet werden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

3 Flip- Chip- Hardwarekomponenten

Nachdem nun die Wafer fertig beschichtet sind, werden die Chips durch Sägen vereinzelt und können so aus dem Waferverband gelöst werden.

Auch die Platine kann unter den in der Kupferabscheidung gewonnenen Erkenntnissen zum aufflippen der Chips vorbereitet werden. Hierzu muss ebenso eine Abscheidung von Gold auf die zu kontaktierenden Anschlusspads erfolgen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Jetzt folgt der Prozess der Lotaufbringung auf die Pads der Leiterplatine.

Dazu stehen im Labor folgende Hardwarekompon enten und Hilfsmittel zur Verfügung:

3.1 Positionierungstool CCD-ATC-CNC (Bungard)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

In ihrer Grundfunktion dient diese Anlage als computergesteuerte Bohr- und Fräsmaschine. Mit Hilfe der in diesem Tool zur Verfügung stehenden Mechanik, sowie der zugehörigen Steuereinheit, wird während der Studienarbeit die Positionierung für den Dispensvorgang realisiert. Die Ansteuerung erfolgt durch einen Rechner mit Hilfe der DOS - Software ‚FillPro‘. Es lassen sich für die Ausrichtung der Dispensnadel eine Schrittweite von 1 mil (=25,4µm) mit einer Genauigkeit von 0,1 mil umsetzen.

[...]

Ende der Leseprobe aus 63 Seiten

Details

Titel
Flip Chip Bonding mit Umstellung auf bleifreie Lotmaterialien
Untertitel
Fachübergreifende Studienarbeit
Hochschule
Fachhochschule Lausitz in Senftenberg
Note
sehr gut
Autor
Jahr
2006
Seiten
63
Katalognummer
V166175
ISBN (eBook)
9783640818532
ISBN (Buch)
9783640821822
Dateigröße
3416 KB
Sprache
Deutsch
Schlagworte
Flip Chip, Bonding, Bleifrei, Verbindungstechnik, Bonden, Mikrosystemtechnik, Lotmaterialien
Arbeit zitieren
Dipl.-Ing. Jens Markusch (Autor), 2006, Flip Chip Bonding mit Umstellung auf bleifreie Lotmaterialien, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/166175

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