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. 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.
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 Durchführung des Verbindungsprozesses
5.1 Der Flip- Chip- Prozess in der praktischen Durchführung
5.2 Test der mechanischen und elektrischen Lötverbindung
6 Fazit und Ergebnisse
Zielsetzung & Themen
Die Arbeit befasst sich mit der Implementierung und Analyse des Flip-Chip-Bond-Prozesses im Labormaßstab unter Berücksichtigung der Umstellung von traditionellen bleihaltigen Lotmaterialien auf bleifreie Alternativen aufgrund neuer EU-Umweltrichtlinien.
- Grundlagen der nasschemischen Abscheidung von Nickel und Gold auf Kupfer- und Aluminiumoberflächen.
- Einsatz und Optimierung von Hardwaresystemen für das Dispensen und Bestücken von Chips.
- Theoretische Analyse der Materialeigenschaften von bleihaltigen gegenüber bleifreien Loten.
- Praktische Durchführung der Flip-Chip-Montage und anschließende mechanische sowie elektrische Qualitätstests.
Auszug aus dem Buch
4.1 Der Flip- Chip- Prozess
Der größte Vorteil der FC- Technologie liegt im geringen Platzbedarf auf der Platine. Woraus eine hohe Packungsdichte mit geringeren Produktionskosten und besseren elektrischen Eigenschaften, hinsichtlich parasitärer Kapazitäten und Induktivitäten, folgt.
Um diese Vorteile nutzen zu können wurde bereits 1964 die erste Flip-Chip Technologie, namens C4- Technik (Controlled Collapse Chip Connection) von IBM entwickelt. Die Abscheidung eines solchen C4-Bumparrays erfolgt dabei entweder über eine Schattenmaske (IBM C4-Technologie) oder auch über Fotomasken in einem mehrstufigen Beschichtungs- und Strukturierungsprozess.
Wird diese Technologie der Bumpherstellung beherrscht, ist es möglich, durch eine gezielte Materialvariation den unterschiedlichsten Anforderungen an einen guten elektrischen Kontakt gerecht zu werden.
In dieser Projektarbeit wurde zur Bumperzeugung allerdings eine Dispenstechnologie angewendet, welche sich grundlegend von der C4 Technologie unterscheidet.
Das Dispensen ist ein Auftragsverfahren bei dem die Lotpaste über eine Art Injektionsnadel auf die Lötflächen aufgebracht wird. Der Vorteil dieser Technologie gegenüber dem C4- Schablonendruck ist eine leichtere Dosierung der aufzubringenden Lotmenge und eine anpassungsfähige Verteilung der Pastentropfen durch einen automatisch gesteuerten Punkt für Punkt Auftrag. Dies wurde in der Studienarbeit durch einen X-Y gesteuerten Kreuztisch durchgeführt.
Nachteile der verwendeten Dispenstechnologie liegen in der maximalen Auftragsgeschwindigkeit von einem Punkt pro Sekunde, dem Risiko das sich das Lot in der Nadel absetzen kann und das sich die Menge der Paste während des Vorgangs (durch die Änderung der Viskosität aufgrund von Temperaturunterschieden) ändert.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einführung: Erläutert die Bedeutung moderner Verbindungstechnologien und stellt die regulatorische Herausforderung durch EU-Richtlinien zur Bleifreiheit dar.
2 Nasschemische Abscheidung: Beschreibt den experimentellen Aufbau und die Parameter zur Metallisierung von Wafern sowie die Herausforderungen bei der Aktivierung verschiedener Substratmaterialien.
3 Flip- Chip- Hardwarekomponenten: Detaillierte Vorstellung der im Labor genutzten Anlagen wie Bohrplotter, Dispenssysteme und Reflow-Öfen sowie deren Einrichtung.
4 Theoretische Vorbetrachtung: Vergleicht verschiedene Verfahren zur Bumperzeugung und beleuchtet die physikalischen und regulatorischen Unterschiede zwischen bleihaltigen und bleifreien Loten.
5 Praktische Durchführung des Verbindungsprozesses: Dokumentiert den konkreten Ablauf der Flip-Chip-Montage, von der Platinenfertigung bis hin zur elektrischen Funktionsprüfung der bestückten Dies.
6 Fazit und Ergebnisse: Resümiert die erfolgreiche Durchführung der Technologie im Labor und diskutiert die Hürden beim Übergang zu bleifreien Lötprozessen.
Schlüsselwörter
Flip-Chip, Bonden, Bleifreies Lot, Nasschemische Abscheidung, Dispensen, Reflow-Löten, Aufbau- und Verbindungstechnik, Mikrosystemtechnik, Leiterplattenfertigung, Lotpaste, C4-Technik, Bauelemente, Packaging, Justierung, Widerstandsmessung.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Studienarbeit grundsätzlich?
Die Arbeit untersucht den Flip-Chip-Bonden-Prozess unter Laborbedingungen und evaluiert die Herausforderungen bei der Umstellung von bleihaltigen auf bleifreie Lotmaterialien.
Welche zentralen Themenfelder werden abgedeckt?
Die Arbeit deckt die nasschemische Oberflächenvorbereitung, die Hardware-Einrichtung für Dispens- und Montageprozesse sowie die theoretische Analyse der Lötlegierungen ab.
Was ist das primäre Ziel der Arbeit?
Ziel ist es, den gesamten Prozess vom Wafer bis zur funktionsfähigen Flip-Chip-Baugruppe im Labor der FH Lausitz zu etablieren und zu bewerten.
Welche wissenschaftlichen Methoden werden verwendet?
Es kommen experimentelle Parameteroptimierungen an Chemiebädern und Dispensanlagen sowie elektrische Messungen zur Funktionsvalidierung zum Einsatz.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil beschreibt die nasschemische Abscheidung von Nickel/Gold, die Handhabung der Hardware-Komponenten und die praktische Durchführung der Montage inklusive Fehleranalyse.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Die Arbeit wird maßgeblich durch Begriffe wie Flip-Chip, Bleifreies Lot, Nasschemische Abscheidung, Dispensen und Reflow-Löten charakterisiert.
Warum ist die Wahl der Dispensnadel für den Prozess entscheidend?
Die Wahl der Nadel muss auf die Körnung der Lotpaste abgestimmt sein, um Verstopfungen zu vermeiden und eine reproduzierbare Lotmenge zu garantieren.
Welche Rolle spielt die Oberflächenkraft bei der Flip-Chip-Montage?
Bei bleihaltigen Loten unterstützen die Oberflächenkräfte während des Schmelzprozesses eine selbstständige Ausrichtung des Chips, ein Effekt, der bei bleifreien Loten deutlich schwächer ausgeprägt ist.
Wie wurde die mechanische Qualität der Lötverbindungen geprüft?
Die Qualität wurde mittels eines Abschertests überprüft, bei dem die Chips in einer Vorrichtung mit Gewichten belastet wurden.
- Arbeit zitieren
- Dipl.-Ing. Jens Markusch (Autor:in), 2006, Flip Chip Bonding mit Umstellung auf bleifreie Lotmaterialien, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/166175
