M-MT_Montage Bonden V8

Praktikum Mikrotechnologien
Versuch 8: Montage (Packaging) / Bonden
Aufgabe/Technologien Montageprozesse
Waferbonden
Vereinzeln der Wafer in Chips
Chip-Bonden (mechanische Befestigung auf Träger)
Drahtbonden (Herstellung elektr. leitender Kontaktierung
zwischen Chip und Träger(-streifen), Gehäuse oder
Verdrahtungsträger
- Gehäuse- und Verschlussprozesse (Schutz der Bauelemente vor
mechanischen Belastungen und Umwelteinflüssen , Wärme
verteilen und ableiten
- Endbearbeitung (Anschlüsse biegen, Oberflächenbearbeitung)
Aufbau und Verbindungstechnik (AVT)
-
Bemerkung: Prüfschritte erfolgen zumeist kostenoptional, Kennzeichnung defekte Chips entweder
über Farbe (werden geinkt) oder Identifizierung über Bilderkennungssysteme
Vereinzeln = Vereinzeln der Halbleiterscheiben (Wafer) in einzelne Chips durch Trennschleifen
-
Wafer wird auf selbstklebende Folie (mit Rahmen) aufgebracht
Tischfixierung über Vakuum
Trennschleifen mit diamantbesetzer Schleifscheibe, Kühlung mit deionisiertem Wasser
Halbleitermaterial wird i.d.R. völlig durchtrennt, die Folie jedoch nicht, damit Chipverband und
Chiporientierung beibehalten werden
- Spreizen der Folie für spätere automatische Entnahme
Varianten: Laserunterstütztes Trennen: Materialabtrag durch Absorption (Aufschmelzen und
Verdampfen des Material) Problem: mehrfache Wiederholung des Schneidprozesses
Chipflächenkontaktierung (Chip-Bonden) = ganzflächige, stoffschlüssige, mechanische
Montage der Chips auf einem Träger
zur mechanischen Befestigung der Chips und zur Ableitung ihrer Verlustwärme
Verfahren: Löten, Kleben, Anglasen
Eutektisches Bonden/Löten (Anlegieren)
- Chip wird zwischen Silizium und Gold (od. goldhaltiger Legierung) auf einer metallischen
Bondfläche befestigt, unter Bildung einer silbrig glänzenden eutektischen Schmelze (durch
Diffusion von Gold in Silizium)
- Verfahrenstemperatur 370°C – 400°C
+ Verbindung ist gut thermisch und elektrisch leitfähig, und mechanisch fest
- Verbindung ist spröde
- Auftreten von mechanischen Spannungen bei unterschiedlichen
Ausdehnungskoeffizienten der Verbindungspartner
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Weichlöten
- Pb-Sn Weichlot, Halbleiterchips benötigen eine Rückseitenmetallisierung
- Verfahrenstemperatur 230°C – 330°C
Kleben
- vorwiegend mit Silicon- oder Epoxidharzen (nichtleitend)
- Zugabe von thermische und/oder elektrisch leitender Füllstoffe
- Chiprückseitenmetallisierung erforderlich zur Erzielung eines elektrischen Kontaktes
+ geringe thermisch bedingte mechanische Spannungen, durch geringe
Temperaturbelastung (60 – 180°C)
Anglasen
- Glaslot, d.h. Glas auf Bondfläche wird erwärmt und aufgeschmolzen, gleichzeitig wird der
Chip erwärmt und in das Glaslot gedrückt
Chipanschlusskontaktierung (Drahtbonden) = elektrisches Verbinden der Bondinseln des
Chips mit dem Gehäuse
- Bondpads = metallischer Kontakt des Substrats
- Drähte aus Gold oder Aluminium
Thermokompressions-Drahtbonden (TC), Thermosonic-Drahtbonden (DS)
- TC-Bonden = Pressschweißverfahren zur Verbindung gleich- oder verschiedenartiger
Werkstoffe (durch die Parameter Druck, Temperatur und Zeit)
Der Bonddraht wird mit einer Schneide, die in horizontale Richtung vibriert, auf die
Kontaktfläche aufgerieben
- TS-Bonden: Ein Golddraht wird durch eine Kapillare aus Wolframkarbid geführt, die sich zu
einer Düse verjüngt
- am Ende des Drahtes wird eine Kugel aufgeschmolzen
- Chip und Substart werden erwärmt (150°C) und durch Einwirken einer vertikalen Kraft mit
gleichzeitiger Ultraschallanregung wird eine Verbindung zwischen Draht und Chip
hergestellt
- Anwendung: va. wenn bestimmter Temperaturgrenzwert nicht überschritten werden darf
Vorteil Ultraschall: besseres Fließen d. Werkstoffes, Intensivierung d. Diffusionsvorgänge
- Verfahren bisher beschränkt auf Gold-Mikrodraht, da Gold durch Einfluss eines Lichtbogens
reproduzierbare Kugeln am Drahtende ausbilden kann
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Ultraschall-Drahtbonden
- Kaltpressschweißverfahren, bei dem durch Druck und Ultraschallschwingung gleich- oder
verschiedenartige Werkstoffe ohne das Entstehen einer flüssigen Phase miteinander
verbunden werden
- Mikro-Drahtwerkstoff i.d.R. Aluminium (edelmetallfrei)
- Bei Raumtemperatur – günstige Kontaktierung temperaturempfindlicher Bauelemente
Flip-Chip-Bonden (gleichzeitiges Chip-Bonden und Drahtbonden)
- Bondinseln befinden sich nicht am Rand, sonder an der Unterseite des Chips –
flächensparendste Montage- und Kontaktierunsgtechnologie
- Chip wird direkt über Bumps (Blei-Zinn-Legierung) auf die
Anschlusspads des Wafers gebondet (löten/kleben)
- Aufbringung der Bumps: durch Aufdampfen, galvanische
Abscheidung oder Schablonendruck
- Zusätzlich bei großen Chips: Underfiller für festen Verbund
Varianten:
-
Thermokompressions-Flip-Chip-Bonden
Klebe-Flip-Chip-Bonden
Laserunterstütztes Flip-Chip-Bonden (Chip wird mit Laser erwärmt)
Ultraschall-Flip-Chip-Bonden (Bondenergie über Ultraschall – Temperaturen < 150°C)
Folienbondtechnik: Folien mit System leitender Verbindung (aufgedruckt oder gesputtert)
TAPE-Automatic-Bonding (TAB): ähnlich Flip-Chip, nur mit Zwischensubstrat
Gehäuse- und Verschlussprozesse
Hermetikgehäuse (Keramik, Glas, Metall), höchste Zuverlässigkeit, verschließen der Gehäuse
mittels Löten oder Schweißen, Mehrlagenkeramikgehäuse (MK-Gehäuse)
Nichthermitkgehäuse (Silikon, Epoxidharz), (Plastgehäuse), 90% Anwendung
Beispiele Gehäusetechnologien siehe Skript Seite 25-27
DIP… Plastic/Cerdip Dual-In-Line Package (Plastik-/Keramik-Gehäuse),) , SOIC, QFP
PLCC/CLCC… Plastic/Ceramic Leadless Chip Carrier oder Leaded Chip Carrier
SOIC… Small Outline IC Package, QFP… Quad Flat Pack, Ceramic Pin Grid Array
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Waferbondverfahren
Anforderungen an Bondmaterialien:
- Oberflächenrauheit (5-20 Angström auf 100 x 100 nm2, Substratmaterial aber auch geringe
Mikrowelligkeit, da sonst bei elastischer Verformung die Bindungskräfte nicht mehr ausreichen)
- Ebenheit
- Partikelfreiheit (Partikel verursachen Fehlstellen (voids) )
- chemische Reinheit und Hydrophilierung (SFB)
Übersicht Waferbondverfahren
Silicon Fusion Bonden (SFB)
Voraussetzung: saubere, polierte, sehr glatte Oberfläche
- 1. Vorbehandlung (bzw. Hydrophilisierung-Erzeugung wasseranziehende Oberfläche):
- nasschemisch: Entfernung von organischen (Fette, Wachse, Lackreste, …) und anorganischen
(Alkalien, Metalle, …) Material von der Oberfläche;
- plasmachemisch (Sauerstoffplasma): Entfernung organischer Rückstände
Erzeugung einer großen Anzahl an OH-Gruppen (Wasserstoffbrückenbindungen)
- 2. Pre-bonding: Positionierung beider Wafer zueinander (bei Raumtemperatur)
- Beide Wafer werden aufeinandergelegt und durch leichten Druck in atomaren Abstand gebracht
an der Kontaktstelle entsteht durch Adhäsion eine Verbindung Auslösen der Bondfront
- 3. Temperung: Erhöhung der Temperatur, um Bondfestigkeit zu erhöhen: Umwandlung der
Wasserstoffbrücken in kovalente Bindungen; Temperatur und Zeit richten sich nach benötigter
Festigkeit (200°C – 1000°C; 1 – 30h)
- Überprüfung: Verhältnis tatsächlich gebondeter Fläche zu Gesamtbondfläche mittels IRInfrarotaufnahme
- weiter Untersuchungsmöglichkeiten: Röntgentop/mographie (XRT), Ultraschallmikroskopie
- Spalt-Test, Chevron-Test zur Ermittlung der spezif. Oberflächenenergie bzw. Bruchzähigkeit
- Zugversuche
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Anodisches Bonden (AB)
Hydrophile Oberflächen nicht notwendig
Zur Verbindung von Glas (Borsilicatglas) und Siliziumwafern
- 1. Reinigung: „Kernsche Reinigung“: mehrere chemische Bäder zur Entfernung von organischen
und anorganischen Verunreinigungen von der Oberfläche
- 2. Justage und Fixierung: Wafer werden zueinander ausgerichtet und in Kontakt gebracht
- 3. Erwärmen auf Bondtemperatur: Temperatur wird über einen Thermochuck, wo die
Wafer ganzflächig aufliegen, aufgebracht
- 4. Zuschalten der Bondspannung: eine Spannung wird über Elektroden zugeführt
(Ladungstransport), Bondung beginnt wo sich die Wafer am engsten berühren und
breitet sich dann über gesamte Fläche aus – Dunkelfärbung der Waferoberflächen
(chemische Verbindung)
Aufnahme: Strom-Spannungs-Kennlinie
- 5. Abkühlen auf Raumtemperatur
Nachteil: keine isolierenden Schichten verbinden
Vorteil: dickere Wäfer bzw. Gläser können gebondet werden
auch: Anwendung beider Verfahren: erst SFB und dann Glas-Si-Verbindung (AB)
Eutektisches Bonden
für verschiedene Materialien/Materialsysteme
- 1. Kontakt, mechanischer Druck + Heizen: Si-Wafer mit Oxid und ein
Si-Wafer mit Gold werden zueinander ausgerichtet und unter Druck
(1,5 bar) auf bis zu 400 °C erhitzt
- 2. Diffusion von Gold in Si: Bei Temperaturen zwischen 370°C und
400°C bildet sich eine Gold-Silizium Legierung an der Grenzfläche
aus, die eine starke Verbindung im atomaren Bereich bewirkt
- 3. Abkühlen
Aluminium wird weniger verwendet, da es bei Temperaturen über 577°C zu ungewollten
Diffusionsprozessen kommen kann
Glas-Fritt-Bonden (Seal glass-Bonden)
Prinzip: Verbindungsbildung durch Aufschmelzen von Glasloten/Glas-Fritten
- 1. Reinigung der Substratoberfläche: Kernsche Reinigung
- 2. Drucken oder Aufschleudern der Glaspaste oder Lösung: mittels Siebdruck wird eine
glashaltige Paste auf den Wafer aufgedruckt oder aufgeschleudert
- 3. Trocknen an Luft und im Ofen: Bei anschließendem Trocknungsprozessen diffundieren
Lösungsmittel aus dem Glasfritt heraus
- 4. Aufschmelzen („Glacing“): kurzer Aufschmelzungsschritt
- 5. Bonden („Sealing“): Wafer werden zueinander positioniert (justiert), anschließend erhitzt
(430°C) und unter Einwirkung von Druck (0,1 -5 bar) zusammengebondet
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Adhäsives Bonden (Kleben)
Prinzip: Verbindungsbildung durch Kleber als Zwischenschichten (Adhäsion)
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Wafer werden mittels Kleber aufeinander gebondet
Zunächst wird der Kleber (=Negativ-Fotoresist) über Fotolithographie strukturiert
Dann wird der Kleber nur anbelichtet
Anschließend kurzer Temperaturschritt (von 65°C auf 95°C) damit sich die Strukturierung über die
gesamte Schichtdicke ausbreitet (Erzielung sehr hoher Aspektverhältnisse bei nahezu senkrechten
Profilen)
- Justierung der Wafer zueinander und anschließen bei Temperatur (120°C) zusammengepresst (ca.
30min)
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