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Article: PLUS (German)

Neue Möglichkeiten der Druckkontrolle in der Flip-Chip Montage

George A. Riley, PhD
Jeffrey G. Stark, President, Sensor Products Inc.

Ein kürzlich vorgestellter Konferenzbeitrag [1] zeigte die Vorteile einer Drucksensorfolie [2] zur Gewährleistung eines einheitlichen Drucks auf die Wafer beim Wafer-to-Wafer Bonden. Die extrem dünne (100 bis 200 Mikrometer) Folie auf Mylar®-Basis enthlt eine Schicht mit Mikrokapseln. Durch eine auf die Pressurex®-Folie ausgebte Kraft brechen die Mikrokapseln auf und erzeugt ein Abbild, dass die Druckschwankungen auf der gesamten Fläche aufzeigt. Die Farbintensität der Folie variiert an jedem Punkt direkt proportional zum lokalen Druck an jenem Punkt.

Wird die Folie zwischen die Platten eines Waferbonders gepresst, entsteht ein bleibenden Abdruck der Bondfläche. Der auf jedem beliebigen Punkt aufgebrachte Druck kann bestimmt werden, indem die Farbpunkte mit einer kalibrierten Farbvergleichskarte vermessen werden. Der Farbvergleich läuft ähnlich ab wie bei der Messung des Säuregrades mit Lackmuspapier. So wurden erhebliche Unterschiede auf den Waferbonderoberflächen aufgezeigt und entsprechend korrigiert. Änderungen und Anpassungen lassen sich durch wiederholtes Messen verfolgen. Ebenso wurde der Abdruck mittels eines Bildpunktanalysegeräts [3] (Imaging analysis equipment) gescannt, um ein mehrfarbiges Druckabbild zu generieren.

Abbildung 1 zeigt einen typischen Farbabdruck mit entsprechender Druckauswertung. Der visuelle Vergleich der Punkte mit der Farbvergleichskarte liefert Druckwerte mit einer Genauigkeit von ±10 %. Die Bildpunktanalyse erhöht die Genauigkeit auf bis zu ±2 % und erlaubt die Aufnahme eines Druckprofils (Abb. 1) fr jeden Punkt des Farbabdrucks. Bei vielen Anwendungen ist der Absolutdruck weniger bedeutend als der Relativdruckvergleich, der ungleichförmige Druckverteilungen auf der zu korrigierenden Fläche aufzeigt. Auch hier empfehlen sich Wiederholungsmessungen zur Kontrolle der Einstellungen.

Der erzielte Erfolg mit Drucksensorfolien beim Waferbonden deutet darauf hin, dass hnliche Anwendungen bei der Flip-Chip-Montage zum Einsatz bekommen können, wo sowohl die Druckgröße als auch die räumliche Verteilung des aufgebrachten Drucks kritisch sein können. Dies gilt besonders durch den Trend zu größeren Chips; solche mit mehr als 20 mm2 gehören bereits zur routinenmäßigen Produktion [3].

color map

Abb. 1: Das Farbbild zeigt Druckschwankungen auf einem Halbleiterwafer. Die kalibrierte Farbvergleichskarte ermöglicht eine schnelle Bestimmung punktueller Drücke durch Abgleich der Farben, die Druckprofilschwankungen entlang einem Pfad aufzeigen Quelle: Sensor Products Inc.

Drucksensoranwendungen in der Flip-Chip-Montage beinhalten die Bestimmung oder Verifizierung der Chip-auf-Substrat-Koplanarität, die Druckkontrolle, um gleichmäßige Bump-Hhen zu gewährleisten und die Optimierung der drucksensitiven Bondverfahren. Flip-Chip-Bondgerte messen oder kontrollieren im allgemeinen den Druck nicht direkt. Es wird davon ausgegangen, dass der eingestellte Druck gleichmäßig über die Kontaktfläche verteilt ist, also eine gleichmäßige Kraftbeaufschlagung über die gesamte Bondfläche, vorliegt. Waferbondertests zeigten, dass der Druck, beispielsweise wegen Werkzeugverschleiß, erheblich sein kann, durch Einsatz von Druckmessfolien aber korrigierbar ist.

Koplanarität

Eine erfolgreiche Flip-Chip-Montage, insbesondere von großen Chips mit vielen Bumps beispielsweise fr Bildabtaster, erfordert, dass das Substrat und der darauf zu platzierende Chip parallele Oberflächen aufweisen. Bereits geringste Abweichungen der Planparallelität können zu Ausrichtungsfehlern des Chips auf den Bondpads und so zu fehlenden oder schlechten elektrischen Verbindungen fhren. Im Extremfall tritt eine seitliche Verschiebung des Chips beim Platzieren auf. Druckunterschiede auf dem Chip knnen sogar den Chip zum Bersten bringen. Die Abbildungen 2 und 3 zeigen potenzielle Auswirkungen eines nicht koplanaren Kontaktierens (Bondens) [4].

Herkömmliche Methoden zur Bestimmung und Überprüfung der Koplanarität beruhen auf optischen und Lasermethoden. Beim optischen Verfahren wird die Neigung einer Oberfläche zu einer Referenzprobe über einen optischen Kollimator ausgerichtet. Das Lasersystem vergleicht Spiegelbilder von Bezugspunkten, während der Chip oder Wafer geneigt wird bis die Koplanarität hergestellt ist. Dafür müssen auf dem Chip oder Wafer reflektierende Goldpunkte angebracht werden. Die meisten Flip-Chip-Bonder sind jedoch mit keinem dieser teuren Techniken ausgestattet. Die dann notwendige manuelle Sicherstellung der Koplanarität erfordert wiederholte empirische (trial-and-error) Justierungen mit Hilfe eines Hochleistungsmikroskops über die Fokaldistanz verschiedener Referenzpunkte auf dem Chip. Dies erfordert in der Regel mehrere Testmontagedurchgänge.

Coining (Mechanisches Abplatten der Bumps)

Bei der Gold Stud Bump Flip-Chip-Montage werden mit einem modifizierten Drahtbonder Gold-Bumps auf den Chip platziert. Beim normalen Drahtbonden erzeugt der Bonder auf dem Bondpad eine Verbindung und zieht dann den Draht zu einer zweiten Verbindung auf dem Substrat oder Bauelementrahmen. Beim Stud Bumping stellt der Drahtbonder die erste Verbindung her und durchtrennt dann den Draht.

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Abb. 2: Ein Ausrichtungsfehler kann auf der Seite A durchaus akzeptable Bonds aufweisen, jedoch Leitungsunterbrechungen verursachen, wenn auf der Seite B ein fehlerhafter Kontakt zustande kommt, wo der Koplanaritätsfehler dazu fhrt, dass die Bumps mit den Bondpads keine einwandfreie Verbindung bilden Abb. 3: Ein weiteres Beispiel für einen Ausrichtungsfehler könnte an der Seite A zu Kurzschlüssen fhren, wo ein zu hoher Druck das Bumpmaterial zusammendrückt und sich dadurch an angrenzende Bondpads ausdehnt, whrend die Bumps auf Seite B noch immer akzeptable Bondverbindungenaufweisen können

Zuerst wird ein durch Schmelzen an der Drahtspitze gebildetes Goldkügelchen durch Hitze, Druck und Schallenergie auf ein Chip Bondpad metallurgisch geklebt. Das Bondwerkzeug fasst den Draht und trennt ihn durch Ziehen am Bump ab. Das Werkzeug bewegt sich zum nächsten Bump, bildet eine neue Kugel durch Schmelzen des Drahtendes, beispielsweise durch elektrische Entladung, und wiederholt die Platzierung. Die platzierten Bumps haben Drahtenden verschiedener Größe und die Bumps selbst können in ihrer Höhe abweichen. Abbildung 4 zeigt einen platzierten Bump.

gold stud bump cross section
Abb. 4: Bei diesem Gold Stud Bump wurde die Goldkugel auf dem Bondpad abgeplattet, wobei der Drahtstummel oben aus dem Bump herausragt Abb. 5: Querschnitt eines Gold Stud Bumps bei dem die Oberfläche durch Druck abgeplattet wurde

Stud Bumps werden abgeplattet (coined), indem der Bumped Die (Chip mit Bondhügeln) gegen die flache Oberfläche gedrückt wird; dadurch werden Höhenschwankungen reduziert und die Kontaktflächen vergrößert. Abbildung 5 zeigt einen abgeplatteten Bondhügel (Bump) im Querschnitt. Auch hier kann ein unangemessener oder ungleichmäßiger Abplattdruck auf die Chipoberfläche zu Höhenunterschieden bei Bumps führen, was zu fehlenden oder schlechten Kontakten führt. Druckmessfolien können das Problem deutlich verringern.

Bonden (Kontaktieren)

Viele gängige Flip-Chip-Kontaktierverfahren erfordern einen kontrollierten, gleichmäßigen Druck zur Vermeidung von fehlenden oder schlechten Kontakten und Rissbildung bei Chips:

  • Experimente zum Thermokompressions- und Ultraschall Stud Bump Bonding ergaben, dass es einen optimalen Druck für die maximale Bondhaftung gibt. Der Bonddruck wurde zwischen 400 N und 1000 N pro Bump variiert. Die Abschermessungen des Chips zeigten, dass die Bumphaftung zum Bondpad bei Anwendung des optimalen Drucks um über 40 % höher lag als im Extremfall [4]
  • Das Thermokompressionsbonden erfordert einen höheren Bonddruck als die Thermokompressionsund Ultraschallkontaktierung, wobei eine mangelhafte Druckkontrolle nachteilig ist. Die Kupfer/ Kupfer Thermokompressionskontaktierung von Kupferkontakten auf Kupferbondpads auf einem Chip oder Wafer wurde fr 3D-Bestückungen mit hoher Packungsdichte demonstriert [5]
  • Das Kupfer/Zinn-Diffusionsbonden von Chips auf Wafer bei inhomogenen 3D-Bestückungen hängt vom richtigen Druck bei 300 °C ab, um eine stabile intermetallische Kupfer/Zinn-Verbindung mit oberen und unteren Kupferbondflächen zu erzielen [6]
  • Gold/Zinn-Waferbondtests zeigen, dass ein zu hoher Druck teilweise das Lot aus dem Spalt presst, was zu fehlenden Kontakten und Kurzschlüssen führen kann. Ähnliche Wirkung hat ein ungleichmäßiger Druck [1]. Ein ähnliches Problem könnte sich bei großen Chips beim Chip-auf-Substrat oder Chip-auf-Wafer Gold/Zinn-Bonden ergeben.

Auch wenn in Veröffentlichungen die Ergebnisse beim Einsatz von Drucksensorfolien zur Druckkontrolle bei der Flip-Chip-Montage noch nicht ausreichend bercksichtig wurden, ist die Druckkontrolle wichtig, wie an Beispielen gezeigt wurde. Mit Druckmessfolien lassen sich Produktivität, Kostenstruktur und Einrichtezeit erheblich verbessern.

Über Jeffrey G. Stark

Jeffrey G. Stark gründete 1990 die Sensor Products Inc., um der wachsenden Nachfrage nach Druckanzeigesensoren zur Erfassung der Kraftverteilung gerecht zu werden. Die Firma setzt ihren Schwerpunkt auf maßgeschneiderte Sensorlösungen.

Über George A. Riley, PhD

George A. Riley hat mehr als 20 Jahre Erfahrung auf dem Gebiet des Packagings mikroelektronischer Bauelemente, einschließlich 10 Jahren in der Entwicklung und Herstellung von Flip-Chip-Montagen für über 50 Kunden. Er ist Industrieberater, Ausbilder und Autor von über 90 Beiträgen. Er ist erreichbar unter: 001 (508) 753-3572, E-Mail: griley@flipchips.com; Internet: http://www.flipchips.com/

Literatur

  1. D. Spicer et al, Pressure Indicating Film Characterization of Pressure Distribution in Eutectic Au/Sn Wafer-to-Wafer Bonding, Proceedings International Wafer-Level Packaging Conference, pp. 135-139, October 27-30, 2009
  2. Sensor Products Inc. Pressurex® Film, www.sensorprod.com
  3. R. Asgari, Copper Pillar and Micro Bump Inspection Requirements and Challenges, Proceedings International Wafer-Level Packaging Conference, pp. 186-188, October 27-30, 2009
  4. L. K. Cheah et al, Gold to Gold Thermosonic Flip-Chip Bonding, Proceedings HDI 2001, April 2001, pp 165-175. See also www.flipchips. com/tutorial09.html
  5. P. De Moor et al, Recent Advances in 3D Integrations at IMEC, MRS Fall Meeting, November 27-December 1, 2006, Boston MA. See also www.flipchips.com/tutorial71.html
  6. M. Jurgen Wolfe et al, Technologies for 3D Heterogeneous Integration, Proceedings of SMTA Pan Pacific Symposium 2008. See also www.flipchips.com/tutorial90.html