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MIKROMONTAGE
Gold-zu-Gold-Ultraschall-Verbindungen für die Flipchip-Montage
Bonden statt löten
Der Ultraschall-Gold-zu-Gold-Verbindungs-Prozess bietet eine Lösung ohne Lot, ohne die Notwendigkeit einer Reinigung und hohen Durchsatz für die hochgenaue Montage von Flipchips. Gold-zu-Gold-Verbindungen sind zuverlässig
vor allem mit Blick auf die Bondfestigkeit sowie die elektrische Hochfrequenz-Performance.
Der Ultraschall-GGI-Prozess wurde in erster Linie für kleine Chips mit Abmessungen von 5 mm x 5 mm und bis zu 30 Anschlüsse entwickelt. Durch die erweiterten
Leistungsfähigkeiten eines speziell adaptierten Bondtools auf eine Druckkraft von
100 N und sowie höhere Ultraschallleistung lassen sich nun auch Chips bis zu
10 mm x 10 mm mit bis zu 100 Bumps
bonden. Gleichzeitig wurde die Plaziergenauigkeit von ±15 μm auf ±10 μm verbessert, so dass sogar Dies mit einem PadRaster unter 50 μm gebondet werden
können.
Das Ultraschallbonden dünner Chips
ist mit einer Mindestdicke von 100 μm
möglich. Was in einigen Elektronikprodukten Vorteile in Bezug auf die Bausteinhöhe bringt. Diese Einsparungen
an Siliziummaterial können darüber
hinaus die Bausteinkosten um beachtliche 50 % senken.
Das Ultraschall-GGI-Bonden verwendet
Ultraschallenergie sowie einen Bondtisch
mit relativ niedriger Temperatur von weniger als 150°C zur Fixierung des Chips. Per
Software werden die Ultraschallfrequenz
bzw. -Energie sowie das Bond-Tool überwacht, das den eigentlichen Bondprozess
zusammen mit der Ultraschallenergie bewerkstelligt.
Kostengünstige Kunststoffmaterialien sowie Embedded-Bausteine mit LTCC-Substraten (Low Temperature Co-Fired Ceramic) profitieren von der relativ niedrigen
Bondtemperatur. Klassische Anwendungen
wie SAW-Filter und LEDs sind jetzt auch für
˘ AUTOR
Philip Couts,
Factory Automation Division,
TDK Corporation of America
2
Bild 1: Flipchip-Prozesse im Vergleich
Bild 2: Schematische Darstellung eines GGI-Bondkopfes
CMOS-Bildsensoren, Speicherbausteine
sowie andere Sensoranwendungen möglich. Bild 1 veranschaulicht den Vergleich
zwischen konventioneller C4-FlipchipTechnik zum Ultraschall-Flipchip-GGI-Prozess, der statt der Lotkugeln auf dem Flipchip-Gold-Stud-Bumps verwendet und
statt spezieller Lotpads Goldpads.
ringert sich die Größe des Gehäuses wesentlich.
Der Durchsatz beim C4-Lötprozess und
beim Ultraschall-GGI-Bonding ist ungefähr
gleich.Beim C4-Lötprozess wird der Chip einem Reflow-Prozesse ausgesetzt,während
beim Ultraschall-GGI-Prozess jeder Chip
Gold-Stud-Bumping
Eigentlich ist der Ultraschall-Flipchip-GGIProzess ist eine Variante des GolddrahtBondens. Beim Ultraschall-Flipchip-GGIBonden werden herkömmliche Drahtbonds
durch Gold-Stud-Bumps ersetzt.Gegenüber
konventionellen Drahtverbindungen ver-
Bild 3: Das Bondprofil
productronic 3 - 2006
MIKROMONTAGE
˙
KOMPAKT
˘
Der Ultraschall-Gold-zu-Gold-BondProzess verwendet gegenüber dem
konventionellen C4-Flipchip-Prozess
statt der Lotkugeln Flipchip-GoldStud-Bumps und statt spezieller Lotpads Goldpads. So können alle StudBumps eines Flipchip in einem
einzigen Ultraschall-Bondprozess
verarbeitet werden, ohne das Lotlegierungen im Spiel sind.
individuell gebondet wird. Der C4-Lötprozess wird für Bumpraster bis 200 μm sowie
Bumpzahlen bis 5 000 eingesetzt. Der Ultraschall-GGI-Prozess dagegen ist eher für
Bumpraster unter 100 μm und eine BumpAnzahl bis 100 Verwendung geignet.
Der Ultraschallwandler beim
GGI-Prozess
Der Bondkopf
Der Bondkopf der Maschine mit seiner
geringen Trägheit erfordert eine schnelle
Steuerung sowie eine genaue Regelung der
Andruckkraft. Es geht um
˘ das Erzielen eines guten Bonds mit
der geringst möglichem Druck,
˘ präzise Kontaktgeschwindigkeit und
geringe Trägheit des Bondkopfes.
Die Ablaufsteuerung des Bonders sorgt für
eine exakte Regelung des Bondkopfdruckes
und der Ultraschalleistung,um so den Chip
optimal auf dem Substrat zu befestigen.Der
Druck wird schrittweise aufgebaut (Bild 3).
Das Gerät hat die Fähigkeit,die Druckenergie in Schritten von 0,1 N zu variieren. Der
Schwingspulenmotor ermöglich eine schnelle Überwachung des Bondprozesses innerhalb von 10 ms oder weniger.Schließlich
beträgt die typische Ultraschall-Bondprozesszeit weniger als 300 ms pro Chip.
Intelligente, geregelte Ultraschallgeneratoren wie die Uthe 10H-Familie,die während
des Bondprozesses auftreDer Gold-Stud-Bond
tende Änderungen komZum Anbringen des Goldpensieren können, sind für
Stud-Bumps (Bild 4) auf
den GGI-Bondprozess optidem Chip können entwemal geeignet. Sie stellen geder Gold-Stud-Bumpingregelte Frequenz,Impedanz
geräte oder ein Galvaniund Leistung zur Verfügung.
siervorgang zum Einsatz
Da die Verschiebung des
kommen.Gold-Stud-BumWandlers als lineare Bewegung auftritt, vibriert das Bild 4: Auf dem Chip montierter ping wird in Anwendungen bevorzugt,bei denen
Bond-Tool (Bild 2) in Längs- Gold-Stud-Bump
eine Programmierbarrichtung, wodurch eine Art
keit und Flexibilität der Bumps erforderSchweißvorgang abläuft, der zum eilich ist.
gentlichen Bond führt.
Gold-Bumps werden sequenziell entNormalerweise arbeitet so ein Ultraweder direkt auf dem Wafer oder manchschallgenerator bei 58 bis 64 kHz, was für
mal auf dem Substrat aufgebracht. Hereine gute Diffusion des Goldes sorgt und
aus kommen Gold-Bump-Formen mit
zuverlässige Bonds bei niedriger TempeSchwanz, abgeflachtem Ende und abratur bewerkstelligt. Der Einsatz einer
gerundeten Spitzen. Der Gold-Stud-Bump
Substratheizung trägt prinzipiell zur Beweist ein hohes Profil auf, das sich bei reschleunigung des Ultraschall-Bondprolativ geringer Krafteinwirkung zu verzesses bei.
formen beginnt. Beim Bumpingprozess
wird dieser Gold-Bump nach unten
gedrückt und zur Herstellung der elektrischen Verbindung mithilfe von Ultraschall auf die Chip-Oberfläche gebondet (Bild 5).
Bild 6 zeigt die wesentlichen Bereiche des
Gold-Stud-Bump-Prozesses:die Bump-Höhe
und den Kollapsbereich. In Bild 7 ist das
Gold-Stud-Bump-Profil nach dem Chipanschluss bzw.dem Ultraschallbonden darBild 5: Gold-Stud-Bump nach dem Bonden
productronic 3 - 2006
Bild 6: Kontrollbereich vor dem Kollaps
gestellt. Der Kollapsbereich wird innerhalb
±10 μm gehalten, um eine gute Scherfestigkeit aufrecht zu erhalten. Alle Bumps
werden während des Bondvorgangs gleichzeitig mit dem Substrat verbunden.
Die verschiedenen Schermöglichkeiten
für einen Bondtest sind in Bild 8 aufgeführt. Im Falle eines Gold-Stud-Bump ist
Schermodus B erstrebenswert, bei dem
die Scherung innerhalb des Gold-Bumps
auftritt.
Beim Gold-Plating werden Goldkugeln auf
dem Wafer abgeschieden. Das erspart die
Anschaffung von speziellen Geräten für
das Herstellen von Stud-Bumps. Die GoldGalvanisieranlagen sind hochspezialisert
und arbeiten sehr effektiv.
Bild 7: Kontrollbereich nach dem Kollaps
Die Ergebnisse eines Schertests im Modus
B zeigt Bild 9.
Für einen Schertest nach dem Ultraschallbonden des Chips auf das Substrat gemäß
Modus D (Bild 10) sollten sämtliche Bumps
auch wirklich gebondet sein.Geschert wird
auf die Grenzschichten zwischen Substrat
und Chip. Die Scherfestigkeiten liegen zwischen 70 bis 100 g pro Bump.
Die monolithische Bondstruktur von reinen Gold-Bumps bieten bis zum Zehnfachen der Bondfestigkeit von SnPb-LotBumps.
Die Bestückungsgenauigkeit
Die Bestückungsgenauigkeit ist ein weiteres interessantes Untersuchungs- ˘
Bild 8: Bei der Ultraschallbondprüfung auftretende Schädigungen treten auf in der Grenzschicht Au zu Au (von links), der Innenseite des
Au-Bump, in der Grenzschicht Au zu Al, oder Al
zu Chip oder an der Innenseite des Chips
3
MIKROMONTAGE
kriterium für einen UltraschallFlip-Chip-Bonder.
Normalerweise
werden GenauigkeitsmessunBild 9: Ergebnis eines
Schertests im Modus B
gen durchgeführt,
indem man den
Chip auf einer Glasplatte montiert,was eine
tabellarische Auflistung der Messungen erlaubt (Bild 11). Typische Gerätespezifikationen ergeben für X und Y jeweils ±8 μm
bei 3 Sigma und für Theta jewiels ±0,3°
bei 3 Sigma.
Chip-Nummer
X (mm)
Y (mm)
Theta (°)
1
0,0632
6,0826
30,6868
2
0,63
6,0825
39,6502
3
0,0609
6,0826
30,6789
4
0,0611
6,0819
30,7014
5
0,061
6,0817
30,6939
6
0,0603
6,082
30,6255
7
0,0614
6,0821
30,7103
8
0,0598
6,0816
30,6721
9
0,0603
6,0824
30,6469
10
0,0611
6,0824
30,5976
11
0,0628
6,0835
30,6944
12
0,0631
6,084
30,6572
13
0,0621
6,0826
30,7426
30,6405
14
0,0619
6,083
15
0,0616
6,0829
30,5938
16
0,0612
6,0819
30,6926
17
0,0624
6,0821
30,6263
18
0,0614
6,0826
30,659
19
0,0613
6,0829
30,7019
20
3 sigma
0,0602
6,083
30,6833
0,003021201
0,001803352
0,1152419
Partikelüberwachung
min
0,0598
6,0816
30,5938
Ein integrierter Partikelzähler dient zur
Messung von Partikeln im Bondbereich.
Die Ultraschallbondanlage ist zum Arbeiten unter Reinraumumgebungen ausgelegt.
max
0,0632
6,084
30,7426
Bild 11: Typische Messdaten für die Überprüfung der Montagegenauigkeit
Das Ultraschall-GGI-Präzisions-Bonden
Schlussbetrachtung
Das Ultraschall-GGI-Bonden zum kontaktieren von Flipchips wird sich in Zukunft
weiter druchsetzen. Schließlich lässt sich
ein hoher Durchsatz durch das Bonden
mehrere Anschlüsse in ei-nem Arbeitsgang erzielen. Ausgezeichnete ScherkraftKennwerte von 70 g bis 100 g pro Bump
werden durch solche Metall-zu-MetallBond-Charakteristika erreicht.
˘
˘
˘
˘
Bild 10: Ergebnis eines Schertests im Modus D
˘ führt zu elektrischen Kennwerten mit
˘ benötigt weniger Fertigungsschritte
im Vergleich zu anderen Chipmontagetechniken,
bietet eine zuverlässige, umweltfreundliche Chipmontagetechnik, da
Flussmittelreinigung und Blei nicht
mehr im Prozess vorhanden sind,
erlaubt eine Reduzierung der Chipgrößen um bis 70 % verglichen mit
Drahtbondbausteinen,
besitzt die Fähigkeit, die PackagingKosten zum Bonden eines Chips durch
eine größere Anzahl von Bumps zu
verbessern,
erlaubt den Einsatz von kostengünstigen Substratmaterialien wie FR4,
Harz und anderen wärmeempfindlichen Werkstoffen und
geringem Widerstand und optimalen
Hochfrequenzeigenschaften für Hochleistungsanwendungen.
Literatur
[1] A.Dohya,„Environmental and Endurance
Test Methods for Bare Die Mounting“.
[2] M. Kawahara, „Process Guidelines of
Flip Chip Mounting Technology“, JEITA
Publication, ETR 7010 Committee Japan, Juni 2002.
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TDK Electronics
Kennziffer 412
Fax +49/2 11/9 07 72 98
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