<Desc/Clms Page number 1>
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Verbinden von elektronischen
Schaltungen, beispielsweise Chips, und/oder deren Kontaktbahnen mit einem
Träger wie beispielsweise einem Wafer, einer Leiterplatte, Keramiksubstrat od. dgl., die eine Heizkammer mit einer, eine Heizfläche aufweisenden,
Heizvorrichtung umfasst.
Wenn Halbleiterchips beispielsweise übereinander angeordnet und direkt über ihre Anschlusskontaktflächen verbunden werden sollen, werden zunächst in einem Wafer Halbleiterbauelemente hergestellt und mit Anschlusskontakten versehen. Mit einem Bestückungsautomaten werden weitere, bereits vereinzelte und fertig prozessierte Halbleiterchips mit den Anschlusskontakten derart auf dem Wafer angeordnet, dass die einander zugeordneten Anschlusskontakte aufeinander zu liegen kommen. In dieser Position werden die Halbleiterchips mit einer Saugnadel gehalten und unter Wärmezufuhr und Druck dauerhaft elektrisch leitend mit den Anschlusskontakten der Halbleiterbauelemente in dem Wafer verbunden.
Dabei tritt das Problem auf, dass nicht alle aufgebrachten Chips gleichzeitig mit den entsprechenden Waferstrukturen verbunden werden können, sonder die Chips einzeln und hintereinander auf den Wafer aufgelegt und verbunden werden müssen. Aufgrund dieses sequentiellen Verfahrens und den langen Heiz- bzw.
Druckzeiten, die für die Herstellung einer zuverlässigen und dauerhaften Verbindung nötig sind, ergeben sich lange Prozesszeiten. Eine rationelle Fertigung ist aus diesen Gründen nicht möglich.
Es sind auch verschiedene Einrichtungen auf diesem Gebiet bekannt.
So ist beispielsweise aus der JP 2002-368 395 A ein Verfahren und eine Einrichtung zum Fixieren von elektronischen Schaltungen über Hitze-Kompression bekannt, wobei jedoch jedem Chip eine Heizvorrichtung in.einer senkrecht beweglichen Platte zugeordnet ist.
<Desc/Clms Page number 2>
Weiters ist aus der JP 61 -059 894 A eine Einrichtung bekannt, die ebenfalls mit höheren Temperaturen arbeitet. Ferner ist aus der JP 9-326 394 A um planen
Ausrichten eines Wafers bekannt. Auch in der JP 11-087 876 A ist das Montieren von elektrischen Komponenten beschrieben. Ein Verfahren zum Einebnen der
Lötstellen ist aus der JP 2002-026 188 bekannt.
Schliesslich ist noch aus der US 2002/0100791 A1 eine Löteinrichtung bekannt, die auf Basis heisser feinster Flüssigkeitsteilchen arbeitet.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Einrichtung zum Verbinden bzw. zur Montage von elektronischen Schaltungen zu schaffen, mit der einerseits die obigen Nachteile vermieden werden und mit der anderseits eine rationelle
Fertigung gewährleistet werden kann.
Die Aufgabe wird durch die Erfindung gelöst.
Die erfindungsgemässe Einrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine elektronische Schaltung bzw. mindestens ein Träger auf der Heizfläche der Heizvorrichtung angeordnet ist und zum Verbinden die elektronischen Schaltungen übereinander und/oder die Schaltungen auf dem Träger oder der Träger auf den Schaltungen positioniert sind bzw. ist, dass auf der der Heizfläche und den zu verbindenden elektronischen Schaltungen bzw. Schaltungen und Träger gegenüberliegenden Seite eine Druckplatte vorgesehen ist, wobei die Druckplatte während des Verbindungsprozesses, beispielsweise eines Legierungsprozesses, an den elektronischen Schaltungen anliegt und die Druckplatte an der den elektronischen Schaltungen abgewandten Seite mit Druck beaufschlagbar ist.
Mit der Erfindung ist es erstmals möglich, mehrere Chips beispielsweise mit einem Bestückautomat auf einem Wafer anzuordnen und in einem Verfahrensschritt, der den Erwärmungsprozess und die Druckaufbringung umfasst, mit diesem zu verbinden. Der gravierende Vorteil ist vor allem darin zu sehen, dass die Fertigungszeit enorm verkürzt wird. Ein rationelles Herstellen ist mit der erfindungsgemässen Einrichtung gewährleistet.
<Desc/Clms Page number 3>
Bei einer derartigen Einrichtung handelt es sich erfindungsgemäss um eine
Ofenpresse, die eine Heizkammer mit einer Heizvorrichtung umfasst und bei der eine Druckplatte vorgesehen ist, mit der ein mit Chips bestückter Wafer auf eine
Heizfläche der Heizvorrichtung gepresst werden kann. Ein Wafer mit darauf angeordneten, für eine Montage vorgesehenen Halbleiterchips wird auf eine
Heizfläche der Ofenpresse gebracht. Die für das Anpressen der Chips vorgesehene Druckplatte wird in einem solchen Abstand von der Heizfläche angeordnet, dass durch Erzeugen eines Druckes auf der von der Heizfläche abgewandten Seite der Druckplatte die Druckplatte so auf den Wafer bzw. die darauf angeordneten Chips gepresst wird, dass die Chips in ihrer Position auf dem Wafer gehalten werden, bis eine dauerhafte Verbindung zwischen den Chips und dem Wafer hergestellt ist.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist die Heizfläche der Heizvorrichtung in einer hermetisch abgeschlossenen, vorzugsweise evakuierbaren, Heizkammer vorgesehen. Dadurch werden die Einflüsse, die aus der Umwelt resultieren, wie Feuchtigkeit, Sauerstoff oder dergleichen für den Fertigungsprozess ausgeschaltet. Eine qualitativ hoch stehende Produktion ist die Folge.
Gemäss einer Ausgestaltung der Erfindung ist in der Heizkammer eine ameisensäurehältige und/oder Formier- und/oder Inertgas-Atmosphäre, beispielsweise eine Stickstoff-Atmosphäre, während des Verbindungsprozesses vorgesehen. Dadurch wird vorteilhafterweise erreicht, dass der Fertigungsprozess in einer Atmosphäre, frei von Sauerstoff und Wasserdampf, durchgeführt wird, wodurch ein Oxidieren der Kontaktflächen bei hohen Temperaturen vermieden wird. Dies trägt nicht nur zur Erhöhung der Qualität der herzustellenden Produkte bei, sondern ermöglicht prinzipiell die Herstellung einer dauerhaften Verbindung zwischen Chip und Träger.
Durch die ameisensäurehältige Atmosphäre, die vor bzw. während des Verbindungsprozesses vorgesehen ist, wird vorteilhafterweise erreicht, dass bereits bestehende Oxidschichten reduziert und ein weiteres Oxidieren der Kontaktflächen bei hohen Temperaturen vermieden wird.
<Desc/Clms Page number 4>
Nach einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist in der Heizkammer während des Verbindungsprozesses ein die Druckplatte beaufschlagbarer, vorzugsweise stufenlos einstellbarer, Druck, vorzugsweise von 0 bis 5 bar, vorgesehen, der abhängig vom Druck in der Heizkammer regelbar ist. Dadurch kann der Verbindungsprozess entsprechend den erforderlichen Parametern durchgeführt werden. Die gestellten Qualitätskriterien an das Produkt können damit erfüllt werden.
Gemäss einem weiteren Merkmal der Erfindung weist die Heizkammer eine, vorzugsweise stufenlose, Regelung für die Temperatur auf. Für den
Fertigungsablauf ist das Durchfahren von schnellen Heizzyklen, die insbesondere zwischen 20 C und 300 C liegen, von grosser Bedeutung. Mit einer optimalen
Regelung der Temperatur wird die Fertigungszeit minimiert und die Qualität der Verbindung optimiert.
Nach einem besonderen Merkmal der Erfindung besteht die Heizfläche aus einem starrem, vorzugsweise extrem biegesteifen, Material, beispielsweise Siliziumkarbid. Ein derartiges Material weist einen ähnlichen Wärme- Ausdehnungskoeffizienten wie Silizium auf. Dadurch sind beim Durchfahren der oben zitierten Heizzyklen nur geringe Wärmedehnungsdifferenzen gegeben, wodurch eine genaue Positionierung der Chips während des gesamten Ablaufes des Fertigungsprozesses gewährleistet ist. Es können also die Halbleiterbauelemente erwärmt werden, ohne dass die Gefahr einer seitlichen Verschiebung zum Substrat gegeben ist.
Gemäss einer weiteren besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist die Heizfläche direkt oder indirekt von der Heizvorrichtung beheizbar. Entsprechend dem gewünschten Heizzyklus kann eine direkte oder auch indirekte Erwärmung der Heizfläche Vorteile nach ziehen. Wie bereits erwähnt, sind bei diesem Fertigungsprozess ein schneller Abbau der Hitze und eine schnelle Erwärmung, also die Zeit eines Heizzyklus von grosser Bedeutung, da dadurch die Fertigungszeit vorgegeben wird. Eine direkte Beheizung der Heizfläche ist bei einer Keramikheizung, eine indirekte durch einen Wärmestrahler, gegeben.
<Desc/Clms Page number 5>
Gemäss einem besonderen Merkmal der Erfindung ist die Druckplatte aus einer
Zwischenplatte, die vorzugsweise einen ähnlichen thermischen
Ausdehnungskoeffizienten wie die elektronischen Schaltungen bzw. der Träger aufweist, und einer Kissenschicht gebildet. Statt der Membran kann auch eine
Druckplatte Verwendung finden. Insbesondere bei einer grossflächigen
Verbindungsebene der elektronischen Schaltungen kann diese Ausführung
Vorteile nach sich ziehen.
Nach einer besonderen Ausführung der Erfindung besteht die Zwischenplatte aus
Nickelstahlblech, Stahl oder einer Legierung mit einem entsprechenden
Ausdehnungskoeffizienten oder vorzugsweise aus dem gleichen Material wie die elektronischen Schaltungen bzw. der Träger und einer entsprechenden Steifigkeit und weist auf der den elektrischen Schaltungen zugewandten Seite eine vulkanisierte Kissenschicht auf. Durch diese Ausführung wird gewährleistet, dass die Zwischenplatte der gleichen thermischen Ausdehnung unterliegt wie der Wafer, und so die relative Platziergenauigkeit erhalten bleibt. Durch die Kissenschicht können die Chipdickenschwankungen kompensiert und eine gleichmässige Druckverteilung erreicht werden.
Gemäss einer Weiterbildung der Erfindung ist die Zwischenplatte als Heizplatte ausgebildet ist und weist gegebenenfalls auf der den elektrischen Schaltungen zugewandten Seite eine vulkanisierte Kissenschicht auf. Natürlich kann diese Heizplatte regelbar sein. Die Kissenschicht kann auch über Vakuumkräfte angesaugt sein und/oder am Rahmen eingespannt werden.
Gemäss einem weiteren Merkmal der Erfindung weist das Material der Kissenschicht eine Elastizitätskennzahl auf, die der unteren Prozessdruckgrenze, vorzugsweise etwa 0,3 MPa/mm, entspricht und vorzugsweise aus Fluorkautschuk oder einem Perfluorelastomer besteht. Die Elastizitätskennzahl ist definiert durch die Kompressionskennlinie, Druck-Weg-Diagramm, des gewählten Kissenmaterials und entspricht der Anfangssteigung dieser Kennlinie. Wie bereits erwähnt, sollen keine Abdrücke in der Kissenschicht auftreten. Zu starke
<Desc/Clms Page number 6>
Einschnürungen könnten Nachverformungen in der Kissenschicht hervorrufen, die bei weiteren Fertigungsvorgängen sich störend auf die Qualität auswirken würden.
Die Kissenschicht kann aus einem Fluorkautschuk oder einem Perfluorelastomer mit hoher Temperaturbeständigkeit, geringer Quellung und hoher Beständigkeit gegen aggressive Medien bestehen. Derartige Materialien erfüllen auch die obigen Bedingungen und sind unter der Handelsbezeichnung "Viton" bzw. "Viton extrem" bzw. "Kalrez" am Markt erhältlich und haben sich vorteilhaft bewährt.
Gemäss einer Weiterbildung der Erfindung weist die Druckplatte auf der den verbindenden Teilen zugewandten Seite eine durchgehende oder der Anordnung der elektronischen Schaltungen entsprechende partielle und elastische
Kissenschicht, beispielsweise Andruckstempel, auf. Eine derartige Kissenschicht gleicht die Höhendifferenzen der einzelnen Chips aus. Diese Höhendifferenzen zwischen den Chips können bis zu 15 m betragen. Durch die Kissenschicht wird eine gleichmässige Druckverteilung innerhalb des Prozessfensters von 3 bis 5bar über die gesamte Anpressfläche sichergestellt.
Die Kissenschicht übt keine lateralen Kräfte auf die elektronischen Schaltungen bzw. Träger aus. Dies kann einerseits durch eine besonders reibfreie Oberfläche oder durch die innere Elastizität der Kissenschicht gewährleistet werden. Dies wäre für eine Selbstzentrierung der aufgebrachten Chips von Vorteil. Bei einem Lötprozess aber auch einem Legierungsprozess erfolgt nämlich in der Regel eine solche selbsttätige Zentrierung dadurch, dass infolge der Adhäsionskräfte des flüssigen Lotmaterials die miteinander zu verbindenden Anschlusskontaktflächen fast genau übereinander gezogen werden.
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen der Druckplatte und der Zwischenplatte eine thermische Trennung, beispielsweise eine thermische Isolierung, angeordnet. Die thermische Trennung ist für ein rasch wechselndes Temperaturprofil von Vorteil, da nur geringe thermische Massen aufgeheizt bzw. abgekühlt werden müssen.
<Desc/Clms Page number 7>
Gemäss einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist in der Druckplatte eine zusätzliche Heizung und/oder Kühlung vorgesehen. Wie bereits erwähnt, ist es für einen rationellen Verbindungsprozess notwendig, ein bestimmtes Temperaturprofil rasch zu durchfahren. Mit dieser Ausgestaltung ist dies noch leichter möglich.
Nach einem weiteren besonderen Merkmal der Erfindung ist die Druckplatte über mindestens einem Druckstempel bewegbar. Mit einem Druckstempel ist eine sehr hohe Kraftaufbringung kein nennenswertes Problem.
Gemäss einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung sind drei, vorzugsweise in einem gleichseitigen Dreieck angeordnete, Druckstempel vorgesehen. Auch mit dieser Methode kann der Schwerpunkt der Kraftaufbringung elegant und exakt vorausbestimmt und mit dem Flächenschwerpunkt der Chipverteilung am Wafer zur Überlagerung gebracht werden.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung sind die Druckstempel unabhängig voneinander bewegbar. Dadurch kann die Druckplatte in jede gewünschte Lage eingestellt werden.
Gemäss einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Druckaufbringung auf die Druckplatte mit einem pneumatischen Ausdehnungskörper, beispielsweise einer Membran oder einem Blasbalg. Durch diese vorteilhafte Ausführung ist eine Regelung der Anpresskraft von sehr geringen Kräften, von einigen Newton, bis sehr hohe Kräfte, von etwa 10000N, möglich.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist der Kraftschwerpunkt der Druckplatte über mindestens einen Ausgleichsdruckzylinder einstellbar. Wie bereits erwähnt, ist eine zentrische Einstellung des Kraftschwerpunktes von besonderer Wichtigkeit. Mit dieser Weiterbildung ist dies gewährleistet.
<Desc/Clms Page number 8>
Gemäss einer besonderen Weiterbildung der Erfindung sind drei, vorzugsweise in einem gleichseitigen Dreieck angeordnete, Ausgleichsdruckzylinder vorgesehen.
Auch diese Weiterbildung dient der exakten Einstellung des Kraftschwerpunktes.
Nach einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung weist die Druckplatte in der
Heizkammer in z-Richtung eine laterale Führung, beispielsweise in Form mindestens einer Blattfeder, auf. Dadurch wird eine radiale Verschiebung der
Druckplatte vermieden.
Nach einer sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung liegt der
Kräfteschwerpunkt der Membran im Flächenschwerpunkt der sich berührenden
Flächen der zu verbindenden Schaltungen. Damit wird eine Hebelwirkung auf die zu verbindenden Teile vermieden und eine gleichmässige Druck- bzw.
Kraftaufbringung auf alle dem Fertigungsprozess zugeführten Bauteile ist gewährleistet.
Gemäss einem ganz besonderen Merkmal der Erfindung weisen die Druckplatte, die Kissenschicht, die Zwischenplatte, die Heizfläche und die elektronischen Schaltungen bzw. der Träger annähernd einen gleichen Temperatur- Ausdehnungskoeffizienten auf. Es werden für diese Baugruppen Materialien gewählt, deren Ausdehnungskoeffizienten dem Ausdehnungskoeffizienten der elektronischen Bauteile entsprechen oder diesem zumindest sehr nahe kommen.
Dadurch wird gewährleistet, dass die Bestückungsgenauigkeit bezogen auf die Positionierung der zu verbindenden Bauteile auch während des Heizzyklus nicht verändert wird.
Die Erfindung wird an Hand von Ausführungsbeispielen, die in den Zeichnungen dargestellt sind, näher erläutert.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung der Einrichtung, Fig. 2 eine Anordnung eines Wafers mit Chips bei Verwendung der
Einrichtung im Querschnitt,
<Desc/Clms Page number 9>
Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäss der Fig. 2 im Querschnitt,
Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäss der Fig. 2 im Querschnitt,
Fig. 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäss der Fig. 2 im Querschnitt,
Fig. 6 ein weiteres Ausführungsbeispiel mit einer alternativen Anordnung des Wafers im Querschnitt,
Fig. 7 eine Heizkammer mit einer über Druckstempel bewegbaren
Druckplatte und
Fig. 8 eine Heizkammer mit einer Druckplatte, die mit einem pneumatischen Ausdehnungskörper beaufschlagt wird.
Einführend sei festgehalten, dass gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen versehen werden, wobei die in der gesamten Beschreibung enthaltenen Offenbarungen sinngemäss auf gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen übertragen werden können. Auch sind die in der Beschreibung gewählten Lageangaben, wie z.B. oben, unten, seitlich, usw. auf die unmittelbar beschriebene sowie dargestellte Figur bezogen und sind bei einer Lageänderung sinngemäss auf die neue Lage zu übertragen.
Die in den Fig. 1-6 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele dienen nur zur Verdeutlichung der wesentlichen Komponenten der Einrichtung, wobei sinngemäss statt der Membran 6 immer eine Druckplatte 12 Verwendung finden kann.
In der Fig. 1 ist eine Einrichtung dargestellt, die eine Heizkammer 1 aufweist, in der eine Heizvorrichtung 2 mit einer Heizfläche 3 angebracht ist. Auf dieser Heizfläche 3 ist ein Träger 4, beispielsweise ein Wafer, vorgesehen, der mit
<Desc/Clms Page number 10>
darauf angeordneten elektronischen Schaltungen 5, beispielsweise Chips, bestückt ist. Im Deckel dieser Einrichtung befindet sich eine Druckeinheit mit einer
Membran 6, die beim Schliessen des Deckels direkt über dem Träger 4 angeordnet wird. Durch Anschluss der Druckeinheit an eine Druckleitung kann durch einströmendes Gas ein Überdruck erzeugt werden, der die Membran 6 auf die auf dem Träger 4 angeordneten elektronischen Schaltungen 5 presst. Eine derartige
Einrichtung kann für eine automatische Produktion in grosser Stückzahl eingerichtet werden.
Eine geeignete Membran 6 kann beispielsweise eine Membran 6 aus einem
Polymer sein. Die Membran 6 ist allerdings so beschaffen, dass die Schaltungen 5 auf dem Träger 4 bei einer thermischen Ausdehnung der gesamten Anordnung nicht aus ihrer Position, insbesondere nicht in einer radialen Richtung zu den
Rändern des Wafers hin, verschoben werden. Unabhängig von einer thermischen Ausdehnung soll das Material der Membran so weitgehend starr in einer lateralen
Richtung sein, dass die Genauigkeit bei der Bestückung des Trägers 4 mit den elektronischen Schaltungen 5 nach Möglichkeit erhalten bleibt. Andererseits sollte die Membran 6 möglichst keine lateralen Kräfte auf die elektronischen Schaltungen 5 bzw. den Träger 4 ausüben. Dies wäre für eine Selbstzentrierung der aufgebrachten Chips von Vorteil.
Bei einem Lötprozess erfolgt nämlich in der Regel eine solche selbsttätige Zentrierung dadurch, dass infolge der Adhäsionskräfte des Lotmaterials die miteinander zu verbindenden Anschlusskontaktflächen fast genau übereinander gezogen werden. Es ist daher von Vorteil, wenn die Membran 6 eine geringfügige seitliche Bewegung der auf dem Wafer angeordneten Chips zulässt.
Ausserdem soll die Membran 6 durch Fertigungstoleranzen bedingte geringfügige Höhenunterschiede infolge unterschiedlicher Dicken der einzelnen elektronischen Schaltungen 5 ausgleichen. Das Material der Membran 6 darf zu diesem Zweck in der z-Richtung nicht vollständig starr sein. Mit einer gewissen vertikalen Deformierbarkeit der Membran 6 wird auch eine laterale Abdichtung der Anordnung der Chips auf dem Wafer bewirkt. Falls dagegen für den betreffenden Lötprozess eine Evakuierung der Heizkammer 1 vorgesehen ist, darf die Membran
<Desc/Clms Page number 11>
6 in der vertikalen Richtung nicht zu stark deformiert werden können, da der
Bereich zwischen der Membran 6 und dem Träger 4 nur evakuiert werden kann, wenn die Membran 6 den Rand des Trägers 4 nicht vollständig bzw. auch lokal nur einzelne Chips nicht abdichtet.
Trotz einer geringfügigen Verformbarkeit des
Materials der Membran 6 sollen aber keine Abdrücke der Konturen der
Halbleiterchips auf der Membranoberfläche zurückbleiben, die sich bei der nachfolgenden erneuten Verwendung der Einrichtung nachteilig auswirken könnten.
In Fig. 2 ist die Anordnung des Trägers 4 auf der Heizfläche 3 im Querschnitt dargestellt. Auf dem Träger 4 befinden sich die elektronischen Schaltungen 5, die darauf befestigt werden sollen. Die aufeinander zu verbindenden Kontakte sind nicht im Einzelnen dargestellt. Die Membran 6 wird von der dem Träger 4 abgewandten Seite her durch Erzeugung eines Überdrucks in der betreffenden Kammer auf die Anordnung der elektronischen Schaltungen 5 gepresst. Das ist durch den in der Fig. 2 nach unten weisenden Pfeil angedeutet.
Ferner ist die Membran 6 in einem Rahmen 11vorgespannt und knapp über den elektronischen Schaltungen 5 angeordnet. Damit ist vorgesorgt, dass die Membran 6 unter Druck zumindest über der Fläche des Wafers möglichst in einer Ebene bleibt, so dass alle Chips gleichmässig fest angepresst werden. Der Abstand zwischen dem Spannrahmen der Membran 6 und der Heizfläche 3 ist variabel und kann abhängig vom nötigen Prozessdruck eingestellt werden.
Es kann auch genügen, dass die Membran 6 zunächst in einem mittleren Bereich des Trägers 4 aufliegt und sich bei Erhöhung des Überdrucks nach und nach ein gleichmässiger Anpressdruck der Membran 6 über die gesamte Fläche des Wafers einstellt. In diesem Fall eines gleichmässig flexiblen Materials der Membran 6 ist jedoch damit zu rechnen, dass nach dem Aufliegen der Membran 6 auf den am Rand des Halbleiterwafers angeordneten Halbleiterchips sich eine gewisse radiale Kraft auf die Halbleiterchips bemerkbar macht. Es kann daher zu einer radialen Verschiebung infolge einer radialen Verformung der Membran kommen.
<Desc/Clms Page number 12>
Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel sind für die elektronischen
Schaltungen 5 an der Membran 6 befestigte, elastische Andruckstempel 7 vorgesehen, die in ihren Ausmassen der Grösse der elektronischen Schaltungen 5 entsprechen. Die Dicke der Andruckstempel 7 sollte das 1,5-fachen der Chipdicke betragen. Mit den Andruckstempeln 7 wird ausserdem eine Anpassung der
Membran 6 an unterschiedliche Halbleiterchipdicken erleichtert.
Ferner ist die Membran 6 in einem Rahmen 11vorgespannt angeordnet.
Das weitere Ausführungsbeispiel gemäss der Fig. 3 umfasst ebenfalls eine
Membran 6 aus einem Polymer oder Fluorkautschuk. Gegen eine radiale
Dehnung der Membran 6 ist auf deren, dem Träger 4 zugewandter, Oberseite eine relativ zu dem Membranmaterial starre Zwischenplatte 8 als Druckplatte angebracht. Diese Zwischenplatte 8 besitzt vorzugsweise eine an das
Halbleitermaterial des Trägers 4 angepasste thermische Ausdehnung, so dass es beim Erwärmen der Einrichtung nicht zu einer radialen Verschiebung der elektronischen Schaltungen 5 auf dem Träger 4 kommt. Gleichzeitig bleibt die Membran 6 in der vertikalen Richtung starr.
Zur Anpassung der Andruckkraft an die unterschiedlichen Dicken der einzelnen Chips kann eine elastische Kissenschicht 9 aus einem weicheren Material auf der dem Wafer zugewandten Oberseite der Zwischenplatte 8 vorgesehen werden.
Wenn die Kissenschicht 9 aus einem ausreichend elastischen Material ausgebildet wird, wird verhindert, dass die Halbleiterchips in der Kissenschicht 9 Abdrücke hinterlassen. Idealerweise wird für die Kissenschicht 9 ein Material gewählt, dessen Elastizitätskennzahl der unteren, für den Verbindungsprozess nötigen, Druckgrenze entspricht. Vorzugsweise soll der thermische Ausdehnungskoeffizient der Zwischenplatte 8 bei Verwendung eines Wafers aus Silizium von dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Silizium nicht sehr verschieden sein.
<Desc/Clms Page number 13>
Die vorhin erwähnten Andruckstempel 7 sind eine partiell aufgebrachte
Kissenschicht 9. Sie haben aber den Vorteil, dass geeigneter Wahl ihrer Ausmasse die Chips auf Dauer keine bleibenden Abdrücke hinterlassen können.
In der Fig. 4 ist ein Querschnitt der Anordnung gemäss der Fig. 2 für ein weiteres
Ausführungsbeispiel der Anordnung dargestellt. Hier ist die Membran 6 aus Nickel oder einem Nickel-Stahl. Die Membran 6 ist vorgespannt und an den Rändern in einem Rahmen 11 angeordnet, wobei dieser Rahmen 11 wieder in der Höhe relativ zur Heizfläche 3, aber auch parallel zur Heizfläche 3 bewegt und positioniert werden kann. Eine Verstellmöglichkeit der Metallmembran parallel zur
Heizfläche 3 ist nötig, da sich in dieser Ausführungsvariante das
Kräftesymmetriezentrum der Membran 6 mit dem Flächenschwerpunkt der sich berührenden Flächen der zu verbindenden Schaltungen am Trägersubstrat überdecken muss. Ansonsten ist keine gleichmässige Druckverteilung für den
Verbindungsprozess gewährleistet.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist vergleichsweise zum Polymer eine relativ starre Membran 6 vorgesehen ; kann eine gewisse Flexibilität der Membran 6 beibehalten sein, so dass bei einer ausreichend dichten Anordnung der Membran über dem Träger 4 und eventuell trotz einer starren seitlichen Befestigung der Membran 6 ein Überdruck auf der dem Wafer gegenüberliegenden Seite der Membran 6 erzeugt werden kann, der die Membran 6 für einen hohen Anpressdruck der Chips auf dem Wafer ausreichend stark verformt. Insbesondere bei der Verwendung eines Nickel-Stahls geeigneter Zusammensetzung kann der thermische Ausdehnungskoeffizient der
Membran 6 so gewählt werden, dass er dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Silizium entspricht bzw. sehr nahe kommt.
Bei dickeren Stahlmembranen, dies entspricht einer Dicke von etwa 300 um bis 400 um, ist die Membran 6 ebenfalls mit einer Kissenschicht 9 zu versehen. Die elastische Kissenschicht 9 wird zum Beispiel auf die Stahlmembran aufvulkanisiert.
Das in Fig. 5 dargestellte Ausführungsbeispiel, bei dem die Membran 8 ein Laminat mehrerer Schichten ist (Verbund- bzw. Sandwich-Membran), ermöglicht es, die Membran 6 auf die unterschiedlichen Anforderungen hin zu optimieren.
<Desc/Clms Page number 14>
Die Membran 6 umfasst in diesem Beispiel mindestens eine Trägerfolie 8. Diese
Trägerfolie 8 soll ausserdem ausreichend flexibel sein, um ein Anpressen der
Membran 6 auf die Halbleiterchips zu ermöglichen.
Auf der Trägerfolie 8 befindet sich eine starre Zwischenschicht 10, zum Beispiel eine Kohlefaserschicht, mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten, der dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Silizium nahe kommt. Mit dieser
Zwischenschicht 10 wird erreicht, dass die Membran 6 sich bei einer thermischen
Ausdehnung nicht wesentlich stärker oder schwächer ausdehnt als der Träger 4.
Durch das Laminat wird ausserdem eine ausreichende laterale Steifigkeit der
Membran 6 bewirkt. Durch die Anpassung des Materials und der Dicke dieser
Schichten kann ausserdem erreicht werden, dass ein gewisser seitlicher
Bewegungsspielraum für die bereits oben beschriebene Selbstzentrierung der
Chips auf dem Wafer 4 erreicht wird.
Eine weitere Schicht ist als kompressible Kissenschicht 9 auf der dem Wafer zugewandten Oberseite der Membran 6 vorgesehen. Damit wird ein Höhenausgleich bei unterschiedlich dicken Halbleiterchips bewirkt, und die Chips können seitlich ausreichend gut fixiert werden. Dabei wird jedoch wieder dafür gesorgt, dass die Halbleiterchips in dieser kompressiblen Kissenschicht 9 keine Abdrücke hinterlassen. Je nach Erfordernis kann mit einer derartigen Membran 6 eine seitliche Abdichtung der Anordnung der Halbleiterchips bewirkt werden, wobei jedoch auch eine vollständige Evakuierung des Zwischenraumes ermöglicht werden kann.
In der Fig. 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt mit einer alternativen Anordnung des Trägers 4 zwischen der Heizfläche 3 und der Membran 6. Der Wafer liegt hier auf der Oberseite der Membran 6, die den Wafer von unten gegen die Heizfläche 3 drückt, so dass die elektronischen Schaltungen 5 auf den Träger 4 gepresst werden.
Für einen Höhenausgleich der Halbleiterchips kann bei diesem Ausführungsbeispiel vorzugsweise die Heizfläche 3 mit einer dünnen
<Desc/Clms Page number 15>
kompressiblen Schicht versehen werden. Auch ist es möglich, die Heizfläche 3 aus Nickel oder einem Nickel-Stahl herzustellen und gegebenenfalls mit
Andruckstempeln 7 zu versehen.
Mit der oben aufgezeigten Einrichtung kann ein sehr rationelles
Fertigungsverfahren durchgeführt werden. Wenn Halbleiterchips übereinander angeordnet und an Anschlusskontaktflächen miteinander verlötet werden sollen, werden zunächst in einem Wafer Halbleiterbauelemente hergestellt und mit
Anschlusskontakten versehen. Mit einem Bestückungsautomaten werden weitere, bereits vereinzelte und fertig prozessierte Halbleiterchips so auf den Wafer gesetzt, dass die einander zugeordneten Anschlusskontakte aufeinander zu liegen kommen. Die Herstellung einer dauerhaften Verbindung zwischen den
Anschlusskontakten der Chips erfolgt durch Wärmezufuhr, vorwiegend 250 C bis
350 C, bzw. durch Aufbringung eines Druckes, vorzugsweise 3 bis 5 bar auf den Wafer-Chip-Stapel.
Um die Produktivität des Bestückungsautomaten erhöhen zu können, wird die dauerhafte Verbindung zwischen den aufgelegten Chips und dem Wafer erst in einem zweiten Verfahrensschritt hergestellt, was in einem - oben beschriebenen - dafür vorgesehenen Ofen mit einer Druckeinrichtung, insbesondere diesem speziell adaptierten Vakuumofen geschieht. Vorteilhaft an diesem Verfahren ist, dass die Verbindung aller aufgelegten Chips mit den Waferchips gleichzeitig hergestellt werden kann.
Das Problem, dass bei dem erforderlichen Ausüben eines Anpressdrucks, der bis zu einem für das Fixieren der Halbleiterchips auf dem Wafer ausreichend starken Anpressdruck erhöht wird, eine gleichmässige Druckverteilung über die gesamten Wafer-Chip-Stapel erzielt werden muss, wird in optimaler Art und Weise mit der oben beschriebenen Einrichtung gelöst.
Weiters können die Dicken, der auf den Wafer aufgelegten Chips, in einem Toleranzbereich von 615um schwanken. Auch diese Beeinträchtigung wird mit der aufgezeigten Einrichtung ausgeräumt und eine gleichmässige Druckverteilung erreicht, sodass die Anschlusskontakte, vor allem bei Legierungsprozessen, mit einer ausreichenden Zuverlässigkeit miteinander verbunden werden.
<Desc/Clms Page number 16>
Speziell bei Legierungsprozessen sind Heizzyklen mit raschen Heiz- und
Abkühlphasen nötig. Um diese Heizzyklen garantieren zu können, muss die
Waferauflage der Heizvorrichtung 2 eine geringe thermische Masse aufweisen.
Andererseits muss die Heizplatte 3 eine hohe Steifigkeit besitzen, sodass sich die
Auflageplatte unter den hohen Bonddruck nicht verformt.
Während des Heizzykluses werden die aufgelegten Chips durch die Membran 6 auf den Wafer gepresst.
Auch die Auswahl von Materialien mit annähernd gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Heizplatte 3, des Wafer- bzw. Chipmateriales und der Druckeinheit tragen zur Qualitätserhöhung des Fertigungsprozesses bei.
Silizium hat beispielsweise einen Ausdehnungskoeffizienten von etwa 3ppm/ C.
Mit einer Nickel-Stahl-Legierung kann ein Ausdehnungskoeffizient in diesen Bereich erreicht werden. Durch die annähernd gleichen Koeffizienten differiert natürlich auch die thermische Ausdehnung zwischen Druckeinheit und Chips bzw.
Wafer und Heizfläche 3 nur äusserst gering, wodurch sich die Lage der Chips auf dem Wafer vor der Herstellung der Verbindung praktisch nicht verändern. Die Kantenlängen bzw. Durchmesser der Anschlusskontaktflächen liegen in der Grössenordnung von etwa 10 m. Durch die oben beschriebene Einrichtung wird der thermische Versatz der Chips derart minimiert, dass eine qualitativ einwandfreie Herstellung gewährleistet ist.
Gemäss der Fig. 7 ist in einer, vorzugsweise evakuierbaren und ameisensäurefesten Heizkammer 1 die Heizvorrichtung 2 mit der Heizfläche 3 vorgesehen. Auf der Heizfläche 3 wird der Träger 4 mit den elektrischen Schaltungen 5 angeordnet. Über den elektrischen Schaltungen 5 ist eine Druckplatte 12 vorgesehen, die an der den Schaltungen 5 zugewandten Seite eine Zwischenplatte 8 mit einer Kissenschicht 9 aufweist.
<Desc/Clms Page number 17>
Zur Bewegung der Druckplatte 12 sind drei Druckstempel 13 vorgesehen, die in einem gleichseitigen Dreieck angeordnet sind. Mit diesen Druckstempel 13 sind
Pressenkräfte von wenigen Newton bis zu 10 000 N beherrschbar.
Die Druckplatte 12 weist auch noch eine zusätzliche Heizung und/oder Kühlung
14 auf, wodurch ein rasches Durchfahren des Temperaturprofiles für die
Verbindung von Träger 4 und Schaltungen 5 beschleunigt wird bzw. eine aktive
Anpassung der unterschiedlichen thermischen Materialausdehnungen erreicht werden kann.
Bei dieser Ausführung der Heizkammer 1 ist entweder der obere Teil der
Heizkammer 1 absenkbar oder der untere Teil der Heizkammer 1 anhebbar, wobei der Hub mindestens so gross ist, dass eine vollautomatische Beschickung möglich ist. Darüber hinaus sind der Ober- und der Unterteil der Heizkammer 1 mechanisch zentrierbar. Die Zentrierung erfolgt über eine geeignete Ausbildung der Dichtkanten 15.
Entsprechend der Fig. 8 weist die Heizkammer 1 in ihrem Inneren die Heizvorrichtung 2 auf, deren Heizfläche 3 aus Keramikheizelementen gebildet ist, wobei auf der Heizfläche 3 die elektrischen Schaltungen 5 positioniert sind.
Zwischen den Keramikheizelementen für die Heizfläche 3 und der Halterung der Heizvorrichtung 2 ist eine thermische Trennung 16, in Form einer thermischen Isolierung, vorgesehen. Die Heizvorrichtung 2 ist auf Auflageelementen 17 angeordnet.
Zum Betrieb des Blasbalgs ist eine Zuführung 22 vorgesehen.
Die Druckplatte 12 weist an der den elektronischen Schaltungen 5 zugewandten Seite eine, mit einer Kissenschicht 9 vulkanisierte Zwischenplatte 8 aus Nickelstahl, Stahl oder einer Legierung auf, deren thermische Ausdehnungskoeffizient jenen von Silizium entspricht. Die Zwischenplatte 8 kann auch als Heizplatte ausgebildet sein und die thermische Ausdehnungsanpassung über eine Temperaturregelung erfolgen. Natürlich könnten auch hier Keramikheizelemente Verwendung finden. Bei der Heizplatte wird die
<Desc/Clms Page number 18>
Kissenschicht 9 über Vakuumkräfte an der Heizplatte gehalten und/oder sie wird am Rand der Druckplatte 12 eingespannt.
In Fig. 8 werden beide Ausführungsvarianten gezeigt. In der rechten
Abbildungshälfte sieht man das vulkanisierte Stahlblech, welches von unten an die Druckplatte 12 geklemmt wird. In der linken Abbildungshälfte ist die Heizplatte als Zwischenplatte 8 dargestellt, wobei die Kissenschicht 9 seitlich in die
Druckplatte 12 eingeklemmt und gespannt wird
Die Druckplatte 12 wird über einen pneumatischen Ausdehnungskörper 18, in diesem Fall von einem Blasbalg, bewegt. Statt dem Blasbalg könnte auch eine
Membran 6 Verwendung finden. Die Funktionsweise würde dann der
Funktionsweise in den vorangegangenen Ausführungsbeispielen entsprechen.
Um nun den Kraftschwerpunkt exakt festlegen zu können, wird die Druckplatte 12 über mindestens einen Ausgleichsdruckzylinder 19 eingestellt. Vorzugsweise werden drei, in einem gleichseitigen Dreieck angeordnete, Ausgleichsdruckzylinder 19 vorgesehen. Ferner wird die Druckplatte 12 zur lateralen Fixierung in einer lateralen Führung 20, beispielsweise mit einer Blattfeder, geführt.
Zur Fixierung der Druckplatte 12 in ihrer Ruhelage kann ein Abstandshalter 21 vorgesehen werden.
Abschliessend sei darauf hingewiesen, dass in den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen einzelne Teile unproportional vergrössert bzw. schematisch dargestellt sind, um das Verständnis der erfindungsgemässen Lösung zu verbessern.