Die Erfindung betrifft ein Verfahren für die Montage von Halbleiterchips der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art und eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 5.
Lötverfahren dieser Art werden typischerweise - jedoch nicht ausschliesslich - bei der Montage von Halbleiterchips auf einem metallischen Träger, einem sogenannten Leadframe, angewendet. Hauptsächlich Leistungshalbleiter werden in der Regel mit dem Substrat (üblicherweise Kupfer) mittels Weichlötung verbunden, um über die Lötverbindung eine wirksame Ableitung der beim Betrieb entstehenden Verlustwärme aus dem Halbleiterchip zu gewährleisten.
Aus der europäischen Patentanmeldung EP 752 294 ist eine Vorrichtung zum Austragen von flüssigem Lot auf ein Substrat und zur nachfolgenden Montage eines Halbleiterchips auf der noch flüssigen Lotportion bekannt. Unter der Bezeichnung "Die Bonder 2007 SSI" bietet die Anmelderin eine derartige Vorrichtung an, wobei der Halbleiterchip mittels eines als "Overtravel" bekannten Vorganges über der Lotportion auf dem Substrat platziert wird. Bei diesem Vorgang wird der Bondkopf so weit abgesenkt, dass der den Halbleiterchip haltende Greifer beim Auftreffen auf der Lotportion gegenüber dem Bondkopf ausgelenkt wird. Auf diese Weise können Dickenvariationen der Halbleiterchips, die typischerweise bis zu 40 mu m betragen, und Höhenvariationen der Oberfläche des Substrates problemlos bewältigt werden.
Das flüssige Weichlot hat eine sehr tiefe Viskosität und verhält sich beim Auftreffen des Halbleiterchips wie Wasser d.h. es fliesst leicht und fast instantan unter dem Halbleiterchip hervor und verteilt sich ausserhalb des Halbleiterchips. Untersuchungen mit einer Hochgeschwindigkeitskamera haben gezeigt, dass dabei zwischen dem Halbleiterchip und dem Substrat ein Spalt bleibt, der zwar mit Lot gefüllt ist, dessen Dicke aber nur noch einige Mikrometer beträgt. Beim Wegfahren des Bondkopfes fliesst im Idealfall ein Grossteil des Lotes in den Spalt zwischen dem Halbleiterchip und dem Substrat zurück, wobei sich der Spalt wieder vergrössert, die Dicke der Lotschicht unterliegt jedoch gewissen Schwankungen, selbst wenn der Halbleiterchip noch parallel zur Substratoberfläche hin- und herbewegt wird.
Oftmals fliesst das Lot nicht mehr unter den Halbleiterchip zurück, sondern verharrt in Wülsten neben dem Halbleiterchip. Dabei resultieren sehr dünne Lotschichten. Falls das Lot nur teilweise oder einseitig zurückfliesst, resultieren Lotschichten mit grosser Keiligkeit (Tilt). Das Zurückfliessen des Lotes und die Bildung einer Lotschicht ausreichender Dicke und Homogenität geschieht unkontrolliert. An die Lötverbindung werden nun aber zunehmend höhere Anforderungen gestellt: gleichmässige Dicke der Lotschicht, Verteilung der Lotschicht über die ganze Chipfläche, völlige Blasenfreiheit, hohe Reinheit der Lötstelle.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Qualität der Lötverbindung zwischen dem Halbleiterchip und dem Substrat weiter zu verbessern.
Die Erfindung ist im Anspruch 1 gekennzeichnet. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Das erfindungsgemässe Verfahren für die Montage von Halbleiterchips auf einem eine Lotportion aufweisenden Substrat ist gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
a) Bereitstellen des Substrates auf einer Auflage;
b) Ergreifen des Halbleiterchips mittels eines an einem Bondkopf federnd gelagerten Greifers;
c) Absenken des Halbleiterchips auf das Substrat, wobei der den Halbleiterchip tragende Greifer gegenüber dem Bondkopf ausgelenkt wird;
d) Anheben des Halbleiterchips um eine vorbestimmte Distanz;
e) Loslassen des Halbleiterchips;
f) Wegfahren des Bondkopfes.
Beim Schritt c trifft der Halbleiterchip zunächst auf das flüssige Lot, wobei die Lotportion infolge des Aufpralls zuerst flachgedrückt wird und das Lot dann zum grössten Teil aus dem Spalt zwischen dem Halbleiterchip und dem Substrat herausgedrückt wird. Das Lot sammelt sich seitlich des Halbleiterchips in Wülsten an. Zwischen dem Halbleiterchip und dem Substrat verbleibt ein mit Lot gefüllter Spalt, dessen Dicke nur wenige Mikrometer, typisch nur etwa 5 Mikrometer beträgt. Das Ziel ist, dass bei diesem Schritt c die gesamte Rückseite des Halbleiterchips inklusive den Ecken mit Lot benetzt wird und dass sich das Lot möglichst gleichmässig auf allen vier Seiten des Halbleiterchips ansammelt.
Ob und wie die Benetzung auf der ganzen Rückseite des Halbleiterchips erfolgt, hängt aber nicht nur von der Aufprallgeschwindigkeit des Halbleiterchips und des Grades der Parallelität seiner Rückseite zur Substratoberfläche, sondern auch von anderen Faktoren wie z.B. der Sauberkeit der Rückseite des Halbleiterchips und der auf dem Substrat zu benetzenden Fläche, der Form und der Qualität des Lotes etc. ab.
Beim Schritt d wird nun der Halbleiterchip, anders als beim Stand der Technik, unter mechanischer Kontrolle des Greifers in eine vorbestimmte Höhe über dem Substrat gebracht, wobei wieder Lot in den sich vergrössernden Spalt zwischen dem Halbleiterchip und dem Substrat zurückfliesst. Das Zurückfliessen des Lotes erfolgt unter kontrollierten Bedingungen, insbesondere unter kontrollierter Sogwirkung des vom Greifer geführten Halbleiterchips. Dadurch wird erreicht, dass der Spalt relativ homogen und bis zu den Ecken des Halbleiterchips mit Lot gefüllt wird. Die Benetzung ist inzwischen auch abgeschlossen, d.h. das Lot hat Menisken gebildet und somit eine stabile Lage erreicht.
Jetzt kann die mechanische Verbindung zwischen dem Halbleiterchip und dem Greifer gelöst und der Bondkopf weggefahren werden, ohne dass sich die Lage und/oder Keiligkeit des Halbleiterchips ändert.
Es ist möglich, dass im Lot Blasen, sogenannte Voids, eingeschlossen sind. Durch eine kontrollierte Auf- und Abbewegung des Halbleiterchips nach dem Schritt d kann bei Bedarf erreicht werden, dass allfällige grosse Blasen in mehrere kleine Blasen zerfallen und dass die Blasen gegen den Rand des Halbleiterchips wandern, wobei am Rand ankommende Blasen verschwinden. Die Verkleinerung oder sogar völlige Eliminierung der Blasen, die selbst ein Qualitätsmerkmal ist, bewirkt zudem, dass sich die Lage des Halbleiterchips beim Lösen vom Greifer weniger stark oder nicht mehr ändert, d.h. eine verbesserte Keiligkeit und somit auch einen höheren Wert der dünnsten Stelle der Lotschicht bzw. eine gleichmässigere Dicke der Lotschicht.
Solange grössere Blasen vorhanden sind, besteht nämlich die Gefahr, dass sich der Halbleiterchip lokal absenkt und sich in einer zur Substratoberfläche schrägen Lage befindet.
Eine Voraussetzung für das Erreichen der geforderten Qualität der Lotschicht ist natürlich, dass der Bondkopf so justiert ist, dass die Unterseite des Halbleiterchips planparallel zur Oberfläche des Substrates ist.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen: Fig. 1A-1C ein erstes Ausführungsbeispiel einer für die Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens geeigneten Vorrichtung in verschiedenen Stadien des Verfahrens, Fig. 2 einen Halbleiterchip mit einem herumlaufenden Lotsaum, Fig. 3 ein Diagramm, Fig. 4 ein zweites Ausführungsbeispiel einer für die Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens geeigneten Vorrichtung, Fig. 5A, B montierte Halbleiterchips, und Fig. 6 ein zweites Diagramm.
Die Fig. 1A bis 1C zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel einer für die Durchführung dieses Verfahrens geeigneten Vorrichtung in verschiedenen Stadien des Verfahrens. Mit dem Bezugszeichen 1 ist der zu montierende Halbleiterchip, mit 2 das Lot und mit 3 das Substrat bezeichnet. Die Vorrichtung weist einen in vertikaler z-Richtung bewegbaren Bondkopf 4 mit einem Greifer 5 für den Halbleiterchip 1 auf. Der Greifer 5 ist am Bondkopf 4 mittels zwei vorgespannten Zugfedern 6 federnd gelagert und ist somit aus der in der Fig. 1A dargestellten Ruhelage entgegen einer von den Zugfedern 6 ausgeübten Kraft bezüglich des Bondkopfes 4 in vertikaler z-Richtung auslenkbar. Der Greifer 5 weist eine Bohrung 7 auf, damit der Halbleiterchip 1 durch Anlegen von Vakuum an die Bohrung 7 ergriffen werden kann.
Am Bondkopf 4 sind zwei von einem Antrieb in horizontaler Richtung bewegbare Klemmbacken 8 angeordnet. Die Klemmbacken 8 können den Greifer 5 einklemmen, damit dann der Greifer 5 der Bewegung des Bondkopfes 4 folgt. Das Substrat 3 befindet sich auf einer Auflage 9 der Vorrichtung.
Die Fig. 1A zeigt die Vorrichtung vor dem Schritt c: Die Zugfedern 6 ziehen den Greifer 5 gegen eine Anschlagsfläche des Bondkopfes 4, d.h. der Greifer 5 befindet sich gegenüber dem Bondkopf 4 in seiner Ruhelage. Die Klemmbacken 8 klemmen den Greifer 5 nicht.
Die Fig. 1B zeigt die Vorrichtung nach dem Schritt c: Der Bondkopf 4 befindet sich auf der Höhe H 0 über der Auflage 9, der Greifer 5 ist gegenüber dem Bondkopf 4 um die Distanz D ausgelenkt. Die Distanz D variiert infolge der Dickenvariationen von Substrat 3 und Halbleiterchip 1. Die Höhe H 0 ist so vorbestimmt, dass die Distanz D im Mittel etwa 0.2 mm beträgt. Infolgedessen kommt der Halbleiterchip 1 beim Absenken des Bondkopfes 4 zunächst auf dem Lot 2 zur Auflage und beim weiteren Absenken des Bondkopfes 4 auf die endgültige Höhe H 0 wird der Greifer 5 gegenüber dem Bondkopf 4 ausgelenkt. Bei diesem Vorgang fliesst der grössere Teil des flüssigen Lotes 2 aus dem Spalt zwischen dem Halbleiterchip 1 und dem Substrat 3 heraus und sammelt sich seitlich des Halbleiterchips 1 in Wülsten an.
Zwischen dem Halbleiterchip 1 und dem Substrat 3 verbleibt ein mit Lot gefüllter Spalt, dessen Dicke typisch nur etwa 5 mu m beträgt.
Nachdem der Bondkopf 4 die Höhe H 0 erreicht und sich das Lot 2 seitlich des Halbleiterchips 1 angesammelt hat, werden die Klemmbacken 8 zusammengefahren, so dass sie den Greifer 5 im ausgelenkten Zustand am Bondkopf 4 festklemmen. Beim Schritt d wird der Bondkopf 4 um eine vorbestimmte Distanz H 1 angehoben, womit auch der festgeklemmte Greifer 5 und der Halbleiterchip 1 um die Distanz H 1 angehoben werden.
Die Fig. 1C zeigt die Situation nach dem Schritt d. Der Bondkopf 4 ist auf die Höhe H 0 + H 1 so weit angehoben worden, dass der Spalt zwischen dem Halbleiterchip 1 und dem Substrat 3 etwa so gross wie die endgültige, gewünschte Schichtdicke des Lotes 2 ist. Diese Schichtdicke liegt typisch im Bereich von 20 bis 100 mu m. Das Lot 2 fliesst bei diesem Vorgang in den Spalt zurück. Der vom Greifer 5 festgehaltene Halbleiterchip 1 befindet sich in einer wohl definierten Lage.
Sobald das Zurückfliessen des Lotes 2 in den Spalt beendet oder zumindest annähernd beendet ist, wird im Schritt e zunächst das Vakuum, mit dem der Halbleiterchip 1 vom Greifer 5 gehalten wird, abgestellt, und sobald der Halbleiterchip 1 vom Greifer 5 nicht mehr oder nurmehr sehr schwach gehalten ist, wird der Bondkopf 4 weggefahren, wobei sich der Greifer 5 vom Halbleiterchip 1 löst, und die Montage des nächsten Halbleiterchips eingeleitet.
Es hat sich nun gezeigt, dass die Keiligkeit des platzierten Halbleiterchips 1 markant verbessert werden kann, wenn der Greifer 5 nach dem Schritt d zusätzlich einmal oder mehrmals in z-Richtung gegen das Substrat 3 hin und wieder davon wegbewegt wird, d.h. wenn die Breite des Spalts zwischen dem Halbleiterchip 1 und dem Substrat 3 durch Auf- und Abbewegen des Bondkopfes 4 und des Greifers 5 noch kontrolliert variiert wird. Mit diesem "Pumpen" wird einerseits erreicht, dass das Lot 2 entlang den Kanten des Halbleiterchips 1 fliesst und um den Halbleiterchip 1 herum einen vollständigen Lotsaum 2a bildet (siehe Fig. 2). Andererseits werden allfällig vorhandene Blasen verkleinert und gegen den Rand des Halbleiterchips 1 befördert.
Insgesamt resultiert eine vollständige, d.h. blasenfreie, und gleichmässige Verteilung des Lotes 2 im Spalt, was sich in einer geringeren Keiligkeit und damit verbunden in einem höheren Wert der dünnsten Stelle des Lotes 2 manifestiert.
Die Auf- und Abbewegung des Bondkopfes 4 kann mit dem den Bondkopf 4 in vertikaler Richtung antreibenden Antrieb erfolgen. Bevorzugt wird jedoch die Auf- und Abbewegung des Bondkopfes 4 mittels einer Exzenterscheibe bewerkstelligt, die direkt auf den Bondkopf 4 einwirkt. Damit die Bewegungen der Exzenterscheibe einwandfrei auf den Bondkopf 4 übertragen werden, ist es nötig, dass der Bondkopf 4 und die Exzenterscheibe in ständigem Kontakt sind. Dies wird dadurch erreicht, dass der Bondkopf 4 so ausgestaltet ist, dass er beim Anfahren der Bondposition in Kontakt mit der Exzenterscheibe kommt und schliesslich in der Bondposition mit leichter Vorspannung gegen diese drückt. Gleichzeitig werden auf diese Weise Schwingungen des Bondkopfes 4 in z-Richtung wirksam unterbunden.
Die Fig. 3 zeigt den Verlauf der z-Höhe des Halbleiterchips 1 (gestrichelte Linie) und des Bondkopfes 4 (ausgezogene Linie) über der Auflage 9 in Funktion der Zeit t. Zunächst wird der Bondkopf 4 abgesenkt bis auf die vorbestimmte Höhe H 0 , die er zum Zeitpunkt t 1 erreicht, wobei der Greifer 5 gegenüber dem Bondkopf 4 ausgelenkt wird, was als "Overtravel" bezeichnet wird. Bereits vorher, zum Zeitpunkt t 0 , prallt der Halbleiterchip 1 auf das Lot 2. Anschliessend ruht der Bondkopf 4 eine vorbestimmte Zeitspanne T 12 bis zum Zeitpunkt t 2 . Während der Zeitspanne T 0 2 fliesst ein grosser Teil des Lotes 2, das sich im Spalt zwischen dem Halbleiterchip 1 und dem Substrat 3 befindet, aus dem Spalt heraus und sammelt sich seitlich des Halbleiterchips 1 an.
Dieser Prozess erfolgt meistens ruckartig, d.h. der Halbleiterchip 1 kommt zuerst auf dem heissen Lot 2 zur Auflage, erwärmt sich, und senkt sich dann rasch, weil plötzlich fast alles Lot 2 aus dem Spalt herausfliesst. Erst jetzt befindet sich der Halbleiterchip 1 in einer von der ursprünglichen Form des Lotes 2 weitgehend unabhängigen und reproduzierbaren Lage, nämlich nur noch einige Mikrometer über dem Substrat 3. Sobald diese Lage erreicht wurde, wird der Greifer 5 zum Zeitpunkt t 2 mit den Klemmbacken 8 festgeklemmt und der Bondkopf 4 um die Distanz H 1 angehoben. Während der anschliessenden Zeitspanne T 34 wird, fakultativ, der Bondkopf 4 auf und ab bewegt, wobei die Amplitude A der Auf- und Abbewegung typischerweise etwa der Distanz H 1 entspricht.
Die Frequenz der Auf- und Abbewegung beträgt typisch 50 Hz bis 250 Hz, kann aber auch bis zu 500 oder 800 Hz betragen. Die Anzahl der Auf- und Abbewegungen beträgt je nach Frequenz nur 2 bis 5 oder bei höheren Frequenzen einige 10. Es ist auch möglich, die Amplitude A mit zunehmender Zahl der Auf- und Abbewegungen zu verringern. Nach dem Abschluss der Auf- und Abbewegung des Bondkopfes 4 wird zum Zeitpunkt t 4 das Vakuum gelöst und schliesslich zum Zeitpunkt t 5 der Bondkopf 4 weggefahren.
Bei diesem Ausführungsbeispiel erfolgen die Schritte c und d somit folgendermassen: c) Absenken des Bondkopfes 4 auf eine vorbestimmte Höhe über der Auflage 9, wobei die Höhe so vorbestimmt ist, dass der den Halbleiterchip 1 haltende Greifer 5 gegenüber dem Bondkopf 4 ausgelenkt wird; und d) Fixieren des Greifers 5 am Bondkopf 4 und Anheben des Bondkopfes 4 um die vorbestimmte Distanz H 1 ;
Die zeitliche Abfolge der Schritte e und f kann einerseits derart vorgesehen sein, dass nach dem Lösen des Vakuums zum Zeitpunkt t 4 vorerst eine vorbestimmte Zeitspanne T 45 gewartet wird und erst anschliessend der Bondkopf 4 weggefahren wird. Die Zeitspanne T 45 ist so zu bemessen, dass sich der Bondkopf 4 beim Wegfahren problemlos vom Halbleiterchip 1 löst. Andererseits kann auch ein Sensor vorgesehen sein, der die Stärke des Vakuums misst und das Wegfahren des Bondkopfes 4 erfolgt, sobald das Vakuum zum Zeitpunkt t 5 einen vorbestimmten Wert unterschreitet.
Eine vorteilhafte Lösung, die einen schnellen Abbau des Vakuums an der Spitze des Greifers 5 ermöglicht, besteht darin, oberhalb der Spitze des Greifers 5 eine Bohrung 10 (Fig. 1C) vorzusehen, die ein kontrolliertes Leck darstellt. Das Leck soll klein genug sein, damit der Greifer 5 beim Anlegen von Vakuum den Halbleiterchip 1 ergreifen und transportieren kann, und gross genug, dass sich die Bohrung 7 an der Spitze des Greifers 5 sofort, d.h. innerhalb weniger Millisekunden, mit dem in der Umgebung herrschenden Schutzgas füllt, wenn die Verbindung zur Vakuumquelle unterbrochen wird. Es wird dann möglich, das Vakuum zu lösen unmittelbar bevor der Halbleiterchip die Höhe H 0 + H 1 erreicht hat, so dass die mechanische Führung des Halbleiterchips 1 beim Erreichen etwa der Höhe H 0 + H 1 durch den Greifer 5 beendet ist und der Bondkopf 4 ohne anzuhalten (d.h.
T 45 = 0) wegfahren kann.
Es hat sich gezeigt, dass es vorteilhaft sein kann, die Aufprallgeschwindigkeit des Halbleiterchips 1 auf das Lot 2 zu reduzieren, damit sich das verdrängte Lot 2 möglichst nahe neben dem Halbleiterchip 1 ansammelt, und den Halbleiterchip 1 dafür wenigstens einmal, vorzugsweise mehrmals, auf und ab zu bewegen. Die Auf- und Abbewegung des Halbleiterchips 1 fördert nämlich die vollständige Benetzung und Bedeckung der Rückseite des Halbleiterchips 1 mit Lot 2 bzw. die Bildung des um den Halbleiterchip 1 vollständig herumlaufenden Lotsaums 2a.
Anstelle der Klemmbacken 8 können auch andere Mittel vorgesehen sein, um den Greifer 5 am Bondkopf 4 zu arretieren. Der Greifer 5 kann beispielsweise mittels eines von einem Elektromagneten betätigbaren, um eine Achse drehbaren Hebel gegen den Bondkopf 4 gedrückt werden oder mittels Vakuum am Bondkopf 4 fixiert werden.
Anstatt den Greifer 5 am Bondkopf 4 zu arretieren und den Bondkopf 4 um die Distanz H 1 anzuheben, kann auch eine Lösung vorgesehen sein, bei der der Greifer 5 gegenüber dem Bondkopf 4 um die Distanz H 1 angehoben wird.
Die Fig. 4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer zur Durchführung des Verfahrens geeigneten Vorrichtung. Bei dieser Vorrichtung ist anstelle der Klemmbacken 8 (Fig. 1A) ein Sensor 11 vorhanden. Der Sensor 11 besteht aus einem durch zwei elektrische Kontakte gebildeten Schalter. Der eine elektrische Kontakt befindet sich am Bondkopf 4, der andere am Greifer 5. Im Normalzustand, d.h. wenn der Greifer 5 gegenüber dem Bondkopf 4 nicht ausgelenkt ist, berühren sich die beiden Kontakte: der Schalter ist geschlossen. Beim Absenken des Bondkopfes 4 während des Schrittes c öffnet sich der Schalter, sobald der Greifer 5 gegenüber dem Bondkopf 4 ausgelenkt wird.
Mittels geeigneter elektronischer Mittel wird nun beim Anheben des Bondkopfes 4 während des Schrittes d der Zeitpunkt t c erfasst, an dem der Schalter wieder schliesst, die Höhe H 2 des Bondkopfes 4 zu diesem Zeitpunkt t c ermittelt und der Bondkopf 4 auf die Höhe H 3 = H 2 + H 1 angehoben. Das Schliessen des Schalters bedeutet, dass der Greifer 5 gegenüber dem Bondkopf 4 nicht mehr ausgelenkt ist und der Bewegung des Bondkopfes 4 von der Höhe H 2 auf die Höhe H 3 = H 2 + H 1 folgt. Die Distanz H 1 entspricht in etwa der gewünschten Schichtdicke des Lotes 2. Der Greifer 5 legt somit die Distanz H 1 zurück. Die Fig. 4 zeigt die Vorrichtung im Zustand nach dem Verfahrensschritt d.
Mit dem Sensor 11 kann zudem überprüft werden, ob der Greifer 5 am Bondkopf 4 verklemmt. Dies ist dann der Fall, wenn die beiden Kontakte des Sensors 11 entweder immer offen oder immer geschlossen bleiben.
Wie beim ersten Ausführungsbeispiel bereits beschrieben, kann auch hier nach dem Schritt d eine Auf- und Abbewegung des Bondkopfes 4 mit dem Greifer 5 erfolgen und kann auch hier beim Schritt e nach dem Lösen des Vakuums entweder vorerst eine vorbestimmte Zeitspanne gewartet und erst anschliessend der Bondkopf 4 weggefahren werden oder das Wegfahren des Bondkopfes 4 beim Schritt f kann erst dann erfolgen, wenn das den Halbleiterchip 1 haltende Vakuum einen vorbestimmten Wert unterschreitet. Dabei kann auch das Schliessen der Kontakte des Sensors 11 zur Triggerung des Zeitpunktes, an dem das Vakuum zu lösen ist, benutzt werden.
Die Fig. 5a zeigt einen nach dem erfindungsgemässen Verfahren montierten Halbleiterchip 1 guter Qualität, bei dem das Lot schöne Menisken 12 ausgebildet hat, und der parallel zur Oberfläche des Substrates 3 ausgerichtet ist, dessen Keiligkeit daher null ist. Die Fig. 5b zeigt zum Vergleich einen montierten Halbleiterchip 1 schlechterer Qualität, der schräg montiert ist: Die Lotschicht 2' ist unterschiedlich dick, die Keiligkeit, dargestellt durch den Winkel ? , ist nicht null.
Die Fig. 6 zeigt eine weitere Möglichkeit für den Verlauf der z-Höhe des Halbleiterchips 1 (gestrichelte Linie) und des Bondkopfes 4 (ausgezogene Linie) über der Auflage 9 in Funktion der Zeit t. Hier wird der Bondkopf 4 auf die Höhe H 0 abgesenkt, der Greifer 5 unmittelbar beim Erreichen der Höhe H 0 , d.h. bereits etwa zum Zeitpunkt t 1 festgeklemmt, und, sobald der Greifer 5 am Bondkopf 4 fixiert ist, der Bondkopf 4 auf eine Höhe H 0 + H 4 angehoben, bevor das Wegfliessen des Lotes 2 aus dem Spalt zwischen dem Halbleiterchip 1 und dem Substrat 3 und das ruckartige Absinken des Halbleiterchips 1 erfolgen. Bei diesem Vorgang wird die Lotportion 2 zwar verformt, das unkontrollierte Wegfliessen des Lotes 2 aus dem Spalt aber findet nicht statt.
Die Distanz H 4 bestimmt sich entsprechend dem Ausmass der Auslenkung des Greifers 5 gegenüber dem Bondkopf 4 und der zu erreichenden Dicke der Lotschicht.
Bei gewissen Materialpaarungen Lot 2 - Substrat 3 ist es möglich, den Bondkopf 4 ohne die Auf- und Abbewegung direkt wegzufahren. Es ist dann vorteilhaft, das Vakuum bereits vor dem Erreichen der Höhe H 0 + H 4 zu lösen, so dass der Bondkopf 4 wegfahren kann, ohne auf der Höhe H 0 + H 4 zu verweilen. Vorteilhaft wird dazu die Stärke des Vakuums geregelt und der Greifer 5 mit der als kontrolliertes Leck dienenden Bohrung 10 versehen, so dass die Zeitspanne tau , die vom Abstellen des Vakuums bis zum Lösen des Halbleiterchips 1 vom Greifer 5 vergeht, reproduzierbar ist. Das Vakuum kann dann entsprechend der Bahnkurve des Bondkopfes 4 um diese Zeitspanne tau vor dem Erreichen der Höhe H 0 + H 4 gelöst werden. Auch bei dieser Bewegung wird der Halbleiterchip 1 bis zum Erreichen der vorbestimmten Höhe H 0 + H 4 mechanisch geführt.
Bei anderen Materialpaarungen Lot 2 - Substrat 3 ist es hingegen besser, den Bondkopf 4 nach dem Erreichen der Höhe H 0 + H 4 noch auf und ab zu bewegen.
Das erfindungsgemässe Verfahren ergibt hervorragende Lötverbindungen, wenn der Halbleiterchip auf eine flachgedrückte Lotportion (siehe EP 852 983) montiert wird, deren lineare Abmessungen etwas grösser als die linearen Abmessungen des Halbleiterchips sind. Das erfindungsgemässe Verfahren ergibt aber auch sehr gute Lötverbindungen, wenn der Halbleiterchip auf eine tropfenförmige Lotportion montiert wird. Die verschiedenen Parameter des erfindungsgemässen Verfahrens erlauben eine optimale Anpassung des Bewegungsablaufes des Halbleiterchips an die durch die Materialkombination Lot- Substrat diktierten Bedingungen.
Die mechanisch kontrolliert geführte Bewegung des Halbleiterchips bis zum Erreichen seiner Endlage mit einer stabil ausgebildeten Lotschicht erlaubt tiefere Prozesstemperaturen, d.h. dass das Substrat und das Lot nur um einige wenige DEG C über die Schmelztemperatur des Lotes aufgeheizt werden müssen. Bei den vorbekannten Verfahren sind Prozesstemperaturen nötig, die 50 oder 80 DEG C über der Schmelztemperatur des Lotes liegen, damit das Lot zurückfliesst.
The invention relates to a method for the assembly of semiconductor chips referred to in the preamble of claim 1 and an apparatus suitable for carrying out the method according to the preamble of claim 5.
Soldering methods of this type are typically - but not exclusively - used in the assembly of semiconductor chips on a metallic carrier, a so-called leadframe. Mainly power semiconductors are usually connected to the substrate (usually copper) by means of soft soldering in order to ensure effective discharge of the heat loss during operation from the semiconductor chip via the solder joint.
European Patent Application EP 752 294 discloses a device for discharging liquid solder onto a substrate and for subsequently mounting a semiconductor chip on the still liquid solder portion. The applicant offers such a device under the name "The Bonder 2007 SSI", wherein the semiconductor chip is placed over the solder portion on the substrate by means of a process known as "overtravel". In this process, the bonding head is lowered so far that the gripper holding the semiconductor chip is deflected when hitting the soldering portion with respect to the bonding head. In this way, thickness variations of the semiconductor chips, typically up to 40 μm, and variations in the height of the surface of the substrate can be easily overcome.
The liquid solder has a very low viscosity and behaves as water strikes the semiconductor chip, i. it flows easily and almost instantaneously under the semiconductor chip and spreads outside the semiconductor chip. Investigations with a high-speed camera have shown that there remains a gap between the semiconductor chip and the substrate, which is filled with solder, but whose thickness is only a few micrometers. When the bonding head is driven away, ideally a large part of the solder flows back into the gap between the semiconductor chip and the substrate, whereby the gap increases again, but the thickness of the solder layer is subject to certain fluctuations, even if the semiconductor chip still reciprocates parallel to the substrate surface becomes.
Often, the solder no longer flows back under the semiconductor chip, but remains in beads next to the semiconductor chip. This results in very thin solder layers. If the solder flows back only partially or unilaterally, solder layers with large wedges (tilt) result. The backflow of the solder and the formation of a solder layer of sufficient thickness and homogeneity is uncontrolled. However, increasingly higher demands are placed on the solder joint: uniform thickness of the solder layer, distribution of the solder layer over the entire chip area, complete absence of bubbles, high purity of the solder joint.
The invention has for its object to further improve the quality of the solder joint between the semiconductor chip and the substrate.
The invention is characterized in claim 1. Further developments of the invention will become apparent from the dependent claims.
The method according to the invention for mounting semiconductor chips on a substrate having a solder portion is characterized by the following steps:
a) providing the substrate on a support;
b) gripping the semiconductor chip by means of a spring mounted on a bonding head gripper;
c) lowering the semiconductor chip to the substrate, wherein the gripper carrying the semiconductor chip is deflected relative to the bonding head;
d) raising the semiconductor chip by a predetermined distance;
e) releasing the semiconductor chip;
f) driving away the bonding head.
In step c, the semiconductor chip first strikes the liquid solder, the solder portion being first flattened as a result of the impact and the solder being then for the most part forced out of the gap between the semiconductor chip and the substrate. The solder accumulates laterally on the semiconductor chip in beads. Between the semiconductor chip and the substrate remains a gap filled with solder, the thickness of which is only a few micrometers, typically only about 5 micrometers. The goal is that in this step c, the entire back of the semiconductor chip including the corners is wetted with solder and that the solder accumulates as uniformly as possible on all four sides of the semiconductor chip.
However, whether and how wetting occurs all over the backside of the semiconductor chip depends not only on the impact velocity of the semiconductor chip and the degree of parallelism of its back surface to the substrate surface, but also on other factors such as the surface area. the cleanliness of the back side of the semiconductor chip and the surface to be wetted on the substrate, the shape and quality of the solder, etc.
In step d, the semiconductor chip, unlike the prior art, is then brought to a predetermined height above the substrate under mechanical control of the gripper, with solder again flowing back into the increasing gap between the semiconductor chip and the substrate. The backflow of the solder takes place under controlled conditions, in particular under controlled suction effect of the guided by the gripper semiconductor chip. This ensures that the gap is filled relatively homogeneously and up to the corners of the semiconductor chip with solder. The wetting is now completed, i. The lot has formed menisci and thus reached a stable position.
Now, the mechanical connection between the semiconductor chip and the gripper can be solved and the bonding head can be moved away without the position and / or taper of the semiconductor chip changing.
It is possible that bubbles, so-called voids, are included in the solder. By a controlled up and down movement of the semiconductor chip after step d can be achieved if necessary, that any large bubbles disintegrate into several small bubbles and that the bubbles migrate towards the edge of the semiconductor chip, wherein at the edge incoming bubbles disappear. The reduction or even complete elimination of the bubbles, which is itself a quality feature, also causes the location of the semiconductor chip to become less pronounced or unaltered upon release from the gripper, i. an improved wedging and thus also a higher value of the thinnest point of the solder layer or a more uniform thickness of the solder layer.
As long as larger bubbles are present, there is the risk that the semiconductor chip is locally lowered and located in a position inclined to the substrate surface.
A prerequisite for achieving the required quality of the solder layer is, of course, that the bonding head is adjusted so that the underside of the semiconductor chip is plane-parallel to the surface of the substrate.
Embodiments of the invention will be explained in more detail with reference to the drawing.
1A-1C show a first exemplary embodiment of a device suitable for carrying out the method according to the invention in various stages of the method, FIG. 2 shows a semiconductor chip with a running-around solder space, FIG. 3 shows a diagram, FIG. 4 shows a second exemplary embodiment of FIG 5A, B mounted semiconductor chips, and FIG. 6 is a second diagram.
FIGS. 1A to 1C show a first embodiment of a device suitable for carrying out this method in various stages of the method. The reference numeral 1 denotes the semiconductor chip to be mounted, 2 the solder and 3 the substrate. The device has a bonding head 4, which can be moved in the vertical z-direction, with a gripper 5 for the semiconductor chip 1. The gripper 5 is resiliently mounted on the bonding head 4 by means of two prestressed tension springs 6 and is thus deflected from the rest position shown in FIG. 1A against a force exerted by the tension springs 6 with respect to the bonding head 4 in the vertical z-direction. The gripper 5 has a bore 7, so that the semiconductor chip 1 can be gripped by applying a vacuum to the bore 7.
At the bonding head 4 two movable by a drive in the horizontal direction jaws 8 are arranged. The jaws 8 can pinch the gripper 5, so that then the gripper 5 follows the movement of the bonding head 4. The substrate 3 is located on a support 9 of the device.
Fig. 1A shows the device before step c: The tension springs 6 pull the gripper 5 against a stop face of the bonding head 4, i. the gripper 5 is located opposite the bonding head 4 in its rest position. The jaws 8 do not clamp the gripper 5.
FIG. 1B shows the device after step c: The bonding head 4 is located at the height H 0 above the support 9, the gripper 5 is deflected by the distance D with respect to the bonding head 4. The distance D varies due to the thickness variations of the substrate 3 and the semiconductor chip 1. The height H 0 is predetermined so that the distance D is about 0.2 mm on average. As a result, when the bonding head 4 is lowered, the semiconductor chip 1 first comes to rest on the solder 2, and when the bonding head 4 is lowered further to the final height H 0, the gripper 5 is deflected relative to the bonding head 4. In this process, the greater part of the liquid solder 2 flows out of the gap between the semiconductor chip 1 and the substrate 3 and accumulates laterally of the semiconductor chip 1 in beads.
Between the semiconductor chip 1 and the substrate 3 remains a gap filled with solder, the thickness of which is typically only about 5 μm.
After the bonding head 4 reaches the height H 0 and the solder 2 has accumulated laterally of the semiconductor chip 1, the clamping jaws 8 are moved together so that they clamp the gripper 5 in the deflected state on the bonding head 4. In step d, the bonding head 4 is raised by a predetermined distance H 1, whereby also the clamped gripper 5 and the semiconductor chip 1 are raised by the distance H 1.
Fig. 1C shows the situation after step d. The bonding head 4 has been raised to the height H 0 + H 1 so far that the gap between the semiconductor chip 1 and the substrate 3 is about as large as the final, desired layer thickness of the solder 2. This layer thickness is typically in the range of 20 to 100 μm. Lot 2 flows back into the gap during this process. The held by the gripper 5 semiconductor chip 1 is in a well-defined position.
Once the backflow of the solder 2 is completed in the gap or at least approximately completed, in step e, first the vacuum, with the semiconductor chip 1 is held by the gripper 5, turned off, and as soon as the semiconductor chip 1 from the gripper 5 no more or only very is kept weak, the bonding head 4 is moved away, with the gripper 5 detached from the semiconductor chip 1, and initiated the assembly of the next semiconductor chip.
It has now been found that the wedging of the placed semiconductor chip 1 can be markedly improved if, after the step d, the gripper 5 is additionally moved one or more times in the z-direction towards and away from the substrate 3, i. when the width of the gap between the semiconductor chip 1 and the substrate 3 is varied by moving the bonding head 4 and the gripper 5 up and down in a controlled manner. This "pumping" on the one hand ensures that the solder 2 flows along the edges of the semiconductor chip 1 and forms a complete solder space 2a around the semiconductor chip 1 (see FIG. 2). On the other hand, any existing bubbles are reduced in size and conveyed against the edge of the semiconductor chip 1.
Overall, a complete, i. Bubble-free, and uniform distribution of the solder 2 in the gap, which manifests itself in a lower wedging and thus in a higher value of the thinnest part of the solder 2.
The up and down movement of the bonding head 4 can be done with the drive the bonding head 4 in the vertical direction drive. Preferably, however, the up and down movement of the bonding head 4 is accomplished by means of an eccentric disc, which acts directly on the bonding head 4. Thus, the movements of the eccentric disk are properly transferred to the bonding head 4, it is necessary that the bonding head 4 and the eccentric disc are in constant contact. This is achieved in that the bonding head 4 is designed so that it comes into contact with the eccentric disc when approaching the bonding position and finally presses in the bonding position with slight bias against this. At the same time vibrations of the bonding head 4 in the z direction are effectively prevented in this way.
FIG. 3 shows the profile of the z height of the semiconductor chip 1 (dashed line) and of the bonding head 4 (solid line) over the support 9 as a function of the time t. First, the bonding head 4 is lowered to the predetermined height H 0, which he reached at time t 1, wherein the gripper 5 is deflected relative to the bonding head 4, which is referred to as "Overtravel". Already before, at the time t 0, the semiconductor chip 1 bounces on the solder 2. Subsequently, the bonding head 4 rests a predetermined period of time T 12 until the time t 2. During the time period T 0 2, a large part of the solder 2, which is located in the gap between the semiconductor chip 1 and the substrate 3, flows out of the gap and collects laterally of the semiconductor chip 1.
This process is usually jerky, i. the semiconductor chip 1 comes first on the hot solder 2 to the support, heats up, and then lowers rapidly, because suddenly almost all Lot 2 flows out of the gap. Only now is the semiconductor chip 1 in a largely independent of the original shape of the solder 2 and reproducible position, namely only a few microns above the substrate 3. Once this position has been reached, the gripper 5 at time t 2 with the jaws. 8 clamped and raised the bonding head 4 by the distance H 1. During the subsequent period T 34, optionally, the bonding head 4 is moved up and down, wherein the amplitude A of the up and down movement typically corresponds approximately to the distance H 1.
The frequency of the up and down movement is typically 50 Hz to 250 Hz, but can also be up to 500 or 800 Hz. The number of up and down movements is only 2 to 5 depending on the frequency or some 10 at higher frequencies. It is also possible to reduce the amplitude A with increasing number of up and down movements. After completion of the up and down movement of the bonding head 4, the vacuum is released at time t 4 and finally driven away at time t 5, the bonding head 4.
In this embodiment, the steps c and d thus take place as follows: c) lowering the bonding head 4 to a predetermined height above the support 9, wherein the height is predetermined so that the gripper 5 holding the semiconductor chip 1 is deflected relative to the bonding head 4; and d) fixing the gripper 5 to the bonding head 4 and lifting the bonding head 4 by the predetermined distance H 1;
The chronological sequence of steps e and f can on the one hand be provided in such a way that, after releasing the vacuum at time t 4, a predetermined period of time T 45 is initially maintained and only then is the bonding head 4 moved away. The period of time T 45 is to be dimensioned such that the bonding head 4 dissolves easily from the semiconductor chip 1 when driving away. On the other hand, it is also possible to provide a sensor which measures the strength of the vacuum and moves the bonding head 4 away as soon as the vacuum falls below a predetermined value at time t 5.
An advantageous solution which allows a quick release of the vacuum at the tip of the gripper 5 is to provide above the tip of the gripper 5 a bore 10 (Figure 1C) which provides a controlled leak. The leak should be small enough for the gripper 5 to grasp and transport the semiconductor chip 1 when vacuum is applied, and large enough for the bore 7 at the tip of the gripper 5 to move immediately, i. within a few milliseconds, fills with the surrounding protective gas in the environment when the connection to the vacuum source is interrupted. It is then possible to release the vacuum immediately before the semiconductor chip has reached the height H 0 + H 1, so that the mechanical guidance of the semiconductor chip 1 when reaching about the height H 0 + H 1 is terminated by the gripper 5 and the bonding head 4 without stopping (ie
T 45 = 0) can drive away.
It has been shown that it can be advantageous to reduce the impact velocity of the semiconductor chip 1 to the solder 2, so that the displaced solder 2 accumulates as close as possible next to the semiconductor chip 1, and the semiconductor chip 1 for at least once, preferably several times, on and to move off. Namely, the up and down movement of the semiconductor chip 1 promotes the complete wetting and covering of the rear side of the semiconductor chip 1 with solder 2 or the formation of the soldering space 2 a completely running around the semiconductor chip 1.
Instead of the jaws 8, other means may be provided to lock the gripper 5 on the bonding head 4. The gripper 5 can be pressed against the bonding head 4, for example, by means of a lever that can be actuated by an electromagnet and is rotatable about an axis, or fixed to the bonding head 4 by means of a vacuum.
Instead of locking the gripper 5 on the bondhead 4 and lifting the bondhead 4 by the distance H 1, a solution can also be provided in which the gripper 5 is raised relative to the bondhead 4 by the distance H 1.
FIG. 4 shows a second embodiment of a device suitable for carrying out the method. In this device, a sensor 11 is present instead of the jaws 8 (FIG. 1A). The sensor 11 consists of a switch formed by two electrical contacts. The one electrical contact is located on the bonding head 4, the other on the gripper 5. In the normal state, i. when the gripper 5 is not deflected relative to the bonding head 4, the two contacts touch: the switch is closed. When lowering the bonding head 4 during step c, the switch opens as soon as the gripper 5 is deflected relative to the bonding head 4.
By means of suitable electronic means, when the bonding head 4 is raised during step d, the time tc at which the switch closes again is determined, the height H 2 of the bonding head 4 determined at this time tc, and the bonding head 4 raised to the height H 3 = H 2 + H 1 raised. Closing the switch means that the gripper 5 is no longer deflected relative to the bondhead 4 and the movement of the bondhead 4 from the height H 2 to the height H 3 = H 2 + H 1 follows. The distance H 1 corresponds approximately to the desired layer thickness of the solder 2. The gripper 5 thus sets the distance H 1 back. FIG. 4 shows the device in the state after method step d.
With the sensor 11 can also be checked whether the gripper 5 jammed on the bonding head 4. This is the case when the two contacts of the sensor 11 remain either always open or always closed.
As already described in the first exemplary embodiment, an upward and downward movement of the bondhead 4 with the gripper 5 can also take place here after the step d and can also wait here for a predetermined period of time after the release of the vacuum in step e and only then the bondhead 4 can be moved away or the driving away of the bonding head 4 in step f can only take place when the semiconductor chip 1 holding vacuum drops below a predetermined value. In this case, the closing of the contacts of the sensor 11 to trigger the time at which the vacuum is to be solved, can be used.
FIG. 5 a shows a semiconductor chip 1 of good quality, assembled according to the method according to the invention, in which the solder has formed beautiful meniscuses 12 and which is aligned parallel to the surface of the substrate 3, whose vertexness is therefore zero. For comparison, FIG. 5b shows a mounted semiconductor chip 1 of inferior quality, which is mounted obliquely: the solder layer 2 'is of different thickness, the wedging, represented by the angle? , is not null.
FIG. 6 shows a further possibility for the course of the z-height of the semiconductor chip 1 (dashed line) and of the bonding head 4 (solid line) over the support 9 as a function of the time t. Here, the bonding head 4 is lowered to the height H 0, the gripper 5 immediately upon reaching the height H 0, i. already clamped at about time t 1, and, as soon as the gripper 5 is fixed to the bonding head 4, the bonding head 4 is raised to a height H 0 + H 4 before the solder 2 flows away from the gap between the semiconductor chip 1 and the substrate 3 and the sudden drop of the semiconductor chip 1 take place. In this process, the Lotportion 2 is indeed deformed, the uncontrolled flow away of the solder 2 from the gap but does not take place.
The distance H 4 is determined according to the extent of the deflection of the gripper 5 relative to the bonding head 4 and the thickness of the solder layer to be achieved.
For certain material pairings Lot 2 - substrate 3, it is possible to drive the bondhead 4 directly without the up and down movement. It is then advantageous to release the vacuum already before reaching the height H 0 + H 4, so that the bonding head 4 can move away without dwelling at the height H 0 + H 4. Advantageously, the strength of the vacuum is regulated and the gripper 5 is provided with the bore 10 serving as a controlled leak, so that the time span tau, which elapses from stopping the vacuum until the semiconductor chip 1 is released from the gripper 5, is reproducible. The vacuum can then be solved according to the trajectory of the bonding head 4 by this period of time tau before reaching the height H 0 + H 4. Even with this movement, the semiconductor chip 1 is mechanically guided until reaching the predetermined height H 0 + H 4.
For other material pairings Lot 2 - substrate 3, it is better to still move the bondhead 4 after reaching the height H 0 + H 4 up and down.
The inventive method gives excellent solder joints when the semiconductor chip is mounted on a flattened Lotportion (see EP 852 983), whose linear dimensions are slightly larger than the linear dimensions of the semiconductor chip. But the inventive method also gives very good solder joints when the semiconductor chip is mounted on a drop-shaped Lotportion. The various parameters of the method according to the invention allow an optimal adaptation of the movement sequence of the semiconductor chip to the conditions dictated by the material combination of the solder substrate.
The mechanically controlled movement of the semiconductor chip until it reaches its end position with a stably formed solder layer allows lower process temperatures, i. that the substrate and the solder need only be heated by a few DEG C above the melting temperature of the solder. In the previously known methods, process temperatures are required which are 50 or 80 ° C. above the melting temperature of the solder, so that the solder flows back.