DE10151657C1 - Verfahren zur Montage eines Chips auf einem Substrat - Google Patents

Verfahren zur Montage eines Chips auf einem Substrat

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Abstract

Bei einem Verfahren zur Montage eines Chips (1) auf einem Substrat (2) werden Klebemittelpunkte (8) aus Leitklebstoff auf chipseitige oder substratseitige Kontakte (6, 7) aufgebracht. Sodann wird ein Klebemittelfleck aus nichtleitendem Klebstoff (10) auf einen Bereich (9) des Chips oder Substrats zwischen den Kontakten (6, 7) aufgebracht. Der Chip (1) und das Substrat (2) werden unter kurzfristiger Druckeinwirkung zusammengefügt. Sodann erfolgt das Aushärtenlassen der Klebstoffe ohne Druckeinwirkung.

Description

Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit einem Verfahren zur Montage eines Chips auf einem Substrat. Insbesondere be­ faßt sich die Erfindung mit einem neuartigen Flipchipmonta­ geverfahren.
Es sind eine Vielzahl von Verfahren zur Verbindung von Chips mit einem Substrat bekannt, bei denen sowohl der Chip mecha­ nisch auf dem Substrat montiert wird als auch eine elektri­ sche Kontaktierung zwischen chipseitigen Kontakten und sub­ stratseitigen Kontakten hergestellt wird.
Unter den verschiedenen bekannten Verbindungstechniken zeichnet sich das Flipchipverfahren, bei dem der Chip mit seiner aktiven Seite nach unten auf die korrespondierenden Anschlußflächen des Substrats montiert wird, durch eine Rei­ he von Vorteilen aus. Sämtliche Kontakte zwischen Chip und Substrat werden simultan hergestellt. Der Platzbedarf ent­ spricht der Chipgröße. Es muß keine separate Chipmontage (Diebond) durchgeführt werden.
Im allgemeinen werden für das Flipchipverfahren die An­ schlußflächen des Halbleiterbauelements oder Chips mit soge­ nannten Bumps versehen. Für die weitverbreitete Lötmontage werden die Anschlußflächen mit Lotkugeln versehen. Diese werden bei der Montage aufgeschmolzen und mit Substratkon­ takten verlötet. Aus Zuverlässigkeitsgründen muß nach dem Lötvorgang der Spalt zwischen Substrat und Chip mit einer Vergußmasse (underfiller) aufgefüllt werden.
Neben dieser Lötmontage werden aus Kostengründen in zuneh­ mendem Maße Flipchiptechniken auf der Basis von Klebstoffen eingesetzt. Hier werden drei verschiedene Verfahren in der Literatur unterschieden.
Ein erstes Verfahren ist die Flipchip-Technologie mit Leit­ kleber und underfiller (Vergußmasse). Bei diesem Verfahren wird Leitklebstoff auf die ICs durch Dippen (oberflächliches Eintauchen) aufgebracht. Hierfür werden Bumps mit einer Höhe von mindestens 50 µm benötigt, um ein vollständiges Benetzen der Chipoberfläche beim Dippen zu vermeiden. Durch Aushärten des gedippten Klebstoffes unter Druck und Temperatur werden die Bumps des Bauteils bzw. Chips und die Kontaktflächen des Substrats mechanisch und elektrisch miteinander verbunden. Wie auch bei der Lötmontage muß aus Zuverlässigkeitsgründen der Spalt zwischen Bauteil und Substrat durch einen under­ filler ausgefüllt werden.
Ein zweites Verfahren ist eine Flipchip-Technologie mit ani­ sotrop leitfähigen Klebstoffen, welche auch als ACA (Aniso­ tropic Conductive Adhesive) bezeichnet werden. Bei diesem Verfahren wird der elektrische Kontakt zwischen den Kontakt­ flächen des Chips und den Kontaktflächen des Substrats durch vollmetallische oder metallisierte Kügelchen erzielt, die in dem Klebstoff enthalten sind und die zwischen den Kontakten des Substrats und den Kontakten des Chips oder ICs eingeklemmt sind. Um geringe Kontaktwiderstände zu erhalten, werden hierfür zumeist vergoldete Kugeln verwendet, die in einer Klebstoffmatrix in Form eines Filmes oder einer Paste dispergiert sind. Für eine sichere elektrische Verbindung ist während der Aushärtung der Polymermatrix des Klebstoffes eine definierte Andruckkraft notwendig, um die Goldkügelchen oder vergoldeten Kügelchen zwischen den Kontakten bzw. Anschlußpads auf dem Substrat und dem Chip einzuklemmen.
Ein drittes Verfahren ist die Flipchip-Technologie mit nichtleitfähigem Klebstoff (NCA = Non Conductive Adhesive). Bei diesem Fertigungsverfahren wird der elektrische Kontakt nicht durch feinverteilte Goldkügelchen in einer Polymerma­ trix geschaffen, sondern durch die elektrische Verbindung allein über einen Druckkontakt zwischen den Anschlußflächen des Chips und des Substrates. Um hier eine elektrische Ver­ bindung zu gewährleisten, müssen sehr viel höhere Andruck­ kräfte als bei der ACA-Technologie, d. h. der Flipchip-Tech­ nologie mit anisotrop leitfähigem Klebstoff, eingesetzt wer­ den. Außerdem sollte bei dieser Technologie ein Kontaktpad aus einem leicht zu verformenden Bumpmaterial, wie bei­ spielsweise Gold, verwendet werden, damit das entgegenge­ setzte, härtere Pad mit seiner Oberflächentopographie in das weichere Material eindringen kann, um auf diese Weise eine mechanisch-elektrische Verbindung zu erzielen.
Nachteilig bei der üblichen Flipchip-Technologie mit Kleb­ stoffen ist, daß während des Auspolymerisierens des Kleb­ stoffs ein definierter Druck auf den Montageaufbau aufge­ bracht werden muß, um einen sichere Kontaktierung der An­ schlußflächen des Chips mit den Anschlußflächen des Sub­ strats zu erzielen. Um den Chip bzw. IC mit Druck zu beauf­ schlagen und gleichzeitig das Aushärten des Klebstoffs zu beschleunigen, werden häufig sogenannte Thermoden einge­ setzt. Selbst bei hohen Aushärtetemperaturen liegen die mi­ nimal notwendigen Härtungszeiten im Minutenbereich. Bei den quasi kontinuierlich laufenden Bestückungsanlagen beschränkt dieser Prozeßschritt den Durchsatz, der wiederum nur mit sehr aufwendigen parallelen Thermodenanordnungen angehoben werden kann. Im Falle einer Rolle-Zu-Rolle-Produktion, bei der Substrate auf einer folienartigen Substratträgerbahn in der Art eines Endlossubstrates angeordnet sind, müssen die Thermoden ständig in Bandrichtung nachgeführt werden, wobei sequenziell nur eine bestimmte Anzahl von Chips abgearbeitet werden kann. Für die Fertigung ist das Aushärten durch Er­ wärmen unter gleichzeitiger Beaufschlagung mit Druck sowohl von der Fertigungstechnik her als auch von der erforderli­ chen Zeit her aufwendig und für eine Fertigung mit hohen Stückzahlen ungünstig.
Aus der DE 42 42 408 C2 ist es bekannt, photoempfindliches Harz, das leitende Teilchen enthält, zunächst ganzflächig auf einen Chip aufzubringen und danach so zu strukturieren, daß lediglich auf den Elektroden Harz und leitende Teilchen verbleiben. Der so beschichtete Chip wird an einem Schalt­ kreissubstrat befestigt.
Aus der WO 00/57467 A1 ist es bekannt, zum Zwecke der Mon­ tage von Flip-Chips in Chipkarten auf den Elektroden des Chips aus leitendem Klebstoff Erhebungen zu bilden und zwi­ schen diese Erhebungen zur Verstärkung ein isolierendes Ma­ terial einzubringen.
Aus der DE 35 33 159 A1 ist ein Verfahren zum Verkapseln von auf einem Trägerband montierten Bauelementen bekannt. Bei diesem Verfahren wird ein mit Klebstoff beschichtetes Film­ material zu einer becherförmigen Struktur gebildet, die in eine Öffnung eines Trägerbandes so plaziert wird, daß sich deren Ränder unter einen Leiterhalter erstrecken und durch Pressen und Erwärmen mit diesem verbunden werden, woraufhin die Formschicht und eine Schutzschicht durch Wärmebehandlung ausgehärtet werden.
Aus der US 6,100,597 ist ein Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung bekannt, bei dem ein Halbleiterchip auf einem thermoplastischen Film angeordnet wird und auf ei­ ne Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes des thermoplasti­ schen Filmes erwärmt wird, woraufhin der Halbleiterchip ge­ gen eine Schaltungsplatine gepresst wird, so daß der thermo­ plastische Film erwärmt wird und schmilzt. Beim Abkühlen des thermoplastischen Films wird der Halbleiterchip gegen die Schaltungsplatine gepresst. Elektrische Verbindungen werden durch Lot hergestellt.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein vereinfachtes Verfahren zur Montage eines Chips auf einem Substrat bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Patentanspruch 1 gelöst.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß auf das im Stand der Technik als erforderlich angesehene Einwirken ei­ nes Drucks auf den Chip gegenüber dem Substrat während der gesamten Zeit bis zum Aushärten des Klebstoffes verzichtet werden kann, wenn Klebemittelpunkte aus Leitklebstoff auf die chipseitigen oder substratseitigen Kontakte und ein Kle­ bemittelfleck aus nichtleitendem Klebstoff auf einen Bereich zwischen den Kontakten aufgebracht wird und der Chip mit dem Substrat unter kurzfristiger Druckeinwirkung zusammengefügt wird, woraufhin allein die sich dann einstellenden Kapillar­ kräfte der unterschiedlichen Klebstoffe ausreichen, um eine Fixierung des Chips gegenüber dem Substrat bis zum Aushär­ tenlassen der Klebstoffe zu erreichen.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich bevorzugt in der Form des sogenannten Flipchip-Verfahrens, bei dem der Chip mit seiner aktiven Seite dem Substrat zugewandt auf diesem montiert wird.
Da es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren im Gegensatz zu bekannten Flipchip-Technologien mit leitfähigen Klebstoffen nicht länger erforderlich ist, während der Gesamtdauer des Aushärtenlassens des Klebstoffs Druck auf den Chip auszu­ üben, eignet sich das erfindugsgemäße Verfahren bevorzugt zur Erhöhung des Durchsatzes bei dem sogenannten Rolle-Zu- Rolle-Verfahren.
Wenn bei diesem Rolle-Zu-Rolle-Verfahren die Substratträger­ bahn aus einer Folienbahn besteht, kann ein einstellbarer niedriger Anpressdruck, der allein durch den Folienwickel bewirkt wird, die durch die Kapillarkräfte der Klebstoffe bewerkstelligte Fixierung des Chips gegenüber dem Substrat unterstützen.
Vorzugsweise wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die kurzfristige Druckeinwirkung so gewählt, daß sich eine defi­ nierte Klebefuge aus nichtleitendem Klebstoff zwischen dem Chip und dem Substrat mit einer Stärke zwischen 1 µm und 30 µm, vorzugsweise zwischen 3 µm und 15 µm ergibt. Bei diesen Klebefugendicken kommt es zu einer besonders wirksamen Sta­ bilisierung des Chips gegenüber dem Substrat, ohne daß es erforderlich wäre, einen zu hohen Druck auf den druckemp­ findlichen Chip ausüben zu müssen.
Bevorzugt bedient sich das erfindungsgemäße Verfahren nicht der vergleichsweisen teuren isotrop leitfähigen Klebstoffe mit einer Klebstoffmatrix und Goldkügelchen, sondern eines einfachen isotrop leitenden Klebstoffes, der beispielsweise ein silbergefüllter Klebstoff sein kann, wie er im Stand der Technik zum Siebdrucken von Leiterbahnen eingesetzt wird. Eine weitere Reduktion des Niveaus des kurzfristigen Drucks bei der Fixierung des Chips auf dem Substrat kann erreicht werden, indem der Klebemittelfleck aus nichtleitfähigem Klebstoff als nicht-geschlossenflächiges Klebemittelmuster, beispielsweise in Form eines sogenannten Schneeflockenklebe­ musters oder Fischgrätklebemusters erzeugt wird.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wird unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeich­ nungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung des sogenannten Rolle- Zu-Rolle-Verfahrens, auf das die Erfindung anwendbar ist;
Fig. 2 eine Querschnittdarstellung eines Chips und eines Substrates bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vor dem Zusammenfügen des Chips und des Substrates; und
Fig. 3 eine Querschnittsdarstellung des Chips und des Sub­ strates nach Fig. 2 nach deren Zusammenfügen.
Wie bereits diskutiert wurde, eignet sich das erfindungs­ gemäße Verfahren zur Montage eines Chips 1 auf einem Sub­ strat 2 bei einem sogenannten Rolle-Zu-Rolle-Verfahren, wel­ ches in Fig. 1 schematisch gezeigt ist. Bei diesem Verfahren ist eine Vielzahl von Substraten 2 auf einer Substratträger­ bahn 3 in Form einer Kunststoffolie aufgebracht, welche zu einem Vorratswickel 4 aufgerollt ist. Von diesem Vorrats­ wickel 4 wird die Substratträgerbahn 3 mit darauf angeord­ neten Substraten 2 in einen Arbeitsbereich 5 abgezogen, bei dem in noch näher zu erläuternder Weise der Chip 1 mit dem Substrat 2 in Flipchipmontagetechnik verbunden wird.
Wie insbesondere unter Bezugnahme auf die Fig. 2 und 3 zu erkennen ist, verfügt der Chip 1 über chipseitige Kontakte 6, während das Substrat über substratseitige Kontakte 7 ver­ fügt. Die sogenannte aktive Seite 11 des Chips 1 ist bei dieser Flipchipmontagetechnik dem Substrat 2 zugewandt.
Auf die substratseitigen Kontakte 7 werden Klebemittelpunkte 8 aus Leitklebstoff aufgebracht. Auf den Bereich 9 des Chips 2 zwischen dessen Kontakte 7 wird ein Klebemittelfleck 10 aus einem nichtleitenden Klebstoff aufgebracht. Sowohl die Klebemittelpunkte 8 aus Leitklebstoff wie auch der Klebemit­ telfleck 10 aus nichtleitendem Klebstoff können auch auf die korrespondierenden gegenüberliegenden Bereiche des Chips 1 aufgebracht werden.
Als Leitkleber kann üblicher isotropleitender Klebstoff ver­ wendet werden, wie er zum Siebdrucken von Leiterbahnen ein­ gesetzt wird. Hier kommt insbesondere silbergefüllter Kleb­ stoff in Betracht. Als nichtleitender Klebstoff wird bevor­ zugt ein üblicher Diebondklebstoff eingesetzt.
Beim Zusammenfügen des Chips 1 mit dem Substrat 2 ist die kurzfristige Einwirkung eines Drucks D erforderlich, wie dies in Fig. 3 versinnbildlicht wird. Die Druckeinwirkung ist bevorzugt kurzzeitig in einem Bereich von etwas unter einer Sekunde. Die Höhe des Drucks wird so gewählt, daß eine definierte Endlage des Chips 1 gegenüber dem Substrat 2 er­ zielt wird, wie dies in Fig. 3 zu sehen ist. Die Endlage des Chips 1 gegenüber dem Substrat 2 ist unter anderem durch die Dicke der Klebefuge definiert und liegt im Bereich zwischen 1 µm und 40 µm, vorzugsweise im Bereich zwischen 3 µm und 15 µm. Die Klebefuge des nichtleitfähigen Klebers 10 mit der bevorzugten Dicke von 3 µm bis 15 µm bewirkt einen Aufbau von Kapillarkräften, durch die der Chip 1 gegenüber dem Sub­ strat 2 fixiert bleibt, so daß während des anschließenden Aushärtevorganges kein zusätzliches Einwirken von externen Kräften zur Stabilisierung der Klebverbindung erforderlich ist. Der Aushärteprozeß kann in einem Durchlaufofen be­ schleunigt werden.
Durch die Form des Klebstoffauftrags mit Klebemittelpunkten 8 aus leitfähigem Klebstoff und einem dazwischenliegenden Klebemittelfleck 10 aus nichtleitfähigem Klebstoff wird eine Trennung zwischen leitenden und nichtleitenden Bereichen er­ zielt.
Der Aufbau einer definiert dicken Klebemittelfuge aufgrund des Klebemittelflecks 10 wird durch ein nicht-geschlossen­ flächiges Klebemittelmuster unterstützt. Als Klebemittelmus­ ter kommen sogenannte Schneeflockenmuster oder Fischgrätmus­ ter in Betracht.
Die Strukturauflösung, die mit der erfindungsgemäßen Methode erreicht werden kann, hängt von der verwendeten Auftrags­ technik und den verwendeten Klebstoffmaterialien ab. Auf­ grund der gegenwärtig üblichen Dosierverfahren wird man das erfindungsgemäße Verfahren bevorzugt für die Montage von Chips mit wenigen Anschlußkontakten einsetzen.
Neben der beschriebenen drucklosen Aushärtung bietet das er­ findungsgemäße Verfahren weitere Vorteile, nämlich niedrige­ re und stabilere Kontaktwiderstände verglichen mit den Kon­ taktwiderständen, die bei Flipchiptechnik mit anisotrop leitfähigen Klebstoffen erreicht werden können. Es wird eine Kostenreduktion erzielt, da die Chips nicht mit hohen Bumps versehen sein müssen.
Eine weitere Kostenreduktion wird durch die Verwendung kos­ tengünstiger isotrop leitender Klebstoffe anstelle der im Stand der Technik erforderlichen anisotropen Klebstoffe er­ reicht.
Nach dem Zusammenfügen des Chips 1 mit dem Substrat 2, wie es unter Bezugnahme auf Fig. 1 und 2 beschrieben wurde, können noch vor dem Aushärten der Klebstoffe die Substrat­ trägerbahn 3 zusammen mit dem Substrat 2 und dem Chip 1 un­ ter vorbestimmbarer Folienspannung auf einen Ausgangswickel 12 aufgerollt werden. Die Folienspannung innerhalb des Aus­ gangswickels 12 definiert den möglichen geringfügigen Zu­ satzdruck, mit dem der Chip 1 während der Aushärtungsphase der Klebstoffe gegen das Substrat 2 angedrückt wird. Für den Fachmann ist es offenkundig, daß dieser zusätzliche Anpress­ druck beim erfindungsgemäßen Verfahren nicht über den zeit­ lichen und herstellungstechnischen Aufwand von beweglichen Thermoden erkauft werden mußten, wie dies im Stand der Tech­ nik der Fall ist.

Claims (9)

1. Verfahren zur Montage eines Chips mit chipseitigen Kon­ takten auf einem Substrat mit substratseitigen Kontakten, mit folgenden Schritten:
  • - Aufbringen von Klebemittelpunkten (8) aus Leitkleb­ stoff auf die chipseitigen und/oder die substratseiti­ gen Kontakte (6, 7);
  • - Aufbringen eines Klebemittelflecks (10) aus nichtlei­ tendem Klebstoff auf einen Bereich (9) des Chips (2) und/oder des Substrats (1), der sich zwischen dessen Kontakten (6, 7) befindet;
  • - Zusammenfügen des Chips (1) und des Substrats (2) unter kurzfristiger Druckeinwirkung;
  • - Aushärtenlassen der Klebstoffe ohne Druckeinwirkung oder unter einem verglichen mit dem Druck der kurzfri­ stigen Druckeinwirkung geringen Druck.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Chip (1) mit sei­ ner aktiven Seite (11) dem Substrat (2) zugewandt auf diesem montiert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem eine Vielzahl von Chips (1) mit einer Vielzahl von Substraten (2) in einem sogenannten Rolle-Zu-Rolle-Verfahren verbunden wird, bei welchem
reine Substratträgerbahn (3) mit einer Vielzahl von Sub­ straten (2) von einer ersten Substratträgerbahnrolle (4) abgezogen wird;
die Chips (1) auf die Substrate (2) eines abgerollten Substratträgerbahnabschnitts aufgebracht werden; und
die Substratträgerbahn (3) mit den auf die Substrate (2) aufgebrachten Chips (1) zu einer zweiten Substrat­ trägerbahnrolle (12) zusammengerollt wird, bevor das Aushärtenlassen der Klebstoffe erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die Substratträgerbahn (3) eine Folienbahn ist und bei dem der geringe Druck, der während des Aushärtenlassens einwirkt, durch die Fo­ lienspannung eingestellt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Dauer und Höhe der kurzfristigen Druckeinwirkung so ge­ wählt sind, daß sich zwischen dem Chip (1) und dem Subs­ trat (2) eine Dicke einer Klebefuge (10) aus nichtleiten­ dem Klebstoff zwischen 1 µm und 40 µm ergibt.
6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die Dauer und Höhe der kurzfristigen Druckeinwirkung so gewählt sind, daß sich zwischen Chip (1) und Substrat (2) eine Dicke der Klebe­ fuge aus nichtleitendem Klebstoff zwischen 3 µm und 15 µm ergibt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem der Leitklebstoff ein isotropleitender Klebstoff ist.
8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem der isotropleitende Klebstoff ein silbergefüllter Klebstoff ist.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem der Klebemittelfleck (10) aus nichtleitendem Klebstoff als nicht-geschlossenflächiges Klebemittelmuster aufgetragen wird.
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