DE102005029407A1 - Verfahren und Vorrichtung zum dauerhaften Verbinden integrierter Schaltungen mit einem Substrat - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum dauerhaften Verbinden integrierter Schaltungen mit einem Substrat Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum dauerhaften Verbinden von integrierten Schaltungen (1) mit mindestens einem darunter angeordneten Substrat (2) mittels eines dazwischen und bezüglich den integrierten Schaltungen (1) randseitig angeordneten Klebstoffes (3), wobei zur Aushärtung des Klebstoffes (3) Licht (19) mit einer aus einem Wellenlängenbereich von 280-900 nm ausgewählten Wellenlänge auf die Anordnung aus dem Substrat (2) und einer der integrierten Schaltungen (1) ober- oder/und unterseitig eingestrahlt wird, um den Klebstoff (3) zu polymerisieren.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum dauerhaften Verbinden von integrierten Schaltungen mit mindestens einem darunter angeordneten Substrat mittels eines dazwischen und bezüglich der integrierten Schaltungen randseitig angeordneten Klebstoffes gemäß den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 7.
  • Bisher werden in der halbleiterverarbeitenden Industrie verschiedene Verbindungsverfahren zum dauerhaften Verbinden von so genannten integrierten Schaltungen (IC) mit der Oberfläche eines Substrates angewendet. Beispielsweise werden als Verbindungsmittel zwischen den integrierten Schaltungen und dem Substrat Lote, die erhitzt werden, verwendet. Alternativ können eutektische Verbindungstechniken angewendet werden.
  • Die – auch aufgrund der geringen Abmessungen integrierter Schaltungen – bevorzugte Verbindungsart ist das Anordnen von Klebstoffen oder Pasten zwischen Unterseiten von integrierten Schaltungen und Oberseiten eines Substrates, welches auch bandartig ausgebildet sein kann, wobei derartige Klebstoffe und Pasten mittels zugeführter Wärmeenergie ausgehärtet werden.
  • Derartige unter Zuführung von Wärme aushärtbare Klebstoffe bewirken durch die Übertragung der Wärmeenergie auf die beteiligten Bauteile verschiedenartige Beeinträchtigungen dieser Bauteile, wie beispielsweise mechanische Spannungen an den Oberflächen der integ rierten Schaltungen und des Substrates, die zu deren Verformung beitragen können. Ebenso ist die Beeinträchtigung der Funktionsweise der integrierten Schaltungen durch unkontrollierte Wärmezufuhr denkbar.
  • Zudem ergibt sich nachweislich durch eine derartige Wärmezufuhr eine Herabsetzung der Langzeitstabilität und Langzeitqualität hinsichtlich der Funktionsweise der integrierten Schaltungen.
    •
  • Demzufolge liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum dauerhaften Verbindung von integrierten Schaltungen mit einem darunter angeordneten Substrat mittels Klebstoff zur Verfügung zu stellen, bei dem/der eine Beeinträchtigung der beteiligten Bauteile aufgrund von Wärmezufuhr vermieden werden kann.
  • Diese Aufgabe wird verfahrensseitig durch die Merkmale des Patentanspruches 1 und vorrichtungsseitig durch die Merkmale des Patentanspruches 7 gelöst.
  • Der Kerngedanke der Erfindung liegt darin, dass bei einem Verfahren zum dauerhaften Verbinden von integrierten Schaltungen mit mindestens einem darunter angeordneten Substrat mittels eines dazwischen und bezüglich den integrierten Schaltungen randseitig angeordneten Klebstoffes Licht mit einer aus einem Wellenlängenbereichen von 280–900 nm ausgewählten Wellenlänge auf die Anordnung aus dem Substrat und einer der integrierten Schaltungen ober- oder/und unterseitig zur Aushärtung des Klebstoffes eingestrahlt wird, um dadurch den Klebstoff zu polymerisieren. Eine derartige Lichteinstrahlung ermöglicht das Vermeiden einer Wärmezufuhr und somit die Bildung von mechanischen Spannungszuständen und Oberflächenverformungen der integrierten Schaltungen oder des Substrates. Vielmehr wird durch eine geeignete Dosierung eines Anteils an optischen Aktivatoren innerhalb der polymerisierbaren Klebstoffes eine Verbindungsart geschaffen, die zu keiner Polymerisierung, also zu keiner Aushärtung des Klebstoffes bei Tageslicht-, Raumlicht- und/oder Herstellungsprozesslichteinstrahlung führt. Eine derartige Polymerisierung findet erst bei einer Lichteinstrahlung mit der vorbestimmbaren Wellenlänge und einer vorbestimmbaren Lichtmenge und über eine vorbestimmbare Zeitspanne statt.
  • Die polymerisierende Lichteinstrahlung zur Aushärtung des Klebstoffes weist eine Lichtmenge von mindestens 5, vorzugsweise von mindestens 100 Lumensekunden auf und wird in nerhalb einer Zeitspanne von 0,1 bis 50 Sekunden, bevorzugt innerhalb von 8–20 Sekunden angewendet. Erst bei Verwendung einer derartigen Mindestlichtmenge über eine derartige Mindestzeitspanne zur Lichteinstrahlung und einer bestimmten Wellenlänge, die vorzugsweise im UV-Wellenlängenbereich oder UV-wellenlängennahen Bereich, wird eine Aktivierung der optischen Aktivatoren innerhalb der Klebstoffes und damit eine Polymerisierung des Klebstoffes erreicht.
  • Die eigentliche Polymerisation des Klebstoffes findet kettenreaktionsartig nach Einstrahlung der Mindestlichtmenge statt, wobei während dieses Polymerisationsvorganges zur vollständigen Aushärtung des Klebstoffes die Einstrahlung der Mindestlichtmenge aufrechterhalten wird. Hierbei bilden die angegebenen bevorzugten Zeitspannen von 10–20 Sekunden diejenige Zeitdauer, deren Beginn bei schlagartig beginnender Polymerisation ab Einstrahlung der Mindestlichtmenge und deren Ende bei Abschluss des kettenreaktionsartig verlaufenden Polymerisationsvorganges liegen.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird die Wellenlänge aus einem Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichtes, nämlich einem Bereich von 400 nm bis 750 nm, mit UV- und/oder UV-nahen Wellenlängenanteilen ausgewählt.
  • Als Vorrichtung zur Schaffung einer derartigen dauerhaften Verbindung von integrierten Schaltungen mit einem darunter liegenden Substrat wird eine so genannte optotrodenartige Lichtquelle zum flächenhaften Verteilen von durch die Lichtquelle ausgesandten Lichtstrahlen bezüglich Ebenen des Substrates und/oder der integrierten Schaltungen verwendet, um eine gleichmäßige und effektive Aushärtung des Klebstoffes zu bewirken. Hierbei ist eine derartige Lichteinstrahlungs- beziehungsweise Optotrodeneinrichtung oberhalb einer Oberseite der integrierten Schaltung oder unterhalb einer Unterseite des Substrates angeordnet und grenzt an diese an.
  • Eine derartige Optotrodeneinrichtung ermöglicht ein abstandsgeringes beziehungsweise nahes Anordnen der Lichtquelle oder Lichtquellen unter gleichzeitiger Flächenverteilung der ausgesandten Lichtstrahlen gegenüber der Ebene des Substrates und der integrierten Schaltungen. Hierdurch wird das Einstrahlen des Lichtes mit der vorbestimmten Mindestlichtmenge erreicht, da bei einer Vergrößerung des Abstandes zwischen der Lichtquelle und den Klebstoffflächen eine Verringerung der einfallenden Lichtmenge und somit keine Polymerisa tion erhalten wird. Beispielsweise liegt bei einer Verdopplung des Abstandes zwischen der Lichtquelle und des Klebstoffes eine Verteilung der Lichtmenge auf eine vierfache Empfangsfläche und somit nur ein Viertel der geforderten Mindestlichtmenge vor.
  • Eine derartige Optotrodeneinrichtung zeichnet sich durch ein die Lichtquelle umhüllendes Gehäuse mit lichtreflektierenden Innenwänden mit Ausnahme einer zur Klebstofffläche hingewandten lichttransparenten Wand aus. Demzufolge sind bei Vorliegen eines beispielsweise rechteckförmigen Gehäuses sowohl die Seitenwände als auch die Rückwand lichtreflektierend innenseitig ausgebildet und die zur Klebstofffläche, also zu dem Substrat und/oder der integrierten Schaltung hingewandte lichtdurchlässige Wand, beispielsweise aus Glas, gestaltet. Hierdurch wird eine Reflektion der rückseitig und seitlich abgestrahlten Lichtstrahlen der Lichtquelle zu der lichttransparenten vorderseitigen Wand erreicht. Auf diese Weise entsteht eine Erhöhung der auf die Klebstofffläche übertragenen Lichtmenge.
  • Die lichttransparente Wand ist entweder die Unterseite des Gehäuses, wenn die Optotrodeneinrichtung oberhalb der Oberseite der integrierten Schaltung angeordnet ist, oder die Oberseite des Gehäuses, wenn dieses unterhalb des Substrates angeordnet ist. Im letzteren Fall muss das Substrat aus einem lichttransparenten Material bestehen, da ansonsten kein Lichteinfall auf den Klebstoff, welcher zwischen der oberseitigen Substratoberfläche und der darauf angeordneten integrierten Schaltung angeordnet ist, möglich ist.
  • Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
    •
  • Vorteile und Zweckmäßigkeiten sind der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung zu entnehmen. Hierbei zeigen:
  • 1 in einer schematischen Seitendarstellung die Anordnung einer integrierten Schaltung auf einem Substrat, die mit einem Verfahren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung verbunden sind;
  • 2 in einer schematischen Seitenansicht eine weitere integrierte Schaltung auf einem Substrat, die mit dem Verfahren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung verbunden sind;
  • 3 in einem Diagramm die zeitliche Verteilung der in dem erfindungsgemäßen Verfahren angewendeten Lichtmenge und stattfindenden Polymerisation;
  • 4 in einer perspektivischen schematischen Darstellung die Verteilung einer von einer Lichtquelle ausgesandten Lichtmenge auf verschiedene Flächen in Abhängigkeit vom Abstand;
  • 5 in einer perspektivischen Seitenansicht eine Vorrichtung zum dauerhaften Verbinden gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung und
  • 6 in einer schematischen Seitenansicht eine Vorrichtung zum Verbinden gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
  • In 1 wird in einer schematischen Seitenansicht eine integrierte Schaltung 1 mit einem Substrat 2 dargestellt, welche mittels eines Klebstoffes 3, der erfindungsgemäß durch Polymerisation aushärtbar ist, verbunden sind.
  • Zwischen der integrierten Schaltung 1, die ein Halbleiterbauelement beliebiger Art, wie beispielsweise einen Chip, darstellen kann, und dem Substrat 2 sind Chipanschlüsse (4a, 4b) angeordnet, die durch den verbindenden Klebstoff eine dauerhafte Kontaktierung mit weiteren Elementen, wie beispielsweise eine hier nicht näher dargestellte auf der Oberfläche der Substrates 2 angeordnete Antenne, erhalten.
  • In 2 wird ebenso eine integrierte Schaltung 1 mit einem darunter liegenden Substrat 2 dargestellt, wobei in diesem Fall in einem Zwischenraum 5 zwischen der integrierten Schaltung 1 und dem Substrat 2 keine Chipanschlüsse beziehungsweise Chipanschlussflächen vorhanden sind. Zusätzlich sind die Klebstoffanteile ebenso wie bei dem in 1 dargestellten Aufbau im Randbereich des Chips derart angeordnet, dass die Seitenflächen des Chips 1 und die Oberfläche des Substrats 2 mit Klebstoffanteilen bedeckt sind. Dies führt zu einer dauerhafteren und qualitativ hochwertigeren Verbindung des Chips 1 mit dem Substrat 2.
  • In 3 wird in einem Diagramm die bei dem erfindungsgemäßen Verbindungsverfahren eingebrachte Lichtmenge und stattgefundene Polymerisation des Klebstoffes sowie deren zeitliche Verteilung dargestellt. Es ist die mittels einer Lichtquelle auf eine Klebstofffläche fallende Lichtmenge 6a, 6b und 6c über die Zeit und zugleich die parallel stattfindende Polymerisation 7a, 7b, 7c und 7d zur Auswertung des Klebstoffes aufgrund der einfallenden Lichtmenge über die Zeit dargestellt.
  • Wie diesem zeitlichen Verlauf der einfallenden Lichtmenge und der stattfindenden Polymerisation deutlich zu entnehmen ist, findet bei ansteigender Lichtmenge 6a solange keine Polymerisation der Klebstoffes gemäß dem Kurvenabschnitt 7a statt, bis eine zur Aktivierung von in den Klebstoffen enthaltenen optischen Aktivatoranteilen erforderliche Lichtmenge von 100 Lumensekunden einfällt. Dann beginnt der Polymerisationsvorgang gemäß dem Kurvenabschnitt 7b schlagartig.
  • Gemäß dem Kurvenabschnitt 7c wird eine gleich bleibend starke Polymerisation erhalten, auch wenn die einfallende Lichtmenge weiter auf einen Wert von 129 Lumensekunden ansteigt. Eine weitergehende Erhöhung der einfallenden Lichtmenge ist nicht notwendig, wie es durch den Kurvenabschnitt 6b dargestellt wird, um die kettenreaktionsartig ablaufende Polymerisation gemäß dem Kurvenabschnitt 7d aufrecht zu erhalten. Vielmehr kann nach einer Zeitdauer von vorzugsweise 10 bis 20 Sekunden seit Beginn der Polymerisation, die auch ungefähr der Zeitdauer gemäß dem Kurvenabschnitt 7a entspricht, die einfallende Lichtmenge gemäß dem Kurvenabschnitt 6c auf Null gesetzt werden, trotzdem die Polymerisation gemäß dem Kurvenabschnitt 7d noch nicht vollständig beendet ist. Die weitergehende Polymerisation findet bis zur vollständigen Aushärtung des Klebstoffes gemäß dem Kurvenabschnitt 7e statt.
  • In 4 wird in einer perspektivischen Darstellung schematisch die Abhängigkeit der einfallenden Lichtmenge von einem Abstand zur Lichtquelle 8 dargestellt. Bei einer Verdopplung des Abstandes zwischen einer Fläche, wie beispielsweise einer Klebstofffläche 9, 10, auf welche Lichtstrahlen 11 einfallen, und der Lichtquelle 8 findet aufgrund der vierfach so großen Fläche 10 gegenüber der Fläche 9 eine Verringerung der einfallenden Lichtmenge am Ort 13 um drei Viertel gegenüber der am Ort 12 einfallenden Lichtmenge statt. Da jedoch eine Mindestmenge an einfallender Lichtmenge zur Herbeiführung eines Polymerisationsbeginnes erforderlich ist, ist eine möglichst geringe Beabstandung der die Lichtstrahlen aus sendenden Lichtquelle gegenüber der Klebstofffläche und somit des Substrates und der integrierten Schaltung erwünscht.
  • Eine derartig geringe Beabstandung zwischen Lichtquelle und dem Klebstoff wird durch eine in den 5 und 6 dargestellte Lichteinstrahlungs- beziehungsweise Optotrodeneinrichtung 14 ermöglicht. Eine derartige Optotrodeneinrichtung umfasst ein Gehäuse 15 mit verspiegelten Innenwänden 16a, 16b und 16c sowie einer lichttransparenten vorderseitigen Wand 17, welche die von einer Lichtquelle 18 ausgesandten Lichtstrahlen 19, die teilweise reflektiert von den Innenwänden 16a, 16b und 16c auf die unterseitig angeordnete lichtdurchlässige Wand 17 treffen, zu den Klebstoffflächen 3 hindurchlässt.
  • Ein derartiges Gehäuse 15 mit der darin angeordneten Lichtquelle 18 ist oberhalb einer Oberseite 1a der zu befestigenden integrierten Schaltung 1 angeordnet. Wiederum sind zwischen der integrierten Schaltung 1 und dem Substrat 2 Chipanschlussflächen 4a, 4b angeordnet. Der Darstellung ist deutlich zu entnehmen, dass die Lichtstrahlen 19 durch eine derartige Optotrodeneinrichtung nicht nur flächenhaft verteilt auf die auch randseitig angeordneten Klebstoffanteile 3 auftreffen, sondern hierdurch auch eine geringe Beabstandung zwischen Lichtquelle 18 und Klebstoffen 3 möglich ist, ohne dass hierbei Lichtmengenanteile verloren gehen. Vielmehr wird die erforderliche Mindestlichtmenge aufrechterhalten, um eine Polymerisation, welche bei einem ausschließlichen Einfall von Tageslicht oder anderweitigem Raumlicht nicht stattfinden darf, zu beginnen.
  • In 6 wird eine Optotrodeneinrichtung gemäß einer weiteren zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Die darin wiedergegebene Optotrodeneinrichtung unterscheidet sich von der in 5 wiedergegebenen Optotrodeneinrichtung darin, dass sie nicht oberhalb der Oberseite 1a der integrierten Schaltung 1, sondern unterhalb einer Unterseite 2a des Substrats 2 angeordnet ist. Gleiche und gleich bedeutende Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
  • Wie ein Vergleich beider in den 5 und 6 dargestellten Optotrodeneinrichtungen zeigt, ist bei der in 6 dargestellten Optotrodeneinrichtung ein Substrat 2 aus lichtdurchlässigem Material notwendig, um die Lichtstrahlen 19 flächenartig auf den Klebstoff 3, welcher zwischen der integrierten Schaltung 1 und dem Substrat 2 angeordnet ist, einfallen zu lassen.
  • Ansonsten entspricht die Funktionsweise der in 6 dargestellten Optotrodeneinrichtung derjenigen, wie sie zu 5 bereits näher beschrieben wurde.
  • Sämtliche in den Anmeldungsunterlagen offenbarten Merkmale werden als erfindungswesentlich beansprucht, sofern sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.
    • 1
    integrierte Schaltung
    1a
    Oberfläche der integrierten Schaltung
    2
    Substrat
    2a
    unterseitige Oberfläche des Substrates
    3
    Klebstoffe
    4a, 4b
    Chipanschlüsse
    5
    Zwischenraum
    6a, 6b, 6c
    Lichtmengenkurve
    7a, 7b, 7c, 7d, 7e
    Polymerisationskurve
    8
    Lichtquelle
    9
    erste Fläche
    10
    zweite Fläche
    11
    Lichtstrahlen
    12
    erster Ort
    13
    zweiter Ort
    14
    Lichteinstrahlungs- beziehungsweise Optotrodeneinrichtung
    15
    Gehäuse
    16a, 16b, 16c
    reflektierende Innenwände
    17
    lichttransferierende Wand
    18
    Lichtquelle
    19
    Lichtstrahlen

Claims (9)

  1. Verfahren zum dauerhaften Verbinden von integrierten Schaltungen (1) mit mindestens einem darunter angeordneten Substrat (2) mittels eines dazwischen und bezüglich den integrierten Schaltungen (1) randseitig angeordneten Klebstoffes (3), dadurch gekennzeichnet, dass zur Aushärtung des Klebstoffes (3) Licht (19) mit einer aus einem Wellenlängenbereich von 280–900 nm ausgewählten Wellenlänge auf die Anordnung aus dem Substrat (2) und einer der integrierten Schaltungen (1) ober- oder/und unterseitig eingestrahlt wird, um den Klebstoff (3) zu polymerisieren.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Anteil an optischen Aktivatoren innerhalb des polymerisierbaren Klebstoffes (3) derart dosiert wird, dass bei Tageslicht-, Raumlicht- und/oder Herstellungsprozesslichteinstrahlung keine Polymerisierung des Klebstoffes (3) stattfindet.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die polymerisierende Lichteinstrahlung mit einer Lichtmenge (6b) von mindestens 5 Lumensekunden, vorzugsweise von mindestens 100 Lumensekunden durchgeführt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichteinstrahlung mit der Mindestlichtmenge (6b) während einer Zeitdauer der Polymerisation (7c, 7d) des Klebstoffes (3) aufrechterhalten wird.
  5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenlänge aus einem Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichts, nämlich im Bereich von 400 nm bis 750 nm mit UV- und/oder UV-nahen Wellenlängenanteilen ausgewählt wird.
  6. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Lichteinstrahlung eine Einrichtung (14) zur flächenhaften Verteilung der Lichtstrahlen (19) bezüglich Ebenen des Substrats (2) und/oder der integrierten Schaltungen (1) verwendet wird, wobei die Lichteinstrahlungseinrichtung (14) an eine Oberseite (1a) der integrierten Schaltung (1) oder/und eine Unterseite (2a) des Substrats (2) angrenzt.
  7. Vorrichtung zum dauerhaften Verbinden von integrierten Schaltungen (1) mit mindestens einem darunter angeordneten Substrat (2) mittels eines dazwischen und bezüglich den integrierten Schaltungen randseitig angeordneten Klebstoffes (3), gekennzeichnet durch mindestens eine oberhalb einer Oberseite (1a) der integrierten Schaltung (1) oder/und unterhalb einer Unterseite (2a) des Substrats (2) angrenzenden Lichteinstrahlungseinrichtung (14, 15, 18) zum flächenhaften Verteilen von durch eine Lichtquelle (18) ausgesandte Lichtstrahlen (19) bezüglich Ebenen des Substrates (2) und/oder der integrierten Schaltungen (1), um eine Aushärtung des Klebstoffes (3) zu bewirken, wobei die Lichtstrahlen (19) eine aus einem Wellenlängenbereich von 280–900 nm ausgewählte Wellenlänge aufweisen.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichteinstrahlungseinrichtung (14) ein die Lichtquelle (18) umhüllendes Gehäuse (15) mit lichtreflektierenden Innenwänden (16a, 16b, 16c) und eine zum Substrat (2) und der integrierten Schaltung (1) hingewandte lichttransparente Wand (19) umfasst.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Klebstoff (3) einen Anteil an optischen Aktivatoren enthält, der eine Polymerisierung des Klebstoffes (3) bei Einstrahlung einer vorbestimmbaren Lichtmenge (6b) während einer vorbestimmbaren Zeitspanne bewirkt.
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