DE102005057648B4 - Verfahren für die Montage eines Halbleiterchips auf einem Substrat - Google Patents

Verfahren für die Montage eines Halbleiterchips auf einem Substrat Download PDF

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Abstract

Verfahren für die Montage eines Halbleiterchips (7) auf einem Substrat (6) mittels eines Montageautomaten, der einen Bondkopf (3) mit einem Chipgreifer (5) umfasst, wobei die Dicke des Halbleiterchips 100 Mikrometer oder weniger beträgt und die dem Substrat (6) zugewandte Rückseite des Halbleiterchips (7) mit einer Klebstoffschicht beschichtet ist, wobei der Halbleiterchip (7) vom Chipgreifer (5) aufgenommen und auf dem Substrat (6) gemäss den folgenden Schritten platziert wird:
(1) Absenken des Halbleiterchips (7), bis der Halbleiterchip (7) das Substrat (6) berührt,
(2) Abwarten einer vorbestimmten Zeitdauer bis die Klebstoffschicht verflüssigt, während der eine vom Chipgreifer (5) auf den Halbleiterchip (7) ausgeübte Kraft im wesentlichen verschwindet oder relativ klein ist im Vergleich zu einer in einem nachfolgenden Schritt an den Halbleiterchip (7) anzulegenden Bondkraft, und
(3) Anlegen der Bondkraft an den Halbleiterchip (7).

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren für die Montage eines Halbleiterchips auf einem Substrat der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art.
  • Bei der Montage von Halbleiterchips werden die aus einem Wafer gesägten und auf einer Folie haftenden Halbleiterchips nacheinander vom Chipgreifer eines Bondkopfs ergriffen und auf einem Substrat platziert. Die Wafer werden vor dem Zersägen abgeschliffen, um ihre Dicke zu reduzieren. Die zu montierenden Halbleiterchips werden daher zunehmend dünner. Halbleiterchips, deren Dicke 150 Mikrometer oder mehr beträgt, werden meistens in konventioneller Art montiert, bei der auf einer Dispensstation Klebstoff auf das Substrat aufgebracht und dann auf einer Bondstation der Halbleiterchip auf dem Substrat platziert wird. Für die Montage von Halbleiterchips, deren Dicke 100 Mikrometer oder weniger beträgt, ist ein neuer Prozess entwickelt worden, bei dem der Wafer nach dem Abschleifen auf seine Dicke mit einer Klebstoffschicht beschichtet wird. Dieser Prozess ist in der Fachwelt als WBL (Wafer Backside Lamination) Prozess bekannt. Bei der Montage der Halbleiterchips entfällt deshalb das Auftragen von Klebstoff auf der Dispensstation. Die Montage erfolgt so, dass der Halbleiterchip auf dem Substrat abgesetzt und während einer vorbestimmten Zeit mit einer vorbestimmten Bondkraft beaufschlagt wird. Das Substrat wird dabei auf einer Temperatur von typischerweise etwa 150°C gehalten, so dass der Klebstoff flüssig wird und sich der Oberflächenstruktur des Substrats anpasst, damit eine qualitativ gute Verbindung entsteht. Es hat sich nun herausgestellt, dass in der Klebstoffschicht zwischen dem Halbleiterchip und dem Substrat Lufteinschlüsse zurückbleiben und/oder dass unterhalb der Ecken und Kanten des Halbleiterchips klebstofffreie Gebiete zurückbleiben. Dies führt zu Problemen bei der Verkapselung des Halbleiterchips. Insbesondere kommt es vor, dass sich der Halbleiterchip vom Substrat löst, womit die Ableitung der im Betrieb des Halbleiterchips entstehenden Verlustwärme stark verschlechtert wird. Es wurde nun versucht, die Anzahl und Grösse der Lufteinschlüsse zu reduzieren durch Erhöhen der Bondkraft bis auf 25 N oder noch mehr. Um derart grosse Bondkräfte anlegen zu können, werden auch Bondkraftverstärker eingesetzt.
  • Aus der WO 94/27823 A1 ist ein Verfahren zum Montieren von Halbleiterchips bekannt, bei dem in einer Dispensestation Bondpaste auf die Rückseite des Halbleiterchips aufgebracht und in einer Bondstation der Halbleiterchip montiert wird. Eine nicht näher erläuterte "load cell" sorgt dafür, dass dabei keine zu großen Kräfte auf den Halbleiterchip wirken.
  • Aus der US 5 655 700 A ist ein Verfahren zum Montieren von Flipchips bekannt, bei dem der Flipchip bei der Montage zunächst mit einer ersten Bondkraft von etwa 5-10 Pfund und dann mit einer zweiten Bondkraft von etwa 15-25 Pfund und gleichzeitig mit Ultraschall beaufschlagt wird.
  • Aus der DE 103 48 191 A1 ist eine Bestückungsvorrichtung mit einem Spindelantrieb bekannt, die für die Montage von Halbleiterchips eingesetzt werden kann. Die Berührungskraft zwischen der Spindel und dem Halbleiterchip wird mittels eines Dehnmeßstreifens erfasst und gesteuert.
  • Aus der EP 1 321 967 A1 ist eine Einrichtung für die Montage von Halbleiterchips bekannt, bei der der im Bondkopf gelagerte Chipgreifer pneumatisch gesteuert wird. Um sehr kleine Halbleiterchips zu montieren wird oftmals eine Bondkraft benötigt, die kleiner als das Eigengewicht des Chipgreifers ist. Die pneumatische Regelung ermöglicht es, den Chipgreifer mit dem Halbleiterchip ab einer vorbestimmten Höhe im freien Fall auf das Substrat hinunterfallen zu lassen und dabei das wirksame Gewicht des Chipgreifers unter seinem Eigengewicht zu halten.
  • Aus der EP 1 278 232 A2 ist eine Einrichtung für die Montage von Halbleiterchips bekannt, die es einerseits ermöglicht, die Aufprallkraft beim Aufsetzen des Halbleiterchips auf das Substrat möglichst gering zu halten, und die es andererseits ermöglicht, die Bondkraft über einen weiten Bereich einzustellen.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren für die Montage von Halbleiterchips anzugeben, die auf der Rückseite eine Klebstoffschicht enthalten, bei dem die vorgenannten Probleme behoben sind.
  • Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäss gelöst durch die Merkmale des Patentanspruchs 1.
  • Die Erfindung besteht darin, dass der Halbleiterchip auf dem Substrat abgesetzt wird und dass die Bondkraft erst dann angelegt wird, wenn sich die Klebstoffschicht verflüssigt hat. Die Temperatur des Substrats beträgt typischerweise 150°C. Wenn die Klebstoffschicht auf der Rückseite des Halbleiterchips in Kontakt mit dem heissen Substrat kommt, dann verflüssigt sie sich. Die Zeitdauer τ, die verstreicht, bis die Klebstoffschicht vollständig verflüssigt ist, hängt ab von der Temperatur des Substrats und von den Eigenschaften des Klebstoffes. Bei einem Versuchsbeispiel betrug die Zeitdauer τ etwa 200 ms.
  • Das erfindungsgemässe Verfahren kennzeichnet sich also durch die folgenden Schritte aus:
    • (1) Absenken des Halbleiterchips, bis der Halbleiterchip das Substrat berührt,
    • (2) Abwarten einer vorbestimmten Zeitdauer τ, während der die vom Chipgreifer auf den Halbleiterchip ausgeübte Kraft im wesentlichen verschwindet oder relativ klein ist im Vergleich zu der im nachfolgenden Schritt (3) an den Halbleiterchip anzulegenden Bondkraft, und
    • (3) Anlegen der Bondkraft an den Halbleiterchip.
  • Die Zeitdauer τ des Verfahrensschrittes (2) ist so bemessen, dass die Klebstoffschicht flüssig wird, bevor im Verfahrens schritt (3) die Bondkraft angelegt wird. Die Kraft während des Verfahrensschrittes (2) ist so klein wie möglich. Bei einem Bondkopf, bei dem der Chipgreifer federnd gelagert ist, entspricht die Kraft während des Verfahrensschrittes (2) etwa dem Eigengewicht des Chipgreifers und allenfalls einer sehr geringen Federkraft, weil der Chipgreifer während des Verfahrensschrittes (2) gegenüber dem Bondkopf bereits leicht ausgelenkt ist. Bei einem Bondkopf, bei dem der Chipgreifer pneumatisch gelagert ist, entspricht die Kraft während des Verfahrensschrittes (2) etwa dem Eigengewicht des Chipgreifers. Das Eigengewicht des Chipgreifers beträgt typischerweise 0.1 bis 0.2 N (Newton). Allerdings gibt es auch Die Bonder, bei denen die minimal einstellbare Bondkraft etwa 0.5 N beträgt. Selbst wenn die während des Verfahrensschrittes (2) auf den Halbleiterchip ausgeübte Kraft 0.5 N beträgt, ist diese Kraft genügend klein, um wesentliche Verbesserungen gegenüber dem herkömmlichen Prozess zu erreichen, so weit es die Grösse und Anzahl der Lufteinschlüsse betrifft.
  • Das Anlegen der Bondkraft im Verfahrensschritt (3) bedeutet, dass die vom Chipgreifer auf den Halbleiterchip ausgeübte Kraft nach Ablauf der Zeitdauer τ markant erhöht wird, nämlich von der im wesentlichen durch das Eigengewicht des Chipgreifers gegebenen Kraft auf die gewünschte Bondkraft. Die während des Verfahrensschrittes (3) anzulegende Bondkraft kann im Grundsatz gleich stark wie beim herkömmlichen Prozess sein, bei dem der Verfahrensschritt (2) fehlt. Es hat sich allerdings gezeigt, dass beim erfindungsgemässen Prozess die während des Verfahrensschrittes (3) angelegte Bondkraft nicht mehr wie in der Einleitung beschrieben ungebührlich erhöht werden muss. In den allermeisten Fällen beträgt die Bondkraft mindestens 2 N. Die Bondkraft ist also viermal grösser, wenn die während des Verfahrensschrittes (2) ausgeübte Kraft den Maximalwert von 0.5 N erreicht. Die Bondkraft ist sogar zehnmal grösser, wenn die während des Verfahrensschrittes (2) ausgeübte Kraft 0.2 N beträgt.
  • Der Halbleiterchip wird von einem in der Fachwelt als "die collet" oder "die bonding tool" bekannten Chipgreifer gehal ten. Der Chipgreifer ist in einem Bondkopf gelagert und vom Bondkopf mit der aufzubringenden Bondkraft beaufschlagbar. Die den Halbleiterchips aufnehmende Fläche des Chipgreifers kann plan oder konvex ausgebildet sein. Wenn diese Fläche plan ist, dann kommt die ganze Klebstoffschicht mit dem Substrat in Berührung und der Klebstoff wird durch Kontaktwärme aufgeheizt. Wenn diese Fläche wie in der europäischen Patentanmeldung EP 1 321 966 A1 beschrieben konvex ist, dann kommt nur ein Teilbereich der Klebstoffschicht in direkten Kontakt mit dem Substrat. In diesem Fall erfolgt die Verflüssigung des Klebstoffes durch Kontaktwärme und durch Strahlungswärme. Wenn nach der Verflüssigung des Klebstoffes die Bondkraft angelegt wird, dann wird die konvexe Fläche flach gedrückt und die ganze Klebstoffschicht kommt mit dem Substrat in Kontakt. Dabei wird der Halbleiterchip auf dem Substrat abgerollt, wobei die Luft laufend entweichen kann.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und anhand der Zeichnung näher erläutert. Die Figuren sind nicht massstäblich gezeichnet.
  • Es zeigen:
  • 1 ein Diagramm, das die bei der Montage des Halbleiterchips angelegten Kräfte illustriert,
  • 2, 3 Momentaufnahmen während der Montage des Halbleiterchips mit einem Chipgreifer, der mittels einer Feder im Bondkopf gelagert ist, und
  • 4, 5 Momentaufnahmen während der Montage des Halbleiterchips mit einem Chipgreifer, der pneumatisch im Bondkopf gelagert ist.
  • Die 1 zeigt ein Diagramm, das den Verlauf der bei der Montage eines Halbleiterchips auf einem Substrat auf den Halbleiterchip ausgeübten Kraft darstellt. Die ausgezogene Linie 1 illustriert den Verlauf der Kraft beim erfindungsgemässen Verfahren, die gestrichelte Linie 2 illustriert den Verlauf der Kraft gemäss dem herkömmlichen, in der Einleitung beschriebenen Verfahren. Die Montage der Halbleiterchips er folgt mittels eines in der Fachwelt als Die Bonder bekannten Montageautomaten, der unter anderem ein Pick und Place System mit einem Bondkopf mit einem Chipgreifer umfasst. Das Pick und Place System dient dazu, den Bondkopf mit dem Chipgreifer mit hoher Präzision zwischen einem Entnahmeort, wo der auf einem Wafertisch präsentierte Halbleiterchip vom Chipgreifer ergriffen, und einem Platzierungsort, wo der Halbleiterchip auf dem Substrat abgesetzt wird, hin und her zu bewegen und mit grosser Lagegenauigkeit auf dem Substrat zu platzieren. Der Chipgreifer ist im Bondkopf gelagert. Bei der Montage des Halbleiterchips erzeugt der Bondkopf die Kraft.
  • Der Halbleiterchip kommt am Zeitpunkt t1 mit dem auf eine vorbestimmte Temperatur aufgeheizten Substrat in Kontakt. Das Eigengewicht des Chipgreifers drückt den Halbleiterchip gegen das Substrat. Das Eigengewicht des Chipgreifers hängt von seiner Grösse und Ausführung ab und beträgt typischerweise etwa 0.1 bis 0.2 N. Nach Ablauf einer vorbestimmten Zeitdauer τ wird am Zeitpunkt t2 eine im Vergleich zum Eigengewicht des Chipgreifers deutlich grössere Kraft, die sogenannte Bondkraft, angelegt. Die Bondkraft erreicht in relativ kurzer Zeit ein vorbestimmtes Niveau. Bei einer Chipgrösse von 7·10 mm2 beträgt die Bondkraft typischerweise 2 bis 5 N, maximal etwa 15 N. Im Beispiel beträgt die Bondkraft nur 2 N. Am Zeitpunkt t3 ist die Montagephase abgeschlossen und der Bondkopf und der Chipgreifer werden vom Halbleiterchip gelöst und abgehoben.
  • Die gestrichelte Linie 2 zeigt zum Vergleich den Verlauf der Kraft bei einem konventionellen Montageverfahren gemäss dem Stand der Technik, bei dem bereits am Zeitpunkt t1 die Bondkraft aufgebaut wird und bei dem die Bondkraft in der Regel grösser ist, bei einem Halbleiterchip von 7·10 mm2 nämlich etwa 25 N. Die benötigte Bondzeit ist zudem tendenziell grösser als beim erfindungsgemässen Verfahren, d. h. die Montagephase ist beim konventionellen Montageverfahren erst am Zeitpunkt t4 abgeschlossen.
  • Die 2 und 3 illustrieren den erfindungsgemässen Montageprozess am Beispiel eines Bondkopfs 3, bei dem die Bondkraft mittels einer Feder 4 erzeugt wird. Der Chipgreifer 5 ist entlang einer Längsachse des Bondkopfs 3 verschiebbar gelagert. Während des Transports des Bondkopfs 3 vom Entnahmeort zum Substrat 6 befindet sich der Chipgreifer 5 in einer Ruhelage. Der Bondkopf 3 fährt an die vorgesehene Position über dem Substrat 6 und der Bondkopf 3 wird dann zusammen mit dem Chipgreifer 5 in z-Richtung abgesenkt. Die in z-Richtung gemessene Höhe des Bondkopfs 3 wird in bekannter Art und Weise softwaregesteuert geregelt. Sobald der Halbleiterchip 7 das von einer Auflage 8 gestützte und beheizte Substrat 6 berührt, kommt der Chipgreifer 5 zur Ruhe. Wenn der Bondkopf 3 weiter abgesenkt wird, dann wird der Chipgreifer 5 bezüglich des Bondkopfs 3 ausgelenkt und die Feder 4 zusammengedrückt. Das Eigengewicht des Chipgreifers und die zusammengedrückte Feder 4 erzeugen die insgesamt auf den Halbleiterchip ausgeübte Kraft. Diese Kraft hängt also wesentlich vom Grad der Auslenkung des Chipgreifers 5 bezüglich des Bondkopfs 3 ab. Der Bondkopf 3 enthält einen sogenannten Touchdown-Sensor. Der Touchdown-Sensor ist beispielsweise ein aus einer am Bondkopf 3 befestigten Flachspule und einem am Chipgreifer 5 befestigten metallischen Plättchen gebildeter induktiver Sensor, dessen Ausgangssignal proportional zum Abstand zwischen dem metallischen Plättchen und der Flachspule ist. Bei diesem Beispiel ist die den Halbleiterchip 7 aufnehmende Fläche 9 des Chipgreifers 5 eine plane Fläche. Die Montage des Halbleiterchips 7 auf dem Substrat erfolgt mit diesem Bondkopftyp gemäss den folgenden Schritten:
    • – Absenken des Bondkopfs 3 in z-Richtung solange bis der Pegel P des Ausgangssignals des Touchdown-Sensors eine vorbestimmte Pegeländerung ΔP erfährt. Der Wert der Pegeländerung ΔP ist so gewählt, dass der Chipgreifer 5 gegenüber dem Bondkopf 3 nur um eine sehr kleine Distanz aus der Ruhelage ausgelenkt ist, so dass die Feder 4 noch keine nennenswerte Kraft auf den Chipgreifer 5 ausübt. Der Zeitpunkt, an dem die Pegeländerung ΔP auftritt, ist der Zeitpunkt t1. Der Bondkopf 3 hat die Hö he z1 erreicht. Dieser Zustand ist in der 2 dargestellt.
    • – Der Bondkopf 3 verharrt während einer vorbestimmten Zeitdauer τ auf der Höhe z1.
    • – Nach Ablauf der Zeitdauer τ wird am Zeitpunkt t2 = t1 + τ der Bondkopf 3 auf eine neue Höhe z2 abgesenkt. Die Höhe z2 ist so gewählt, dass das Eigengewicht des Chipgreifers und die von der Feder 4 erzeugte Kraft die gewünschte Bondkraft ergeben.
    • – Der Bondkopf 3 verharrt während einer vorbestimmten Zeitdauer τ2 auf der Höhe z2. Dieser Zustand ist in der 3 dargestellt.
    • – Nach Ablauf der Zeitdauer τ2 wird am Zeitpunkt t3 = t2 + τ2 der Bondkopf 3 angehoben, bis der Chipgreifer 5 vom Halbleiterchip 7 gelöst ist und dann zum Entnahmeort gefahren, um den nächsten Halbleiterchip aufzunehmen.
  • Die 4 und 5 illustrieren den erfindungsgemässen Montageprozess am Beispiel eines Bondkopfs 3, bei dem die Bondkraft pneumatisch erzeugt wird. Der Chipgreifer 5 ist wiederum entlang der Längsachse des Bondkopfs 3 verschiebbar gelagert. Der Chipgreifer 5 wird zudem von einer Druckkammer 10 mit Druck beaufschlagt. Der Touchdown-Sensor ist auch vorhanden. Bei diesem Beispiel ist die den Halbleiterchip aufnehmende Fläche 9 des Chipgreifers 5 eine konvexe Fläche. Dass die Fläche 9 konvex ist, ist von Auge nicht erkennbar. In der 4 ist die Fläche 9 hingegen aus Illustrationsgründen so dargestellt, dass die Krümmung der Fläche 9 sichtbar ist. Die Montage des Halbleiterchips 7 auf dem Substrat 6 erfolgt mit diesem Bondkopftyp gemäss den folgenden Schritten:
    • – Absenken des Bondkopfs 3 in z-Richtung auf eine vorbestimmte Höhe z3. Der in der Druckkammer 10 herrschende Druck p1 ist einerseits so gewählt, dass der Chipgreifer 5 in seiner Ruhelage an einem nicht dargestellten Anschlag des Bondkopfs 3 anliegt. Sobald der Halbleiterchip 7 das Substrat 6 berührt, wird der Chipgreifer 5 aus der Ruhelage ausgelenkt. Der Zeitpunkt, an dem die Pegeländerung ΔP des Touchdown-Sensors auftritt, ist der Zeitpunkt t1. Der in der Druckkammer 10 herrschende Druck p1 ist andererseits so gewählt, dass der Druck p1 keine nennenswerte Kraft auf den Chipgreifer 5 ausübt. Die Fläche 9 ist daher noch immer konvex. Dieser Zustand ist in der 4 dargestellt.
    • – Der Bondkopf 3 verharrt auf der Höhe z3. Der Druck in der Druckkammer 10 bleibt während einer vorbestimmten Zeitdauer τ auf dem Wert p1 oder wird auf den Wert 0 abgesenkt.
    • – Nach Ablauf der Zeitdauer τ wird am Zeitpunkt t2 = t1 + τ der in der Druckkammer 10 herrschende Druck auf den Wert p2 erhöht. Der Druck p2 ist so gewählt, dass das Eigengewicht des Chipgreifers und die von der Druckkammer 10 erzeugte Kraft die gewünschte Bondkraft ergeben. Die Bondkraft ist vorzugsweise so gross gewählt, dass die Fläche 9 ihre konvexe Form vorübergehend verliert und plan wird. Dieser Zustand ist in der 5 dargestellt. Beim Übergang von der konvexen Form in die plane Form wird der Halbleiterchip 7 auf dem Substrat 6 abgerollt, so dass die Luft problemlos entweichen kann.
    • – Der Druck in der Druckkammer 10 bleibt während einer vorbestimmten Zeitdauer τ2 auf dem Wert p2.
    • – Nach Ablauf der Zeitdauer τ2 wird am Zeitpunkt t3 = t2 + τ2 der Bondkopf 3 angehoben, bis der Chipgreifer 5 vom Halbleiterchip 7 gelöst ist und dann zum Entnahmeort gefahren, um den nächsten Halbleiterchip aufzunehmen.
  • Die den Halbleiterchip 7 aufnehmende Fläche 9 des Chipgreifers 5 kann bei beiden Bondkopftypen flach oder konvex sein. Der Touchdown-Sensor kann auch ein Schaltkontakt sein, der geschlossen ist, solange der Chipgreifer 5 in seiner Ruhelage ist, und der geöffnet ist, wenn der Chipgreifer 5 aus der Ruhelage ausgelenkt ist.

Claims (4)

  1. Verfahren für die Montage eines Halbleiterchips (7) auf einem Substrat (6) mittels eines Montageautomaten, der einen Bondkopf (3) mit einem Chipgreifer (5) umfasst, wobei die Dicke des Halbleiterchips 100 Mikrometer oder weniger beträgt und die dem Substrat (6) zugewandte Rückseite des Halbleiterchips (7) mit einer Klebstoffschicht beschichtet ist, wobei der Halbleiterchip (7) vom Chipgreifer (5) aufgenommen und auf dem Substrat (6) gemäss den folgenden Schritten platziert wird: (1) Absenken des Halbleiterchips (7), bis der Halbleiterchip (7) das Substrat (6) berührt, (2) Abwarten einer vorbestimmten Zeitdauer bis die Klebstoffschicht verflüssigt, während der eine vom Chipgreifer (5) auf den Halbleiterchip (7) ausgeübte Kraft im wesentlichen verschwindet oder relativ klein ist im Vergleich zu einer in einem nachfolgenden Schritt an den Halbleiterchip (7) anzulegenden Bondkraft, und (3) Anlegen der Bondkraft an den Halbleiterchip (7).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraft während des Verfahrensschrittes (2) kleiner als 0.5 N ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bondkraft während des Verfahrensschrittes (3) mindestens 2 N beträgt.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraft während des Verfahrensschrittes (2) mindestens viermal kleiner als die Bondkraft während des Verfahrensschrittes (3) ist.
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