DE10259835A1

DE10259835A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Transport einer Komponente

Info

Publication number: DE10259835A1
Application number: DE10259835A
Authority: DE
Inventors: Wolf-Eckhart Bulst; Alexander Dabek
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2002-12-19
Filing date: 2002-12-19
Publication date: 2004-07-15
Anticipated expiration: 2022-12-20
Also published as: DE10259835B4; AU2003288065A1; WO2004057651A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Flipchipmontage. Unter Flipchipmontage wird dabei die Anordnung eines aktiven oder passiven Bauelements (auch "Chip" oder "Komponente" genannt) mit der in dessen Herstellungsprozess veredelten Oberfläche nach unten "face-down" oder invertiert, d. h. Flipchip, auf einen geeigneten Träger, verstanden. Mit der Erfindung wird erstmals ein System vorgestellt, das in einem Arbeitsschritt den Transfer der Komponente und die selektive Benetzung der auf der Komponente befindlichen Lotkugeln bewältigt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Flipchipmontage. Unter Flipchipmontage wird dabei die Anordnung eines aktiven oder passiven Bauelements (auch „Chip" oder „Komponente" genannt) mit der in dessen Herstellungsprozess veredelten Oberfläche nach unten „face-down" oder invertiert, d.h. Flipchip, auf einen geeigneten Träger, verstanden.
Nach einem allgemein anerkannten Verfahren werden dabei die Anschlusshöcker, das heißt die Kontakte und/oder Lotkugeln, auf den Komponenten selbst angebracht, so dass deren Herstellungskosten auf mehrere Komponenten verteilt werden, sie Schutz für die veredelte Oberfläche der Komponenten bieten und schließlich durch ihre Gestalt auf den Komponenten die Konstruktion der feinmechanischen Verarbeitungswerkzeuge insofern erleichtern, als diese dann plan sein können. Die Komponentenseitige Aufbringung der Lotkugeln erlaubt zudem die Verwendung hochschmelzender Legierungen, welches substratseitig aufgrund eingeschränkter Temperaturtoleranzen nicht immer möglich ist.
Zur Montage werden die so gebildeten Komponenten im offenen Gurt zur Flipchipmontage geführt, wobei der Gurt oder „tacky tape" vor der Einführung in den Gurtzuführer um die Längsachse gedreht wird, so dass die Komponenten alle mit den Lotkugeln nach unten weiterverarbeitet werden können. Die Komponenten werden dann im Bestückungsautomat, einer Vorrichtung, in der die Komponenten vom Gurt auf einen sogenannten Bestückungskopf transferiert werden, vom Gurt durch ein Ausstoßwerkzeug von unten auf den Bestückungskopf gedrückt oder befördert. Nachdem die Komponente am Bestückungskopf, beispielsweise durch ein partielles Vakuum des Bestückungskopfes befestigt ist, wird sie dann mit zumindest einer Flüssigkeit, vorteilhafterweise nur an den Lotkugeln, benetzt, bevor sie über den Bestückungskopf platziert wird. Zur Benetzung werden die Lotkugeln beispielsweise besprüht oder in eine Flüssigkeit eingetaucht, wobei die Komponentenoberfläche zum Beispiel durch eine Maske geschützt wird. Der Schutz wirkt jedoch nicht 100%, so dass immer eine Verschmutzung der Komponentenoberfläche mit in Kauf genommen werden muss.
Durch eine Vorrichtung zur Flipchipmontage, die die Durchführung des oben genannten Verfahrens erlaubt, können Komponenten mit einer Fläche bis hinunter zu 0.5mm²sicher verarbeitet werden, wobei die Dicken der Komponenten typischerweise 0.1mm bis 0.6mm betragen.
Der Flüssigkeitsauftrag geschieht entweder auf dem Bestückungskopf wie oben beschrieben oder noch vor dem Transfer vom Gurt auf den Bestückungskopf. Dabei ist es sogar bevorzugt, dass der Flüssigkeitsauftrag nicht auf dem Bestückungskopf stattfindet, weil der Durchsatz der Komponenten auf dem Bestückungskopf möglichst hoch sein soll, also in anderen Worten die Verweilzeit einer einzelnen Komponente auf dem Bestückungskopf relativ gering.
Die mit Lotkugeln besetzte Komponente, die sich auf dem Bestückungskopf befindet, wird durch den Bestückungskopf auf dem Substrat platziert, bevor sie angelötet wird.
Zumindest der Transfer vom Gurt auf den Bestückungskopf und die Platzierung an der Stelle, an die die Komponente aufgelötet werden soll, finden in der Vorrichtung zur Flipchipmontage statt.
Eine derartige Vorrichtung zur Flipchipmontage umfasst zumindest einen Gurt mit einzelnen sogenannten Taschen, das heißt jeweils einen Abschnitt, in dem eine vorbereitete Komponente mit Lotkugeln, die nach dem Flipchip-Verfahren verarbeitet werden soll, Platz hat. In diesem Gurt werden die fertigen Komponenten angeliefert, bevor sie durch den maschinellen Transfer einzeln auf einen Bestückungskopf fixiert werden. Über den Bestückungskopf werden die Komponenten dann auf einem Substrat mit der ausreichenden Präzision positioniert, so dass in einem sogenannten „Reflow Ofen" die Lötung stattfinden kann. Vor der Lötung werden die Komponenten oder genauer gesagt die Lotkugeln der Komponenten noch mit Flüssigkeit wie z.B. Flussmittel benetzt.
Der Flüssigkeitsauftrag findet bevorzugt vor dem Transfer auf den Bestückungskopf statt, weil, wie bereits erwähnt, die Verweilzeit auf dem Bestückungskopf möglichst gering sein sollte. Andererseits behindern die aufgebrachten Flüssigkeiten (z.B. Flussmittel und/oder Leitkleber) den Umgang und insbesondere den Transfer der Komponente. So wird in manchen Fällen der Flüssigkeitsauftrag doch durchgeführt, während die Komponente bereits am Bestückungskopf montiert ist. Dadurch ergeben sich jedoch die oben genannten Nachteile bezüglich der Verweilzeit der Komponente am Bestückungskopf. In jedem Fall aber umfasst der Flüssigkeitsauftrag einen zusätzlichen Arbeitsschritt.
Beispiele des Standes der Technik in der Flipchipmontage werden anhand der 1 bis 4 erläutert.
1 zeigt den Anlieferungszustand eines Gurtes A mit einer davon umklammerten Komponente B. In der Regel ist die Taschenhöhe, also die Höhe bzw. Dicke des Gurtes A mindestens 10% über der Komponente. Die Komponente liegt auf einem zweiteiligen Förderband A'.
2 zeigt einen bekannten Bestückungsschritt in der Herstellung bei dem das Segment C der Kombination des Gurtes A und der Komponente B der 1 entspricht. Die elektrische, elektronische, optische oder elektro-optische Komponente B soll aus dem Gurt A bzw. dem Förderband A' dem Bestückungskopf D zugeführt werden. Zu dem Zweck wird der Bestü ckungskopf auf die Komponente herabgesenkt und ein Bauteilvakuum hinzugeschaltet. Das Ausstoßwerkzeug E bewegt sich zunächst nach oben und schiebt die Komponente B aus dem Förderband A' heraus. Der Bestückungskopf D wird dabei passiv mit hochgeschoben und übernimmt die Komponente zeitgesteuert. Damit ist der Komponenten-Transfer beendet.
3 zeigt einen bekannten Prozessablauf einer Flipchip Bestückung. Es werden hier zwei Maschinen, ein Bestückungsautomat M1a und ein Reflow-Ofen M1b benötigt. Der erste Teilschritt T ist der Komponenten-Transfer gemäß 2. Es folgen dann der komponentenseitige Flüssigkeitsauftrag FL, wie z.B. durch Eintauchen von Bauteilen in offenen Flüssigkeits-Reservoirs, auch „flux dipping" genannt, oder Dispensieren, und die eigentliche Platzierung POS der Komponenten. Diese drei Teilschritte sind vollständig sequentiell. Anschließend wird das bestückte Modul auf der Fertigungslinie nach M1b zur langzeitstabilen Verbindung bzw. zur Lötung gebracht. Diese sequentielle Bearbeitung führt also zu einer relativ niedrigen Durchsatzquote der Module.
4 zeigt eine Maschine M2a insbesondere für den Flüssigkeitsauftrag FL. Der erste Schritt des Flüssigkeitsauftrags FL ist dabei ein Sprühverfahren SPR und der zweite Schritt ein Siebdruck-Verfahren PR. Der Vorteil eines Verfahren gemäß dieser Figur besteht darin, dass aufgrund der von der Maschine M2a bewältigen Flüssigkeitsbeautragung dem Bestückungsautomaten M2b ein Arbeitsschritt entfällt und damit der Durchsatz gesteigert werden kann. Die übrigen, einzigen sequentiellen Schritte dieses Verfahren entsprechen den Schritten T, POS und V des vorhergehenden Beispiels. Das Verfahren wird somit extensiv in der Industrie angewendet. Es besteht dennoch der Nachteil, das die Maschine M2a für den Flüssigkeitsauftrag nur funktioniert, wenn der Kontaktmittenabstand oder „Kontaktraster" bzw. „Pitch" der Lotkugeln nicht kleiner als 200μm ist. Für Anwendungen im Mikrowellen- und im Millime terwellenbereich sind aber Kontaktraster von 100μm bis 150μm üblich.
Somit liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Flipchipmontage zu schaffen, durch das die genannten Nachteile des Standes der Technik beseitigt werden. Zudem ist es Aufgabe der Erfindung ein möglichst kostengünstiges, das heißt möglichst wenige separate Arbeitsschritte umfassendes Verfahren zur Flipchipmontage zur Verfügung zu stellen.
Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zum Transport einer Komponente von einer Halterung zu einem Verwendungsmittel wobei die Vorrichtung eine Fläche aufweist, an die die Komponente zum Transport anlagerbar ist, wobei die Vorrichtung Zuführungsmittel aufweist, durch die eine Flüssigkeit zu der Fläche zuführbar ist.
Die Vorrichtung ist vorzugsweise eine Vorrichtung zur Flipchipmontage einer elektrischen oder elektronischen Komponente, welche zumindest eine Halterung für einen Transport der Komponente, einen Verwendungsmittel in Form eines Bestückungskopfes sowie ein Ausstoßwerkzeug mit einer von einer Platte gebildeten Fläche und einem Schaft zum Transfer der Komponente von der Halterung auf den Bestückungskopf aufweist, wobei im Schaft des Ausstoßwerkzeugs Zuführungsmittel in Form einer Leitung oder eines Kanals vorgesehen sind, durch die Flüssigkeit auf die Fläche der Platte des Ausstoßwerkzeugs geleitet werden kann.
Vorzugsweise hat die Platte zumindest einen Bereich mit Umgrenzungen, auf dem die Flüssigkeit stehen bleibt.
Außerdem ist Gegenstand der Erfindung ein Verfahren zur Bearbeitung einer Komponente, welches folgende Arbeitsgänge umfasst:

– einen Transfer einer Komponente auf einen Verwendungsmittel,
– eine Benetzung eines Teils der Komponente mit einer Flüssigkeit, und
– eine Platzierung der Komponente auf ein Substrat,

Das Verfahren ist vorzugsweise eine Flipchipmontage, bei dem insbesondere folgende Arbeitsgänge ausgeführt werden:

– einen Transfer einer fertigen elektrischen oder elektronischen Komponente auf einen Bestückungskopf anhand einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
– eine Benetzung der auf der Komponente befindlichen Lotkugeln mit einer Flüssigkeit, und
– eine Platzierung der elektrischen oder elektronischen Komponente auf einem Substrat,

Das erfinderische Verfahren kann als „Fluid Added Component Transfer", also FACT, bezeichnet werden.
Vorzugsweise ist die Halterung zum Transport der elektrischen oder elektronischen Komponente ein Gurt, wobei die Komponente auf einem zum Gurt gehörenden Förderband liegt.
Es wird bevorzugst, dass die Platte des Ausstoßwerkzeugs eine Vertiefung aufweist in der sich die Flüssigkeit sammelt und hält. Die Vertiefung kann dabei beispielsweise beckenförmig, kanalförmig oder ähnlich ausgestaltet sein, sofern sie eine Größe und eine Tiefe aufweist, welche für die Flüssigkeitsbenetzung der Lotkugeln ausreicht. Die Kanten der Platte sind beispielsweise erhaben und dienen dazu, ein Abfließen der Flüssigkeit zu verhindern. Ein Filter zur zusätzlichen Reinigung der Flüssigkeit ist entweder in der Leitung, am Auslass und/oder in dem Bereich auf der Platte des Ausstoßwerkzeugs, auf dem sich die Flüssigkeit sammelt, gegebenenfalls vorgesehen.
Der Bestückungskopf weist vorzugsweise eine Vakuumnut auf, durch die die Komponente gehalten werden kann.
Es ist vorteilhaft, wenn der Schaft des Ausstoßwerkzeugs zumindest zwei Leitungen aufweist, durch die zwei Flüssigkeiten auf die Platte des Ausstoßwerkzeugs geleitet werden, die nacheinander oder nebeneinander zur Benetzung der auf der Komponente befindlichen Lotkugeln dienen. Die Leitungen können flexibel oder unelastisch sein, also beispielsweise einfache Bohrungen im Schaft an die ein Schlauch angeschlossen ist, der von einem Flüssigkeitsreservoir, gegebenenfalls über eine Förderpumpe, zum Bereich der Platte des Ausstoßwerkzeugs führt, in dem sich die Flüssigkeit bis zur Vernetzung sammelt.
Die Erfindung wird anhand der folgenden Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dabei zeigt
5 einen Querschnitt durch einen Teil einer Vorrichtung zur Flipchipmontage,
6 einen erfindungsgemäßen Prozessablauf.
In 5 ist der Gurt 1 mit zwei seitlichen Schienen 1a und 1b zu erkennen, die die Höhe der Komponente 2 samt Lotkugeln 5 deutlich überragen, damit die Lotkugeln 5 und/oder die Komponente 2 keinen mechanischen Schaden nehmen. Der Gurt 1 verfügt außerdem noch über ein zweiteiliges Förderband 6 auf dem die Komponente 2 sitzt. Das Förderband 6 dient somit also auch als Gurtsitz für die Komponente 2. Ein Ausstoßwerkzeug 3 (im Querschnitt gezeigt), das von unten die Komponente 2 an den Bestückkopf 4 drückt, umfasst einen Schaft 3a und eine Platte 3c mit zumindest einem Bereich 3b auf dem die Flüssigkeit steht.
Wenn nun der Bereich 3b durch Vorstoßen des Ausstoßwerkzeugs 3 die Lotkugeln 5 der Komponente 2 trifft, werden diese in mit einer Flüssigkeit, die durch die gestrichelt gezeichnete Leitung 3d in den Bereich 3b des Ausstoßwerkzeugs 3 gelangt, benetzt und gleichzeitig wird die gesamte Komponente 2 durch den Druck, der über das Ausstoßwerkzeug 3 ausgeübt wird, durch das zweiteilige Förderband 6 hindurch auf den Bestückkopf 4 geschoben bzw. fortbewegt, wo sie durch das Vakuum in der Vakuumnut 7 gehalten wird. Somit wird in einem Arbeitsgang die Komponente vom Gurt auf den Bestückkopf transferiert und gleichzeitig mit Flüssigkeit benetzt.
Die 6 zeigt dabei das Flip-Chip Montage Verfahren nach 5, welches als Teilschritt 5 dargestellt ist und von einer Maschine M3a ausgeführt wird. Darauf folgt lediglich ein Platzierungsschritt POS für die Komponente. Eine zweite Maschine M3b, als „Reflow Ofen" ausgebildet, führt dann die erforderliche langzeitstabile Verbindung bzw. Lötung aus. Mit der Erfindung wird also erstmals ein System vorgestellt, das in einem Arbeitsschritt den Transfer der Komponente und die selektive Benetzung der auf der Komponente befindlichen Lotkugeln bewältigt. Mit der zweiten Maschine M3b wird also eine Bilanz von lediglich zwei Maschinen für zwei sequentielle Prozessschritte bereitgestellt.
Es wird bevorzugt, nieder- bis mittelviskose Flüssigkeiten für die Flüssigkeitsbeauftragung zu verwenden, um eine gleichmäßigere Filmdickenverteilung auf der Komponente innerhalb der kurzen Taktzeiten der Bestückung zu erreichen. Die Benetzung der Lotkugeln kann ferner mittels geeigneten Materialien wie beispielsweise Flussmittel, Kleber oder Weichlotlegierungen erfolgen.
Insbesondere gegenüber einem Eintauchverfahren beispielsweise nach dem Schritt FL in 3 bietet das FACT Verfahren gemäß der Erfindung folgende Vorteile:

– es stellt ein geschlossenes System dar, so dass auch Flüssigkeiten mit hohem Dampfdruck nicht entweichen können. Der Auslass ist kleiner als beim Stand der Technik, da er direkt an die Chips angepasst ist.
– Zur Steigerung der Reinheit der Fluide können in das System ein oder mehrere Filter an verschiednen Stellen eingebaut werden.
– Es wird ermöglicht, nur die Lotkugeln und nicht die Komponentenoberfläche zu benetzen, so dass spätere Reinigungsschritte der Komponentenfläche unnötig sind. Dieses trägt zur Zuverlässigkeit der Komponenten bei.
– Im Vergleich zu manuell betriebenen Flüssigkeits-Reservoirs steigt die Prozesssicherheit, da die Flüssigkeitsschicht in einem frei programmierbaren Zyklus automatisch kontrollierbar ist

Insbesondere gegenüber einem Dispersionsverfahren wird beim FACT Verfahren gemäß der Erfindung die Bestückung vorteilhafterweise parallelisiert, während ein Dispersionsvorgang sequentiell auf einem Bestückungsautomaten stattfindet oder eine weitere Maschine erfordert.
Im Gegensatz zu einem Siebdruck-Verfahren funktioniert die Erfindung vorteilhafterweise auch bei Bauelementen mit engsten Kontaktmittenabständen von beispielsweise 20μm. Bei der Benetzung nach der Erfindung können Schichtdicken, die bis zu 10μm dünn sein können, realisiert werden, ohne im Gegensatz zum Siebdruck-Verfahren Rückstände an den Komponentenoberflächen zu hinterlassen. Aus diesem Grund ist es möglich, kleinere Lotkugel zu benetzen, ohne Rückstände an den Komponenten Oberflächen zu hinterlassen.
Im Gegensatz zu einem Standard-Sprühverfahren ist das erfinderische Verfahren ein maskenloser Prozess, so dass vorteilhafterweise auch eine dafür bestimmte Maschine nicht benötigt wird.
Soll auf einer Maschine eine Mischbestückung verschiedener Komponenten aufgeführt werden, deren Lotkugeln unterschiedliche Durchmesser haben, ist das Verfahren nach der Erfindung vorteilhaft, da individuelle Flüssigkeitsstände und Pumpen-Grade „Pump-Rate" für jede Einzel-Komponente beispielsweise anhand einer geeigneten Steuerungs-Software eingestellt werden können. Beispielsweise kann die Flüssigkeitshöhe anhand eines Resonanztools gemessen werden. Der gemessene Wert wird dann an eine elektronische Steuerungseinheit übermittelt welche die Pump Rate einstellt. Die bekannten Verfahren z.B. nach der Beschreibung zu 3 können lediglich feste Höhen einstellen. Bei stark niederviskosen Flüssigkeiten und bei solchen mit hohem Dampfdruck hat das erfinderische Verfahren den Vorteil, dass der Flüssigkeitsauftrag zeitlich und räumlich näher an der Endmontage ausgeführt wird. Somit kann die Anzahl von Störvariabeln und die Möglichkeit einer Kontamination minimiert werden.

Claims

Vorrichtung zum Transport einer Komponente (2) von einer Halterung (1) zu einem Verwendungsmittel (7), wobei die Vorrichtung eine Fläche (3c) aufweist, an die die Komponente zum Transport anlagerbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung Zuführungsmittel (3d) aufweist, durch die eine Flüssigkeit (3b) zu der Fläche zuführbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche (3c) Umgrenzungen für die Flüssigkeit (3b) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche (3c) von einer Platte, insbesondere einer Platte mit einer Vertiefung, gebildet wird.
Vorrichtung nach einem der vorherstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführungsmittel (3d) Kanäle sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche (3c) mit einem Schaft (3a) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführungsmittel (3d) durch den Schaft zur Fläche (3c) geführt sind.
Verfahren, bei dem ein Transport einer Komponente (2) mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 von einer Halterung (1) zu einem Verwendungsmittel (7) erfolgt und während des Transports eine Benetzung eines Teils der Komponente (2) mit einer Flüssigkeit (3b) ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem als Verwendungsmittel (7) ein Bestückungskopf eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, bei dem der Transport und die Benetzung durch Vorstoßen der Vorrichtung auf die Komponente (2) und Fortbewegung der Vorrichtung mit der Komponente bis zum Verwendungsmittel (7) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem durch Vorstoßen der Vorrichtung die Komponente (2) von einem Förderband (6) auf den Bestückungskopf (7) befördert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, bei dem die Höhe der Flüssigkeit auf der Fläche (3c) der Vorrichtung mittels einer elektronischen Steuerung in Verbindung mit einer Pumpe kontrolliert wird.