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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung 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.
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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.
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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.
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Durch
eine Vorrichtung zur Flipchipmontage, die die Durchführung des
oben genannten Verfahrens erlaubt, können Komponenten mit einer
Fläche bis
hinunter zu 0.5mm2 sicher verarbeitet werden, wobei
die Dicken der Komponenten typischerweise 0.1mm bis 0.6mm betragen.
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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.
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Die
mit Lotkugeln besetzte Komponente, die sich auf dem Bestückungskopf
befindet, wird durch den Bestückungskopf
auf dem Substrat platziert, bevor sie angelötet wird.
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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.
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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.
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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.
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Beispiele
des Standes der Technik in der Flipchipmontage werden anhand der 1 bis 4 erläutert.
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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'.
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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.
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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
Durchsatzrate der Module. Die
DE 101 45 826 C1 offenbart ein Prinzip vergleichbar
3.
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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. Die
US 6 207 475 B1 offenbart
ein Prinzip vergleichbar
4
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Der
Artikel „Bitte
nicht berühren" von Bark, C.; Vögele, G.;
Weisener, T.; in „F&M Mechatronik, ISSN
1619–0424,
1996, Vol. 104, No. 5, Seiten 372–374 offenbart in 2 und in dem Abschnitt „Greifen
mit Flüssigkeiten" eine Vorrichtung
zum Transport eines Chips von einer Bereitstellung zu einer Leiterplatte,
wobei die Vorrichtung eine Fläche aufweist,
an die der Chip zum Transport anlagerbar ist, wobei ein Adhäsiv zu der
Fläche
zuführbar
ist.
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Die
JP 08-288319 A offenbart
die Herstellung einer Halbleitervorrichtung, wobei eine Lotschicht
zum Bonden eines Pellets mit einheitlicher Dicke auf einem Sockel
eines Leiterrahmens ausgebildet wird. Das Pellet wird an eine Hülse Vakuum
gesaugt.
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Die
WO 02/13256 A1 offenbart einen BGA-Halbleiterchip, der in einem
Transferverfahren mit einem Unterfüllmaterial versehen und dabei
mit Einspritzformen transportiert wird.
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Der
Aufsatz „Neue
BGA Encapsulant-Technologie für
optimierte Prozesse und höheren
Durchsatz" von Miquel,
B. in Productronic, 1999, No. 11, Seiten 178–180 offenbart einen montierten
Chip, der in einer Gussform ausgerichtet wird, wobei diese mit dem
Chip angehoben wird. Anschließend
wird der Chip verspritzt, abgesenkt und wieder auf ein Transportband
verbracht.
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Die
US 5 411 921 offenbart ein
herkömmliches
Ausstoßwerkzeug,
wobei beim Abheben von Chips von einer Sägefolie ebenso eine Klebeschicht auf
die Chips übertragen
wird.
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Die
US 6 323 062 B1 offenbart
Flipschips, die auf einere gespannten Sägefolie unterfüllt und ebenso
mittels herkömmlicher
Ausstoßwerkzeuge abgehoben
werden.
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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.
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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.
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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.
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Vorzugsweise
hat die Platte zumindest einen Bereich mit Umgrenzungen, auf dem
die Flüssigkeit stehen
bleibt.
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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,
wobei die
Benetzung mittels der zuvor beschriebenen Vorrichtung während des
Transfers erfolgt.
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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,
wobei der Transfer und die Benetzung in
einem Arbeitsgang zusammengefasst sind.
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Das
erfinderische Verfahren kann als "Fluid Added Component Transfer", also FACT, bezeichnet werden.
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Vorzugsweise
ist die Halterung zum Transport der elektrischen oder elektronischen
Komponente ein Gurt, wobei die Komponente auf einem zum Gurt gehörenden Förderband
liegt.
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Es
wird bevorzugt, 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 Ausstoßwerkzeuges, auf
dem sich die Flüssigkeit
sammelt, gegebenenfalls vorgesehen.
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Der
Bestückungskopf
weist vorzugsweise eine Vakuumnut auf, durch die die Komponente
gehalten werden kann.
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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.
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Die
Erfindung wird anhand der folgenden Ausführungsbeispielen 'näher erläutert. Dabei zeigt
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5 einen Querschnitt durch
einen Teil einer Vorrichtung zur Flipchipmontage,
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6 einen erfindungsgemäßen Prozessablauf.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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
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Insbesondere
gegenüber
einem Dispenseverfahren wird beim FACT Verfahren gemäß der Erfindung
die Bestückung
vorteilhafterweise parallelisiert, während ein Dispensevorgang sequentiell
auf einem Bestückungsautomaten
stattfindet oder eine weitere Maschine erfordert.
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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.
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Im
Gegensatz zu einem Standard-Sprühverfahren
ist das erfinderische Verfahren ein maskenloser Prozess, so dass
vorteilhafterweise auch eine dafür
bestimmte Maschine nicht benötigt
wird.
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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.