DE19640192A1 - Verfahren zur Flip-Chip-Montage - Google Patents
Verfahren zur Flip-Chip-MontageInfo
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Description
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Flip-Chip-Mon
tage nach der Gattung des Hauptanspruches. Die
Flip-Chip-Technik, d. h. die direkte Montage von
ungehäusten integrierten Schaltungen (integrated circuits
=IC′s) auf Substrate wird seit über 30 Jahren in
verschiedenen Varianten eingesetzt. Die Weiterentwicklung
der Flip-Chip-Technik wird stark vorangetrieben durch
die wachsenden Anforderungen an höhere
Integrationsdichten, höhere Taktraten, an geringerem
Gewicht und an Kostenreduzierung. Ein entscheidender
Kostenfaktor ist der Bumping-Prozeß: so betragen
beispielsweise die Kosten für das Wafer-Bumping je nach
Prozeß 20 bis 40% der gesamten Montagekosten. Bumps sind
mehrschichtige Höckerstrukturen, die auf den Anschlußpads
(d. h. den Anschlußkontakten) des IC bzw. Wafer und/oder
auf dem Substrat aufgebracht werden, um die Montage zu
erleichtern, die Zuverlässigkeit der Kontaktierung und
die Packungsdichte zu erhöhen. Zudem ist für verschiedene
Anwendungen, bei denen große Unterschiede der thermischen
Ausdehnungskoeffizienten zwischen Silizium und
Substratmaterial vorhanden sind, zur Minimierung der
thermischen Spannungen ein relativ großer Spalt zwischen
IC und Substrat erforderlich, der durch Bumps überbrückt
werden muß. Für die Flip-Chip-Montage auf Keramik-,
Glaskeramik oder Glassubstrate sind dagegen aufgrund der
geringen Fehlanpassung der Ausdehnungskoeffizienten und
aufgrund der hohen Ebenheit Bumphöhen von etwa 10 bis 15
µm ausreichend.
Die Bumping-Verfahren sind jedoch komplizierte und
teure mehrstufige Prozesse, insbesondere die Herstellung
hochschmelzender Lotbumps, aber auch die alternativen
Verfahren wie niederschmelzende Lotbumps, galvanische
Nickel- oder Goldbumps oder siebgedruckte Bumps aus
Leitklebstoff.
Es wurden daher Verfahren zur Flip-Chip-Montage
entwickelt, die eine Kontaktierung ohne Bumping
ermöglichen.
Ein derartiges Verfahren ohne Bump-Strukturen
beschreibt z. B. die DE-OS 41 38 779. Zur Montage der
Chips wird ein anisotrop elektrisch leitender Kunststoff
(anisotropic conductive adhesive = ACA), der senkrecht
zur Flip-Chip-Kontaktierungsebene elektrisch
leitfähig und in der Kontaktierungsebene isolierend
wirkt, eingesetzt. Als elektrisch leitende Partikel
werden z. B. Metalle angegeben, die unregelmäßig geformt
sein können oder in Form kleiner Kügelchen oder Fasern,
insbesondere aber mit gut leitenden Schichten aus
beispielsweise Graphit überzogene scharfkantige Keramik- oder
Kristallteilchen. Derartige Partikel können aber nur
Substrate ausreichender Ebenheit kontaktieren. Auch ist
der mit derartigen Klebstoffen erreichbare
Miniaturisierungsgrad begrenzt: um eine zuverlässige
Kontaktierung kleiner Anschlußpadflächen zu erreichen,
müßte der Füllstoffgrad erheblich erhöht werden, was
jedoch nur begrenzt möglich ist, weil sich dadurch die
Gefahr von Kurzschlüssen erhöht.
Eine andere Entwicklung, die z. B. im Artikel "Anisotropic
Adhesives for Flip-Chip Bonding" in der Fachzeitschrift
"Latest Achievements in Conductive Adhesive Joining in
Electronics Packaging" (Proceedings), Eindhoven, 1995,
Seiten 59 ff. vorgestellt wird, sieht vor, gebumpte Chips
mit lotgefüllten anisotrop leitfähigen Kunststoffen zu
kontaktieren. Die Lotpartikel auf Sn-Basis reagieren
metallurgisch, d. h. unter Ausbildung intermetallischer
Verbindungen mit den Anschlußflächen auf IC und Substrat
und sichern somit eine gute elektrische Kontaktierung.
Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des
Hauptanspruches hat demgegenüber den Vorteil, daß es eine
hohe Miniaturisierung mit hoher Zuverlässigkeit der
Kontaktierung auch auf relativ unebenen Substraten,
beispielsweise auf Keramik, mit wenigen
Verfahrensschritten und somit kostengünstig erlaubt.
In überraschender Weise hat es sich gezeigt, daß sich die
Vorteile lotgefüllter ACA′s, insbesondere die
zuverlässige Kontaktierung aufgrund der metallurgischen
Reaktion mit den Vorteilen einer bumpfreien und somit
kostengünstigen Flip-Chip-Montage verbinden lassen.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die bumpfreie
Kontaktierung von IC′s auf relativ unebenen Substraten,
z. B. auf Keramiksubstraten, und kann Unebenheiten (Gaps)
zwischen IC und Substrat bis zu 20 µm bumpfrei
ausgleichen, was mit bekannten ACA′s nicht möglich war.
Bekannte ACA′s sind bumpfrei nur auf Substrate
ausreichender Ebenheit anwendbar, insbesondere auf Glas,
welches üblicherweise Unebenheiten im Submikronbereich
aufweist oder auf flexible Polymerfolien.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des
im Hauptanspruch angegebenen Verfahrens möglich.
Besonders zuverlässige elektrische Kontakte werden
erreicht, wenn die Lotpartikel eine Legierung auf Sn/Bi-
oder auf Sn/In-Basis enthalten.
Besonders vorteilhaft ist es weiterhin, wenn als Kleber
für den ACA ein Einkomponentenklebstoff verwendet wird.
In vorteilhafter Weise kann der Klebstoff als Film
aufgebracht werden; dadurch können feinere Rastermaße
verarbeitet und die Miniaturisierung erhöht werden.
Im folgenden wird die Erfindung anhand einer Zeichnung
vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher erläutert.
Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch eine nach dem
erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Flip-Chip-Ver
bindung.
Das mit einer Metallisierung 2 versehene Substrat 1 ist
mit dem IC 6, auf dessen Anschlußpads eine Metallisierung
5 aufgebracht ist, durch den lotgefüllten ACA 3
mechanisch sowie über die durch die Lotpartikel 4
erhaltenen Brücken elektrisch verbunden.
Auf ein FR4-Leiterplattensubstrat 1 wird eine
Metallisierung 2 aus übereinanderliegenden Schichten von
Kupfer, Nickel und Gold aufgebracht. Ein IC 5 wird im
Bereich der Anschlußpads mit einer Metallisierung 4 von
Aluminium, Nickel und Gold überzogen.
Substrat 1 und IC 6 werden mittels eines pastenförmigen
ACA 3, der einem Einkomponentenkleber auf z. B.
Epoxidharzbasis und Lotpartikel auf der Grundlage von
beispielsweise Zinn und Wismut enthält, 90 Sekunden bei
150°C unter einem Anpreßdruck von 10 kg/cm2 kontaktiert.
Die in der ACA-Paste statistisch verteilten Lotpartikel
haben einen Durchmesser von 5 bis 10 µm, vorzugsweise von
10 µm, und einen Füllgrad von 7 bis 10%, vorzugsweise von
10%.
In der beschriebenen Weise können beispielsweise IC′s für
Autoradios, für Steuergeräte oder für Multi-Chip-Mo
dule montiert werden.
Auf ein FR4-Leiterplattensubstrat 1 wird eine Cu/Sn-Me
tallisierung 2 und auf die Anschlußpads eines IC′s 6
eine Al/Ni/Au/Sn-Metallisierung 5 aufgebracht.
Substrat und IC werden mittels eines mit Sn/Bi-Lot 4
gefüllten ACA 3-Films auf Epoxidharzbasis 60 Sekunden
bei 180°C und 10 kg/cm2 Anpreßdruck kontaktiert.
In der beschriebenen Weise können beispielsweise IC′s für
Autoradios, für Steuergeräte oder für Multi-Chip-Mo
dule montiert werden.
Auf ein Keramiksubstrat 1 wird eine Au-Metallisierung 2
und auf die Anschlußpads eines IC′s 6 eine Al/Ni/Au-Me
tallisierung 5 aufgebracht.
Substrat und IC werden mittels eines mit Sn/Bi-Lot 4
gefüllten pastenförmigen ACA 3 auf Epoxidharzbasis 60
Sekunden bei 180°C und 10 kg/cm2 Anpreßdruck kontaktiert.
In der beschriebenen Weise können beispielsweise IC′s für
Steuergeräte montiert werden.
Bei der Montage wird durch den Klebstoff, der unter
Einwirkung von Temperatur und Druck aushärtet, die
mechanische Verbindung von IC und Substrat ohne Underfill
und gleichzeitig, durch Aufschmelzen der Lotpartikel, die
die Anschlußpads benetzen, die elektrische Verbindung
über leitfähige Brücken erreicht.
FR4-Substrate haben Verwölbungen im Bereich von etwa
1%, abhängig von Dicke, Metallisierung, Handling usw. Bei
der erfindungsgemäßen bumpfreien Flip-Chip-Montage
mit anisotrop leitfähigen lotgefüllten Klebstoffen tritt
unter Einwirkung von Druck und Temperatur ein
Planarisierungseffekt auf, so daß auch größere Chips mit
einer Kantenlänge bis zu 10 mm zuverlässig kontaktiert
werden können.
Bei Keramiksubstraten ist die Ebenheit eine Frage der
Herstellung.
Andererseits können auch über die Chipfläche
Höhenunterschiede von bis zu 10 µm auftreten.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren können derartige
Unebenheiten sowie Spalte zwischen IC und Substrat
bumpfrei ausgeglichen werden: durch den Einsatz von
lotgefüllten ACA′s liegen Füllstoffe vor, die bei der
Chipmontage aufschmelzen, aufgrund der metallurgischen
Kompatibilität vorwiegend die metallisierten Anschlußpads
auf IC und Substrat benetzen und
somit infolge der thermodynamischen Aktivität überwiegend
in die Bereiche diffundieren, in denen die Ausbildung
leitfähiger Brücken erwünscht ist. Weil aus diesem Grund
die Gefahr von Kurzschlüssen geringer ist, kann der
Füllstoffgrad stärker erhöht werden als bei herkömmlichen
ACA′s und es können auch größere Unebenheiten (Gaps)
zwischen IC und Substrat von bis zu 20 µm bumpfrei
ausgeglichen werden.
Die selektive Diffusion der leitfähige Brücken bildenden
Lotpartikel zu den Anschlußpads von IC und Substrat hat
weiterhin zur Folge, daß bei gleichem Füllstoffgrad
gegenüber herkömmlichen ACA′s kleinere Anschlußpads, d. h.
feinere Rastermaße kontaktiert werden können und somit
eine höhere Miniaturisierung möglich ist.
Erfindungsgemäß kann der ACA in Form von Pasten oder
Folien (Film) aufgebracht werden. In Pastenmaterialien
sind die Lotpartikel statistisch verteilt. Die Größe der
Lotpartikel und der Füllstoffgrad, der jedoch nicht
beliebig erhöht werden kann, bestimmen die Feinheit der
Rastermaße, die verarbeitet werden können, z. B. 100 µm
Pitch mit 5 bis 10 µm Durchmesser der Lotpartikel und
ein Füllstoffgrad von 10 Gew.%. Bei zu hohem
Füllstoffgrad steigt die Gefahr von Kurzschlüssen, bei zu
geringem die Gefahr, daß einzelne Pads nicht kontaktiert
werden. In Filmmaterialien können die Lotpartikel in
einer vorgegebenen Verteilung in die Klebstoffmatrix
eingearbeitet werden, die sich bei der Flip-Chip-Mon
tage nicht ändert, so daß Rastermaße bis hinunter auf
etwa 20 µm verarbeitet werden können.
Claims (7)
1. Verfahren zur Flip-Chip-Montage von
integrierten Schaltungen (IC′s) auf ein Substrat ohne
Bumping von IC und/oder Substrat, unter Verwendung eines
anisotrop leitfähigen Klebstoffes (ACA), dadurch
gekennzeichnet, daß der ACA mit Lotpartikeln gefüllt ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Lotpartikel eine Legierung auf Sn/Bi-Basis oder
Sn/In-Basis enthalten.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß der ACA einen Klebstoff vom
Einkomponenteri-Typ, insbesondere ein Epoxydharz,
enthält.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß der ACA in Pastenform
aufgebracht wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß der ACA als Film aufgebracht
wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche i bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß die Lotpartikel im ACA einen
Durchmesser von 5 bis 10 µm, insbesondere einen
Durchmesser von 10 µm
aufweisen.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß der ACA einen Füllgrad mit
Lotpartikeln von 7 bis 10 Gew.-%, insbesondere von 10
Gew.-% aufweist.
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