DE19931113A1 - Method for applying connecting materials for a connection between a microchip and a substrate, method for producing an electrical and mechanical connection between a microchip and a substrate and use of a printhead which works according to the ink printing principle - Google Patents
Method for applying connecting materials for a connection between a microchip and a substrate, method for producing an electrical and mechanical connection between a microchip and a substrate and use of a printhead which works according to the ink printing principleInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufbringen von Verbindungsmaterialien für eine Verbindung zwi schen einem Mikrochip und einem Substrat, ein Ver fahren zum Herstellen einer elektrischen und mecha nischen Verbindung zwischen einem Mikrochip und ei nem Substrat sowie die Verwendung eines nach dem Tintendruckprinzip arbeitenden Druckkopfes.The invention relates to a method for application of connection materials for a connection between a microchip and a substrate, a ver drive to manufacture an electrical and mecha African connection between a microchip and an egg nem substrate and the use of an after Ink printing principle working printhead.
Derartige Verfahren zum Aufbringen von Verbindungs materialien für eine Verbindung zwischen einem Mi krochip und einem Substrat beziehungsweise die Her stellung einer derartigen Verbindung zwischen Substrat und Mikrochip sind bekannt. Die Herstel lung dieser sogenannten Flip-Chip-Verbindung (FC) beziehungsweise das Aufbringen der Verbindungsmate rialien für diese Flip-Chip-Verbindung erfolgt nach dem Stand der Technik nach einer Reihe von inkonsi stenten Verfahrensschritten, insbesondere deshalb, da bei derartigen Flip-Chip-Verbindungen in den meisten Fällen sowohl eine mechanische Verbindung als auch eine elektrische Verbindung zwischen Substrat und Mikrochip hergestellt werden muß. Für die elektrische Verbindung weisen Substrat und/oder Mikrochip elektrische Kontaktierstellen auf, die für Ihre spätere Verbindung miteinander mit elek trisch leitenden Verbindungsmaterialien versehen werden müssen. Hierzu sind insbesondere metallische Lote bekannt, die nach dem Stand der Technik galva nisch auf die elektrischen Kontaktierstellen aufge bracht werden. Es ist jedoch auch bekannt, die me tallischen Lote in Form von Lotpasten mittels Scha blonendruck auf die Kontaktierstellen aufzubringen. Danach ist es erforderlich, daß die mit Lotpasten beschichteten Substrate beziehungsweise Mikrochips in einem sogenannten Reflow-Prozeß geschmolzen wer den müssen. Nach Erstarren des Lotes werden Substrat und Mikrochip sandwichartig aufeinanderge schichtet, wobei darauf geachtet wird, daß die zu verbindenden elektrischen Kontaktierstellen einan der zugewandt sind. Der Chip muß also lagerichtig auf das Substrat aufgelegt werden. Danach muß das Paket aus Substrat und Mikrochip erneut erhitzt werden, so daß das metallische Lot wieder flüssig wird, um letztlich die elektrische Verbindung her zustellen. In manchen Fällen genügt diese elektri sche Verbindung auch gleichzeitig als mechanische Verbindung. Unterschiedliche Längenausdehnungskoef fizienten von Substrat und Mikrochip bewirken je doch bei Temperaturwechseln minimale Bewegungen, die die Flip-Chip-Verbindungen zerstören können. Aus diesem Grund bringt man zwischen Mikrochip und Substrat nach dem Löten ein auch als Underfiller bezeichnetes Füllmaterial ein, das Substrat und Chip fest miteinander verbindet und so die tempera turbedingten Bewegungen unterbindet. Ein Problem besteht in vielen Fällen, insbesondere dann, wenn sehr viele elektrische Verbindungen vorgesehen sind, darin, daß durch den geringen Spalt zwischen Mikrochip und Substrat sich der Underfiller schlecht einbringen läßt. Außerdem ist nicht ge währleistet, daß der Underfiller vollständig unter den Mikrochip fließt, wodurch eine gute chemische Verbindung nicht gewährleistet ist. Ist das Paket aus Substrat und Mikrochip verbunden, läßt es sich außerdem nur mit aufwendigen Meßverfahren prüfen, ob der Unterfiller vollständig unter den Mikrochip geflossen ist.Such method of applying connection materials for a connection between a Mi Krochip and a substrate or the Her position of such a connection between The substrate and microchip are known. The manufacturer development of this so-called flip chip connection (FC) or the application of the connecting mat rialien for this flip-chip connection follows the state of the art after a series of inconsi constant process steps, in particular therefore, because with such flip-chip connections in the in most cases both a mechanical connection as well as an electrical connection between Substrate and microchip must be made. For the electrical connection have substrate and / or Microchip electrical contact points on the for your later connection with elek trically conductive connecting materials Need to become. For this purpose, metallic ones are particularly important Solders known, which according to the prior art galva niche on the electrical contact points be brought. However, it is also known to me metallic solders in the form of solder pastes using Scha to apply at the contact points. After that, it is necessary that the solder paste coated substrates or microchips who melted in a so-called reflow process have to. After solidification of the solder Substrate and microchip sandwiched one on top of the other layers, taking care to ensure that the connecting electrical contact points who are facing. The chip must therefore be in the correct position be placed on the substrate. After that the Package of substrate and microchip heated again be so that the metallic solder liquid again will ultimately establish the electrical connection to deliver. In some cases this is sufficient mechanical connection at the same time as a mechanical Connection. Different coefficients of linear expansion efficient of substrate and microchip each but minimal movements when the temperature changes, that can destroy the flip chip connections. For this reason, you bring between microchip and Substrate after soldering also as an underfiller designated filler, the substrate and Chip firmly connected to each other and so the tempera prevents movements caused by the door. A problem exists in many cases, especially if very many electrical connections provided are in that the small gap between Microchip and substrate of the underfiller poorly introduced. Besides, it is not ge ensures that the underfiller is completely under the microchip flows, creating a good chemical Connection is not guaranteed. Is the package connected from substrate and microchip, it can also only check with complex measuring procedures, whether the underfiller is completely under the microchip has flowed.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Aufbringen von Verbindungsmaterialien und ein Ver fahren zum Herstellen einer elektrischen und mecha nischen Verbindung zwischen einem Mikrochip und ei nem Substrat anzugeben, die die vorstehend aufge führten Nachteile nicht aufweisen.It is an object of the invention to provide a method for Application of connecting materials and a ver drive to manufacture an electrical and mecha African connection between a microchip and an egg nem substrate to specify the above did not have any disadvantages.
Gelöst wird diese Aufgabe mit einem Verfahren, das die im Anspruch 1 genannten Merkmale zeigt. Das Verfahren dient zum Aufbringen von Verbindungsmate rialien für eine Verbindung zwischen einem Mikro chip und einem Substrat, wobei für die elektrische Verbindung ein elektrisch leitendes Material und für die mechanische Verbindung von Substrat und Mi krochip ein Füllmaterial auf den Mikrochip und/oder das Substrat aufgebracht werden. Erfindungsgemäß zeichnet sich das Verfahren dadurch aus, daß das elektrisch leitende Material und/oder das Füllmate rial mittels zumindest eines nach dem Tintendruck prinzip arbeitenden Druckkopfes nacheinander oder gleichzeitig auf das Substrat und/oder den Mikro chip aufgespritzt werden. Mittels eines derartigen Druckkopfes lassen sich die Verbindungsmaterialien positionsgenau an beliebigen und vorgegebenen Posi tionen aufspritzen. Vorgegebene Positionen sind die elektrischen Kontaktierpunkte, die an Substrat und/oder Mikrochip vorliegen, und die mit dem elek trisch leitenden Material später zu verbinden sind. Gegenüber dem galvanischen Auftragen der elektrisch leitenden Materialien, wie dies im Stand der Tech nik vorgesehen ist, ergibt sich beim erfindungsge mäßen Verfahren der Vorteil, daß das elektrisch leitende Material wesentlich schneller aufgebracht werden kann. Dadurch, daß die Verbindungsmateriali en in flüssiger Phase aufgespritzt werden, erübrigt sich gegebenenfalls ein Erwärmen durch einen Re flow-Prozeß des Substrats und/oder des Mikrochips, wenn diese Bauteile noch nicht miteinander verbun den sind. Dieser Reflow-Prozeß ist beim Stand der Technik unbedingt notwendig, wenn das elektrisch leitende Material mittels Schablonendruck aufge bracht wird, da es zunächst als Paste, beispiels weise metallisches Lot umfassende Paste, vorliegt.This task is solved with a procedure that shows the features mentioned in claim 1. The The method is used to apply connecting mat rialien for a connection between a micro chip and a substrate, being used for electrical Connection an electrically conductive material and for the mechanical connection of substrate and Mi Krochip a filling material on the microchip and / or the substrate can be applied. According to the invention The process is characterized in that the electrically conductive material and / or the filling material rial using at least one after ink printing principle working printhead one after the other or simultaneously on the substrate and / or the micro chip are sprayed on. By means of such a The connecting materials exactly at any given position spray on ions. The specified positions are electrical contact points on substrate and / or microchip are present, and with the elec tric conductive material to be connected later. Compared to the galvanic application of the electrical conductive materials, as in the prior art nik is provided, results from the fiction The advantage of this method is that it is electrical conductive material applied much faster can be. Because the connecting material i s sprayed in the liquid phase, superfluous if necessary, heating by a re flow process of the substrate and / or the microchip, if these components are not yet connected to one another they are. This reflow process is the state of the art Technology absolutely necessary, if that is electrical conductive material applied using stencil printing is brought, since it is initially used as a paste, for example paste comprising metallic solder.
Da erfindungsgemäß auch das Füllmaterial auf das Substrat und/oder den Mikrochip aufgebracht werden kann, entfällt beim erfindungsgemäßen Verfahren das nachträgliche Einspritzen von Füllmaterial zwischen das Substrat und den Mikrochip. Überdies wird ver mieden, daß das Füllmaterial nicht vollständig un ter den Mikrochip fließt. Insgesamt ergeben sich also wenige Verfahrensschritte, so daß die Verbin dung schnell hergestellt werden kann.Since according to the invention also the filling material on the Substrate and / or the microchip are applied can be omitted in the method according to the invention subsequent injection of filling material between the substrate and the microchip. Moreover, ver avoided that the filling material is not completely un the microchip flows. Overall result So few procedural steps, so that the Verbin can be manufactured quickly.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgese hen, daß die flüssigen Verbindungsmaterialien trop fenförmig aus dem Druckkopf ausgespritzt werden. Mittels der Tropfen kann somit eine genaue Positio nierung der Verbindungsmaterialien auf dem Substrat und/oder dem Mikrochip erfolgen. Dennoch ist es möglich, an eine Position mehrere Tropfen aufzu spritzen, so daß ein größeres Materialdepot gebil det werden kann. Außerdem können mehrere Tropfen nebeneinander aufgebracht werden, um eine größere Fläche mit dem Material versehen zu können. Dabei können die Tropfen auch bereichsweise überlappend aufgespritzt werden.After a further development of the invention, it is provided hen that the liquid connecting materials trop be sprayed out from the printhead in a fenoid shape. An exact position can thus be achieved by means of the drops Nation of the connecting materials on the substrate and / or the microchip. Still it is possible to pick up several drops in one position spray so that a larger material depot can be detected. You can also use several drops applied side by side to a larger one To be able to provide the surface with the material. there the drops can also overlap in some areas be sprayed on.
Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel wird als elektrisch leitendes Material metallisches Lot und als Füllmaterial ein Glas verwendet, wobei das Lot und Glas heiß und flüssig zum Aufspritzen vorliegen, wobei insbesondere Gläser und Lote ver wendet werden, die einen niedrigen Schmelzpunkt be sitzen.In a particularly preferred embodiment becomes metallic as an electrically conductive material Solder and a glass used as filler, whereby the solder and glass hot and liquid for spraying are present, in particular glasses and solders ver be used that be a low melting point sit.
Wird metallisches Lot verwendet, ist vorzugsweise vorgesehen, daß mittels des Druckkopfes auch flüs sige Hilfsstoffe, beispielsweise Lotflußmittel, für die Verbindung mit dem Druckkopf auf das Substrat und/oder den Mikrochip mit aufgespritzt werden. Da durch ergibt sich eine qualitativ hochwertige elek trische Verbindung zwischen Substrat und Mikrochip.If metallic solder is used, it is preferred provided that also flows by means of the print head sige auxiliaries, for example solder flux, for the connection with the printhead on the substrate and / or the microchip can also be sprayed on. There this results in a high quality elec tric connection between substrate and microchip.
Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel werden ein oder mehrere Druckköpfe für das Aus spritzen der Verbindungsmaterialien verwendet. Wird lediglich ein Druckkopf verwendet, weist dieser vorzugsweise mehrere Ausspritzöffnungen auf, wobei vorgesehen sein kann, daß aus jeder Ausspritzöff nung ein Verbindungsmaterial ausspritzbar ist. Wer den mehrere Druckköpfe verwendet, kann aus jedem Druckkopf ein Verbindungsmaterial ausgespritzt wer den. In a particularly preferred embodiment be one or more printheads for the end injection molding of the connecting materials used. Becomes used only one printhead, this has preferably several ejection orifices, wherein it can be provided that from each injection opening Connection material is sprayable. Who which uses multiple printheads can be used from each Printhead a connector material ejected the.
Die Aufgabe wird auch mit einem Verfahren zum Her stellen einer elektrischen und mechanischen Verbin dung zwischen einem Mikrochip und einem Substrat gelöst, das die im Anspruch 5 angegebenen Schritte umfaßt. Zunächst werden die Verbindungsmaterialien, also das elektrisch leitende und das mechanische Verbindungsmaterial, auf das Substrat und/oder den Mikrochip aufgebracht, wobei die Verbindungsmate rialien flüssig vorliegen, so daß sie mittels eines nach dem Tintendruckprinzips arbeitenden Druckkop fes aufgebracht werden. Anschließend - insbesondere nach dem Erstarren der aufgebrachten Verbindungsma terialien - erfolgt ein lagerichtiges Aufeinanderle gen von Substrat und Mikrochip, wobei die elektri schen Kontaktierflächen des Mikrochips und/oder des Substrats mit dem leitenden Verbindungsmaterial versehen sind und die jeweiligen Kontaktierflächen des Substrats und des Mikrochips einander zugewandt liegen. Anschließend erfolgt ein Erwärmen des auf einanderliegenden Pakets aus Mikrochip und Substrat, so daß die elektrischen und mechanischen Verbindungsmaterialien wieder flüssig werden. Beim Abkühlen, also wenn die Materialien erstarren, sind Mikrochip und Substrat fest miteinander verbunden. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Her stellen einer elektrischen und mechanischen Verbin dung zwischen einem Mikrochip und einem Substrat ist es möglich, eine preiswerte, schnelle und zu verlässige Flip-Chip-Verbindung herzustellen. Ins besondere dadurch, daß die Verbindungsmaterialien mit einem nach dem Tintendruckprinzip arbeitenden Druckkopf aufgebracht werden, lassen sich diese Vorteile erreichen. The task is also carried out using a method provide an electrical and mechanical connection between a microchip and a substrate solved that the steps specified in claim 5 includes. First, the connection materials, So the electrically conductive and the mechanical Connection material, on the substrate and / or the Microchip applied, the connection mat rialien liquid, so that they by means of a print head working according to the ink printing principle be applied. Then - in particular after solidification of the applied connecting measure materials - there is a correct stacking gene of substrate and microchip, the electri The contact surfaces of the microchip and / or the Substrate with the conductive connecting material are provided and the respective contact surfaces of the substrate and the microchip facing each other lie. Then the is heated up stack of microchip and Substrate, so that the electrical and mechanical Connection materials become fluid again. At the Cooling down, i.e. when the materials solidify Microchip and substrate firmly connected. By means of the method according to the invention provide an electrical and mechanical connection between a microchip and a substrate it is possible to have an inexpensive, fast and establish reliable flip-chip connection. Ins special in that the connecting materials with one working according to the ink printing principle Printhead are applied, these can be Achieve advantages.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgese hen, daß als elektrisch leitendes Verbindungsmate rial ein metallisches Lot verwendet wird, welches beim Ausspritzen heiß und flüssig vorliegt.After a further development of the invention, it is provided hen that as an electrically conductive connection mat a metallic solder is used, which is hot and liquid when sprayed.
Besonders bevorzugt wird ein Ausführungsbeispiel des Verfahrens, bei dem für die mechanische Verbin dung Materialien verwendet werden, die eine adhäsi ve Wirkung an den angrenzenden Oberflächen des Substrats und des Mikrochips entfalten, wenn sich ihr Aggregatszustand von flüssig nach fest ändert. Es muß also nicht gewartet werden, bis - die sonst üblichen - Klebungen zwischen Substrat und Mikrochip ausgehärtet sind.An embodiment is particularly preferred the procedure in which for the mechanical connection materials are used that have an adhesive ve effect on the adjacent surfaces of the Unfold substrate and microchip when their state of matter changes from liquid to solid. So there is no need to wait until - otherwise usual - gluing between substrate and microchip are cured.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgese hen, daß als Verbindungsmaterial für die mechani sche Verbindung Glas verwendet wird, das vorzugs weise einen niedrigen Schmelzpunkt besitzt. Beim Erstarren beziehungsweise Abkühlen des Glases wird somit die mechanische Verbindung hergestellt, die dauerhaft ist und die eingangs erwähnten mechani schen Bewegungen zwischen Substrat und Mikrochip im wesentlichen unterbindet.After a further development of the invention, it is provided hen that as a connecting material for the mechani connection glass is used, the preferred has a low melting point. At the Solidify or cool the glass thus establishing the mechanical connection that is permanent and the mechani movements between substrate and microchip in the substantially prevents.
Bei einem Ausführungsbeispiel kann vorgesehen sein, daß mehrere Mikrochips in Form eines Wafers vorlie gen, wobei jeder Mikrochip dieses Wafers mit den Verbindungsmaterialien versehen wird, so daß an schließend auf jeden Mikrochip ein Substrat aufge bracht und anschließend befestigt werden kann. Selbstverständlich ist es möglich, daß auch auf dem Substrat Verbindungsmaterialien angebracht werden, bevor dieses mit dem Wafer verbunden wird. Nach er folgter Verbindung von Wafer und Substrat können die Wafer in Mikrochipgröße geschnitten werden.In one embodiment, that there were several microchips in the form of a wafer gene, each microchip of this wafer with the Connection materials is provided so that then a substrate was added to each microchip brought and can then be attached. Of course, it is also possible that on the Substrate bonding materials are attached before it is connected to the wafer. After he following connection of wafer and substrate can the wafers are cut into microchip sizes.
Besonders bevorzugt wird ein Ausführungsbeispiel, bei dem der Druckkopf mehrere, vorzugsweise mit un terschiedlich großem Querschnitt, Ausspritzöffnun gen aufweist, aus denen die Verbindungsmaterialien auf das Substrat und/oder den Mikrochip gespritzt werden. So können beispielsweise für die mechani schen Verbindungsmaterialien größere Düsenquer schnitte beziehungsweise Auslaßquerschnitte verwen det werden, um großflächige Verbindungsstellen ein fach und schnell zu schaffen.An embodiment is particularly preferred, in which the print head several, preferably with un Different sized cross-section, ejection opening gene from which the connecting materials sprayed onto the substrate and / or the microchip become. For example, for the mechani connecting materials larger nozzle cross use sections or outlet cross-sections det to large-area joints quick and easy to create.
Gelöst wird die Aufgabe auch mit einem nach dem Tintendruckprinzip arbeitenden Druckkopf, der zu mindest eine Mediumkammer mit einer auslenkbaren Membran aufweist, die mittels eines Aktors auslenk bar ist, wobei der Aktor von der Membran thermisch entkoppelt ist, und wobei in der Mediumkammer ein Verbindungsmaterial in heißer flüssiger Phase vor liegt, das auf ein Substrat und/oder ein Mikrochip aus der Mediumkammer ausgespritzt wird. Dadurch, daß der Aktor von der Membran thermisch entkoppelt ist, haben die in der Mediumkammer vorliegenden heißen Verbindungsmaterialien keinen Einfluß auf die Funktion des Aktors, da die Wärme an der Mem bran nicht zu dem Aktor geleitet werden kann. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn der Aktor ein piezoelektrische Element ist, das elektrisch angesteuert wird, um die Membran auszulenken. Mit einem derartigen Druckkopf lassen sich insbesondere die vorstehend beschriebenen Verfahren zum Aufbrin gen von Verbindungsmaterialien für eine Flip-Chip- Verbindung und zum Herstellen einer Flip-Chip- Verbindung durchführen.The task is also solved with one after the Ink printing principle working printhead that too at least one medium chamber with a deflectable one Has membrane that deflects by means of an actuator bar, the actuator being thermal from the membrane is decoupled, and being in the medium chamber Connection material in hot liquid phase lies on a substrate and / or a microchip is sprayed out of the medium chamber. Thereby, that the actuator is thermally decoupled from the membrane is present in the medium chamber hot joining materials have no influence the function of the actuator, since the heat on the mem bran cannot be directed to the actuator. This is particularly advantageous if the actuator is a piezoelectric element that is electrical is controlled to deflect the membrane. With such a printhead can in particular the methods of applying described above connection materials for a flip chip Connection and making a flip chip Make the connection.
Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den Un teransprüchen.Further configurations result from the Un claims.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausfüh rungsbeispielen mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:The invention is based on Ausfüh approximately examples with reference to the drawing explained. Show it:
Fig. 1 stark vereinfacht einen Mikrochip, auf dessen Oberfläche Verbindungsmaterialien aufgespritzt sind, Fig. 1 greatly simplifies a microchip on the surface bonding materials are sprayed,
Fig. 2 den Mikrochip nach Fig. 1, wobei dieser mit einem Substrat verbunden ist, und Fig. 2 shows the microchip of Fig. 1, which is connected to a substrate, and
Fig. 3 einen nach dem Tintendruckprinzip arbei tenden Druckkopf. Fig. 3 a working according to the ink printing principle tend printhead.
Im folgenden wird rein beispielhaft die Herstellung einer Flip-Chip-Verbindung an einem Substrat und ei nem Mikrochip beschrieben. Selbstverständlich kön nen die erfindungsgemäßen Verfahren beziehungsweise die erfindungsgemäße Verwendung eines nach dem Tin tendruckzprinzip arbeitenden Druckkopfes auch für beliebige andere temperaturbeständige Verbindungen von verschiedenen Bauelementen verwendet werden. Im folgenden wird davon ausgegangen, daß es sich bei dem Material des Substrats und des Mikrochips um Materialien handelt, die unterschiedliche Wärmeaus dehnungskoeffizienten besitzen, so daß die Verwen dung von Füllmaterial für die mechanische Verbin dung notwendig erscheint. Liegen die Temperaturaus dehnungskoeffizienten beider Materialien jedoch sehr nah beieinander beziehungsweise sind gleich, kann gegebenenfalls auf das Füllmaterial verzichtet werden, so daß die elektrische Verbindung gleich zeitig auch die mechanische Verbindung für Substrat und Mikrochip bildet.The following is a purely exemplary production a flip-chip connection on a substrate and egg described a microchip. Of course, NEN the method according to the invention the use of a tin according to the invention printhead working also for any other temperature-resistant connections can be used by various components. in the The following assumes that it is the material of the substrate and the microchip Materials that have different heat levels have expansion coefficients, so that the use filling material for the mechanical connection seems necessary. Are the temperature off elongation coefficients of both materials, however very close to each other or are the same, can optionally dispense with the filling material be so that the electrical connection is the same also the mechanical connection for substrate and forms microchip.
Fig. 1 zeigt stark vereinfacht einen Mikrochip 1, der hier nicht dargestellte mikroelektronische und/oder mikromechanische Bauelemente beziehungs weise Strukturen umfassen kann. Von dem Mikrochip 1 ist in Fig. 1 eine Seite 4 dargestellt, die elek trische Kontaktierflächen 2 aufweist. Die elektri schen Kontaktierflächen 2 dienen dazu, die elektri schen Anschlüsse der mikroelektronischen Schaltung beziehungsweise der mikromechanischen Struktur her auszuführen. Die elektrischen Kontaktierflächen 2 sind mit einem elektrisch leitenden Verbindungsma terial 3 versehen, das ein Materialdepot bildet. Das Materialdepot beziehungsweise das elektrisch leitende Verbindungsmaterial 3 ist in bevorzugter Ausführung metallisches Lot, das auf den Kontak tierflächen 2 ein höckerförmiges Lotdepot bildet. Fig. 1 shows a greatly simplified microchip 1, which is not shown here microelectronic and / or micromechanical components relationship may comprise structures. From the microchip 1 , a side 4 is shown in Fig. 1, which has elec trical contact surfaces 2 . The electrical contacting surfaces 2 serve to carry out the electrical connections of the microelectronic circuit or the micromechanical structure. The electrical contact surfaces 2 are provided with an electrically conductive Verbindungsma material 3 , which forms a material depot. The material depot or the electrically conductive connecting material 3 is, in a preferred embodiment, metallic solder, which forms a bump-shaped solder depot on the contact animal surfaces 2 .
Die freien Flächen der Seite 4, die die Kontaktier stellen 2 aufweist, des Mikrochips 1 sind im we sentlichen vollständig mit einem Füllmaterial 5 versehen, welches für eine mechanische Verbindung mit einem in Fig. 2 dargestellten Substrat 6 dient. Das Füllmaterial 5 ist ebenfalls tropfenför mig auf die Seite 4 aufgebracht, wobei vorgesehen sein kann, daß mehrere Tropfen ineinandergelaufen sind oder sich zumindest bereichsweise überdecken. Die Anordnung des Füllmaterials 5 und der elektri schen Kontaktierflächen 2 ist im gezeigten Ausfüh rungsbeispiel nach Fig. 1 viereckig, insbesondere quadratisch, gewählt. Selbstverständlich ist jede andere Anordnung denkbar, wenn die elektrischen An schlüsse der mikroelektronischen Schaltung oder der mikromechanischen Struktur dies erfordern.The free surfaces of the side 4 , which has the contact points 2 , of the microchip 1 are essentially provided with a filling material 5 which serves for a mechanical connection with a substrate 6 shown in FIG. 2. The filling material 5 is also applied drop-shaped to the side 4 , it being possible for several drops to have run into one another or at least overlap in some areas. The arrangement of the filling material 5 and the electrical contacting's rule 2 is in the example shown Ausfüh shown in FIG. 1 square, in particular square. Of course, any other arrangement is conceivable if the electrical connections to the microelectronic circuit or the micromechanical structure require this.
Der mit dem elektrisch leitenden Verbindungsmateri al 3 und dem Füllmaterial 5 versehene Mikrochip wird für die Verbindung mit dem Substrat 6 zur Her stellung einer sogenannten Flip-Chip-Verbindung kopfüber auf das Substrat 6 lagerichtig derart auf gelegt, daß die elektrischen Kontaktierflächen 2 mit ihrem elektrisch leitenden Verbindungsmaterial 3 positionsgenau, also lagerichtig, auf an dem Substrat 6 vorliegenden Gegenkontaktierflächen 8 aufliegen. Danach wird das aus Mikrochip 1 und Substrat 6 gebildete Paket 7 einem an sich bekann ten Reflow-Prozeß zugeführt, bei dem insbesondere das elektrisch leitende Verbindungsmaterial 3 und das Füllmaterial 5 über die Temperaturgrenze er wärmt werden, ab der sie flüssig werden. Anschlie ßendes Abkühlen des Pakets 7 führt dazu, daß das elektrisch leitende Verbindungsmaterial 3 und das Füllmaterial 5 erstarren, so daß einerseits elek trisch leitende Verbindungen zwischen den elektri schen Kontaktierflächen 2 und den am Substrat 6 vorgesehenen Gegenkontaktierflächen 8 entstehen, und andererseits das Füllmaterial 5 mit der Qber fläche des Mikrochips 1 und des Substrats 6 eine mechanische Verbindung herstellt, so daß Mikrochip 1 und Substrat 6 mechanisch fest miteinander ver bunden sind. The provided with the electrically conductive Verbindungsmateri al 3 and the filler 5 microchip for connection to the substrate 6 for the manufacture of a so-called flip-chip connection upside down on the substrate 6 in the correct position so that the electrical contact surfaces 2 with their electrical conductive connecting material 3 are positioned precisely, that is to say in the correct position, on mating contact surfaces 8 present on the substrate 6 . Thereafter, the package 7 formed from microchip 1 and substrate 6 is fed to a reflow process known per se, in which in particular the electrically conductive connecting material 3 and the filler material 5 are warmed above the temperature limit from which they become liquid. Subsequently cooling the package 7 leads to the fact that the electrically conductive connecting material 3 and the filling material 5 solidify, so that, on the one hand, electrically conductive connections between the electrical contacting surfaces 2 and the mating contact surfaces 8 provided on the substrate 6 , and on the other hand the filling material 5 the surface of the microchip 1 and the substrate 6 makes a mechanical connection, so that the microchip 1 and the substrate 6 are mechanically firmly connected to one another.
Für das Füllmaterial 5, also das mechanische Ver bindungsmaterial, werden insbesondere Materialien verwendet, die eine adhäsive Wirkung an den angren zenden Oberflächen des Substrats 6 und des Mikro chips 1 entfalten, wenn sich ihr Aggregatszustand von flüssig nach fest ändert, also bei einem Abküh len nach dem vorstehend erwähnten Reflow-Prozeß. Insbesondere werden hierfür Gläser verwendet, die vorzugsweise einen niedrigen Schmelzpunkt besitzen.For the filler material 5 , that is to say the mechanical bonding material, materials are used in particular which have an adhesive effect on the adjoining surfaces of the substrate 6 and of the microchips 1 when their physical state changes from liquid to solid, that is to say when cooling after the reflow process mentioned above. In particular, glasses are used for this purpose, which preferably have a low melting point.
Selbstverständlich kann die vorstehend bestehende Flip-Chip-Verbindung auch dann hergestellt werden, wenn mehrere Mikrochips 1 auf einem sogenannten Wa fer zusammengefaßt vorliegen. Es kann dann ein eine Seite des Wafers abdeckendes Substrat mittels dem elektrisch leitenden Verbindungsmaterial 3 und dem Füllmaterial 5 auf dem Wafer lagerichtig befestigt werden, wobei durch den anschließenden Reflow- Prozeß die einzelnen Verbindungen fertiggestellt werden. Durch einen anschließenden Trennvorgang werden dann die einzelnen Mikrochips mit ihrem zu gehörigen Substrat voneinander getrennt.Of course, the existing flip-chip connection can also be established if several microchips 1 are combined on a so-called Wa fer. A substrate covering one side of the wafer can then be fastened in the correct position on the wafer by means of the electrically conductive connecting material 3 and the filling material 5 , the individual connections being completed by the subsequent reflow process. The individual microchips with their associated substrate are then separated from one another by a subsequent separation process.
Es kann natürlich auch vorgesehen sein, daß jedem auf dem Wafer vorliegenden Mikrochip ein einzelnes Substrat zugeordnet wird und auf dem Mikrochip 1 mittels der Flip-Chip-Verbindung befestigt werden kann.It can of course also be provided that an individual substrate is assigned to each microchip on the wafer and can be attached to the microchip 1 by means of the flip-chip connection.
Das elektrisch leitende Verbindungsmaterial 3 und das Füllmaterial 5 werden auf das Substrat 6 und/oder den Mikrochip 1 mit einem nach dem Tinten druckprinzip arbeitenden Druckkopf 9 aufgebracht, der in Fig. 3 dargestellt ist. Der Druckkopf um faßt eine Mediumkammer 10, in der das elektrisch leitende Verbindungsmaterial 3 oder das Füllmateri al 5 vorliegt. Werden beide Materialien mittels ei nes Druckkopfes 9 auf das Substrat 6 oder den Mi krochip 1 aufgebracht, weist der Druckkopf 9 vor zugsweise zumindest zwei Mediumkammern 10 auf, die voneinander getrennt sind, oder aber es werden zwei Druckköpfe 9 verwendet.The electrically conductive connecting material 3 and the filling material 5 are applied to the substrate 6 and / or the microchip 1 with a printing head 9 which works according to the ink printing principle and which is shown in FIG. 3. The printhead comprises a medium chamber 10 in which the electrically conductive connecting material 3 or the fill material 5 is present. If both materials are applied by means of a print head 9 to the substrate 6 or the microchip 1 , the print head 9 preferably has at least two medium chambers 10 which are separated from one another, or else two print heads 9 are used.
Die Mediumkammer 10 weist eine Ausspritzöffnung 11 auf, aus der das Verbindungsmaterial 3 oder 5 auf die Oberfläche der Seite 4 des Mikrochips 1 und/oder des Substrats 6 ausgespritzt wird. Hierzu ist vorgesehen, daß eine Wandung der Medium kammer bildende Membran 12 ausgelenkt wird, so daß das Verbindungsmaterial 3 oder 5 tropfenförmig aus der Ausspritzöffnung 11 heraustritt. Für die Aus lenkung der Membran 12 weist der Druckkopf 9 einen Aktor 13 auf, der insbesondere als piezoelektri sches Element ausgebildet ist und für seine elek trische Ansteuerung zwei Kontaktierflächen auf weist, wobei lediglich die Kontaktierfläche 14 in Fig. 3 ersichtlich ist. Durch die elektrische An steuerung des Aktors 13 ändert dieser seine Länge, so daß die Membran 12 entweder in Richtung zum Bo den 16 der Mediumkammer bewegt oder vom Boden 16 entfernt wird, wobei die Membran 12 dabei gewölbt ausgelenkt wird. Werden heiße Verbindungsmateriali en 3 oder 5 aus der Mediumkammer 10 ausgespritzt, so weist der Aktor 13 ein Wärmesperrelement 17 auf, welches einen Wärmeübergangswiderstand zwischen Membran 12 und Aktor 13 bildet. Dadurch wird ge währleistet, daß die piezoelektrisch aktiven Teile des Aktors 13 unterhalb der piezoelektrischen Cu rie-Temperatur liegen, so daß gewährleistet ist, daß der Aktor 13 optimal arbeitet, also seine Län genänderung in Abhängigkeit der angelegten elektri schen Spannung konstant bleibt, wodurch aus der Ausspritzöffnung 11 konstante Tropfenvolumen aus bringbar sind.The medium chamber 10 has an ejection opening 11 , from which the connecting material 3 or 5 is sprayed onto the surface of the side 4 of the microchip 1 and / or the substrate 6 . For this purpose, it is provided that a wall of the medium chamber-forming membrane 12 is deflected, so that the connecting material 3 or 5 emerges drop-shaped from the ejection opening 11 . For the deflection of the membrane 12 , the print head 9 has an actuator 13 , which is designed in particular as a piezoelectric element and has two contact surfaces for its electrical control, only the contact surface 14 being visible in FIG. 3. By the electrical control of the actuator 13 this changes its length, so that the membrane 12 either moves towards the Bo 16 of the medium chamber or is removed from the floor 16 , the membrane 12 being deflected arched. If hot connecting materials 3 or 5 are sprayed out of the medium chamber 10 , the actuator 13 has a heat blocking element 17 , which forms a heat transfer resistance between the membrane 12 and the actuator 13 . This ensures that the piezoelectrically active parts of the actuator 13 lie below the piezoelectric Cu temperature, so that it is ensured that the actuator 13 works optimally, that is, its length changes as a function of the electrical voltage applied, thereby remaining constant the spray opening 11 constant drop volume can be brought out.
Es ist ersichtlich, daß der Aktor 13 innerhalb ei nes Gehäuses 18 des Druckkopfes 9 gehalten ist, und zwar mit seinem Ende, welches die Kontaktflächen 14 aufweist.It can be seen that the actuator 13 is held within egg nes housing 18 of the print head 9 , with its end having the contact surfaces 14 .
Der Druckkopf 9 weist vorzugsweise eine Heizein richtung 19 auf, so daß das in der Mediumkammer 10 vorliegende Verbindungsmaterial 3 oder 5 auf ent sprechender Temperatur gehalten werden kann, bei der es flüssig vorliegt. Es kann jedoch auch vorge sehen sein, daß das Verbindungsmaterial bereits heiß und flüssig in die Mediumkammer 10 eingebracht wird, wodurch gegebenenfalls auf die Heizeinrich tung 19 verzichtet werden kann.The print head 9 preferably has a heating device 19 , so that the connecting material 3 or 5 present in the medium chamber 10 can be kept at a corresponding temperature at which it is liquid. However, it can also be seen that the connecting material is already introduced hot and liquid into the medium chamber 10 , which means that the Heizeinrich device 19 can be omitted if necessary.
Je nach Ansteuerung des Aktors 13 können einzelne Tropfen oder aber innerhalb kurzer Zeit eine große Tropfenanzahl aus der Ausspritzöffnung 11 ausge bracht werden. Beispielsweise kann hierzu eine im pulsartige elektrische Ansteuerung des Aktors 13 vorgesehen sein. Um eine optimale Betriebstempera tur für den Aktor 13 gewährleisten zu können, kann auch vorgesehen sein, daß durch eine Gehäuseöffnung 20 ein Kühlmedium in das Gehäuseinnere einbringbar ist, welches den Aktor 13 umströmt, so daß es an einer in der Nähe der Ausspritzöffnung 11 liegenden Gehäuseöffnung 21 wieder austritt. Depending on the control of the actuator 13 , individual drops or a large number of drops can be brought out of the ejection opening 11 within a short time. For example, a pulsed electrical control of the actuator 13 can be provided for this. In order to ensure an optimal operating temperature for the actuator 13 , it can also be provided that a cooling medium can be introduced into the housing interior through a housing opening 20 , which flows around the actuator 13 , so that it is at a housing opening located near the ejection opening 11 21 leaves again.
In Fig. 3 ist noch ersichtlich, daß an der der Me diumkammer 10 abgewandten Seite der Membran 12 Tem peratursensoren 22 anordenbar sind, die die in der Mediumkammer 10 vorherrschende Temperatur der Ver bindungsmaterialien detektieren, so daß gegebenen falls die Heizeinrichtung 19 entsprechend angesteu ert, das heißt ein- oder ausgeschaltet werden kann.In Fig. 3 it can still be seen that on the Me diumkammer 10 facing away from the membrane 12 Tem temperature sensors 22 can be arranged, which detect the prevailing temperature in the medium chamber 10 of the Ver connecting materials, so that, if necessary, the heating device 19 is actuated accordingly, that is, can be turned on or off.
Werden mehrere Druckköpfe 9 verwendet, kann vorge sehen sein, daß die Ausspritzöffnungen 11 der Druckköpfe 9 unterschiedlich große Öffnungsquer schnitte aufweisen, so daß unterschiedliche Trop fengrößen ausbringbar sind. Wird nur ein Druckkopf mit mehreren Mediumkammern 10 verwendet, können selbstverständlich die Ausspritzöffnungen unter schiedliche Querschnittsgrößen aufweisen.If several printheads 9 are used, it can be seen that the ejection openings 11 of the printheads 9 have cross sections of different sizes, so that different sizes of droplets can be applied. If only one print head with several medium chambers 10 is used, the ejection openings can of course have different cross-sectional sizes.
Claims (12)
- - Aufbringen von elektrisch leitendem Verbindungs material (3) und eine mechanische Verbindung er möglichendem Verbindungsmaterial (5) auf den Mi krochip (1) und/oder das Substrat (6) mittels eines nach dem Tintendruckprinzip arbeitenden Druckkopfes (9),
- - lagerichtiges Aufeinanderlegen von Substrat (6) und Mikrochip (1), wobei die elektrischen Kon taktierflächen (2) des Mikrochips (1) und die elektrischen Gegenkontaktierflächen (8) des Substrats (6) mit dem elektrisch leitenden Ver bindungsmaterial (3, 5) versehen sind, und die jeweiligen Kontaktierflächen (2) und Gegenkon taktierflächen (8) des Mikrochips (1) und des Substrats (6) einander zugewandt liegen, und
- - anschließendes Erwärmen des aufeinanderliegenden Pakets (7) aus Mikrochip (1) und Substrat (6), so daß die elektrischen und mechanischen Verbin dungsmaterialien (3, 5) wieder flüssig werden.
- - Applying electrically conductive connecting material ( 3 ) and a mechanical connection he possible connecting material ( 5 ) on the Mi microchip ( 1 ) and / or the substrate ( 6 ) by means of a printhead ( 9 ) working according to the ink printing principle,
- - Positioning the substrate ( 6 ) and microchip ( 1 ) in the correct position, the electrical contact surfaces ( 2 ) of the microchip ( 1 ) and the electrical mating contact surfaces ( 8 ) of the substrate ( 6 ) with the electrically conductive connecting material ( 3 , 5 ) are provided, and the respective contact surfaces ( 2 ) and Gegenkon contact surfaces ( 8 ) of the microchip ( 1 ) and the substrate ( 6 ) face each other, and
- - Subsequent heating of the stack ( 7 ) of microchip ( 1 ) and substrate ( 6 ), so that the electrical and mechanical connec tion materials ( 3 , 5 ) become liquid again.
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| WO2001003183A2 (en) | 2001-01-11 |
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| AU6432500A (en) | 2001-01-22 |
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