DE2451888A1

DE2451888A1 - Verfahren und vorrichtung zum automatischen ausrichten und verbinden eines halbleiterplaettchens mit einem leitungsrahmenaufbau

Info

Publication number: DE2451888A1
Application number: DE19742451888
Authority: DE
Inventors: Ronald Joseph Hartleroad; James Clark Krajewski; Ronald Gene Rayon
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 1973-11-09
Filing date: 1974-10-31
Publication date: 1975-05-22
Also published as: FR2251102B1; US3887997A; GB1445540A; JPS529979B2; CA1018675A; FR2251102A1; NL7414601A; JPS50114174A

Description

ΜΑΝί TZ, FIKSTcRWÄLb & GRÄM KOW

München, den ^3ί· Oti Hk/Sv - G 3Ö6O

GENERAL· MOTORS CORPORATION Detroit, Michigan,' U.S.A.

Verfahren und Vorrichtung zum automatischen Ausrichten und Verbinden eines Äbleiterplättchens mit einem Leitungsrahmenaufbau

Die Erfindung betrifft ein Verfahren¹ und eine Vorrichtung zum automatischen Ausrichten eines Halbieiterplättchens, auf welchem integrale Anschlüsse ausgebildet sind, mit einem leitenden Änschlußranmenaufbau und zum Übertragen des Piättcheris zu dem Rahmenaufbau zwecks einer bleibenden Verbindung an diesem.

Der Schritt bei der Herstellung von zusammengefaßten integralen Halbleiter-Schaltkreisen^ weicher mit am meisten zeit- und kostenaufwendig ist, ist die Befestigung der größeren leitenden Anschlüsse an dem integriertenSchaltkreisplättchen, um eine elektrische Verbindung mit der äußeren Schaltung zu schaffen. Eine Technik ist, faserige Drahte zu verbinden, welche besondere Bereiche auf dem Plättchen mit entsprechenden Anschlüssen eines leitenden Musters auf einem starren Substrat bzw. Trägermaterial

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DR. G. MANITZ · DIPL.-ING, M. FINSTERWALD D *Φ W. «Ί!« «Τ. 'wi β* [Ρα4\λΤ Of W ZENTRALKASSE BAYER. VPLKSBANKEN

ί MÜNCHEN 22. ROBERT-KOCH-STRASSE I 7 STUTTGART SO {BAD CANNSTATT) MÖNCHEN. KONTO-NUMMER 7270

T/L. (089) 22 42 11. TELEX 5-29672 PATMF SEELBERGSTR. 23Z2S,TEL.(07I1VS6 72 61 POSTSCHECK: MÖNCHEN 77062-8O's

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verbinden und dadurch zwischen diesen eine elektrische Verbindung herstellen.

Der zeit- und kostenaufwendige Vorgang des Drahtverbiridens kann durch Schaffung integraler Metalianschlüsse vermieden werden, welche sich nach außen von der einen Plättchenfläche erstrecken. Bei einem Flip-Chip erstrecken sich diese Anschlüsse senkrecht von der Plättchenflache als Kontaktteile oder -ansätze. Bei einem Strahlen-Anschluß-Plättchen bzw. Chip erstrecken sich die Anschlüsse parallel zur Plättchenflache und stehen über dem Plättchenrand vor. Derartige integrale Anschlüsse sind Verlängerungen eines Leitermusters auf der Plättchenfläche und dienen als elektrische Verbindurigspunkte für größere leitende Anschlüsse.

Die größeren leitenden Anschlüsse können anfangs Teil eines Anschlußrahmens mit einer Vielzahl von sich in einem Abstand befindlichen Sätzen von nach innen konvergenten vorstehenden Fingern sein* wobei die Finger eines jeden Satzes freie innere Endbereiche aufweisen; welche dem integralen Änschlußmuster auf dem Plättchen entsprechen. Bei einem bekannten vollkommen aus Metall aufgebauten Anschlußrahmen werden die vorstehenden Finger an deren freien Enden nicht gehalten. Die Kontaktansätze aufweisenden Chips bzw. Plättchen, üblicherweise mit "Flip-Chip" bezeichnet, können an dem Anschiußrahmen angebracht werden, indem die Kontaktansätze direkt mit den entsprechenden freien Fingerenden des Anschlußrahmens verlötet werden. Dies ruft gleich-

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zeitig eine elektrische Verbindung zwischen den Ansätzen und den entsprechenden Fingern des Anschlußrahmens mit einem geringen Widerstand hervor. Während dies die Notwendigkeit einer Drahtverbindung beseitigt, muß das Plättchen noch sehr genau ausgerichtet werden, so daß die.Kontaktansätze sich in einer genauen Einstellung bezüglich der entsprechenden Anschlußrahmenfinger befinden.

Bei einem bekannten Ausricht-Verfahren wird die hintere Seite eines Flip-Chip auf einer kleinen, nadelähnlichen Vakuumklemme abgestützt, und es wird das Plättchen in einen Eingriff mit darüberliegenden Fingern eines" Anschlußrahmens gebracht, welcher sich parallel zur größeren Fläche des Plättchens erstreckt. Eine Bedienungsperson hebt und zumindest dreht die Klemme von Hand, während sie durch ein Mikroskop schaut, um einen guten ausgerichteten Eingriff zwischen den Kontaktansätzen und den Fingern zu erhalten. In vielen Fällen muß die Bedienungsperson auch die Klemme seitwärts bewegen, um eine genaue Einstellung zu erzielen. Dies ist ein zeitaufwendiger Vorgang, und eine Massenproduktion ist demgemäß teuer: auch können einem Menschen infolge der extrem kleinen Größe des Plättchens Fehler unterlaufen. Darüberhinaus hängen das Ergebnis und die Zuverlässigkeit bzw. !Betriebssicherheit der resultierenden Vorrichtung von der Geschicklichkeit und Präzision der einzelnen Bedienungsperson ab.

Bei Herstellungsvorgängen in großer Stückzahl werden die unabgestützen freien Enden der konvergierenden Anschlußrahmenfinger

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häufig etwas bei der Handhabung gebogen, so daß sie nicht immer genau koplanar zueinander sindο Darüberhinaus kann die Höhe der Kontaktansätze auf einem einzelnen Plättchen unterschiedlich sein. Deshalb muß die Klemme oft wesentlich übermäßig bewegt werden, um sicherzustellen, daß jeder Kontaktansatz auf einem Plättchen in einen engen Eingriff mit seinem entsprechenden Finger gelangt, wobei eine derartige übermäßige Bewegung im allgemeinen die meisten zumindest aber einige der Finger über ihre ursprüngliche Ebene verbiegt=. Wird das Plättchen mit den Fingern verbunden, während diese überbeansprucht sind, kann eine schwache mechanische und elektrische Verbindung zwischen dem Flip-Chip und dem Anschlußrahmen die Folge sein.

Durch die Erfindung können integral angeschlossene Halbleiterplättchen mit integralen Anschlüssen automatisch genau bezüglich der Anschlußrahmenaufbauten ohne die Notwendigkeit einer manuellen Ausrichtung ausgerichtet und dadurch eine größere Produktivität, eine größere Betriebssicherheit bzw» Zuverlässigkeit und eine festere Verbindung erzielt werden.

Erfindungsgemäß weist ein Halbleiterplättchen eine Vielzahl von weichen ferromagnetischen integralen Anschlüssen auf dessen einer Fläche auf und wird in die Nähe von darüberliegenden weichen ferromagnetischen Fingern eines Anschlußrahmens gebracht. Ein magnetisches Feld wird im allgemeinen senkrecht zur Unterseite des Plättchens und der Finger ausgeübt und hebt das Plättchen zu den Anschlußrahmenfingern hoch und drängt sämtliche Finger in einen engen Eingriff mit ihren entsprechenden Plättchenan-

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Schlüssen. Auf dem Weg zu dem Anschlußrahmen wird das Plättchen gleichzeitig automatisch durch das Magnetfeld gerichtet, so daß alle Plättchenanschlüsse sehr genau bezüglich ihrer entsprechenden Anschlußrahmenfinger ausgerichtet werden. Die Plättchenanschlüsse werden anschließend mit den Anschlußrahmenfingern verbunden.

Eine "Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, daß auf einer weichen ferromagnetischen Abstützung ein Halbleiterplättchen mit einer Fläche angeordnet ist, auf der eine Vielzahl von weichen ferromagnetischen integralen Anschlüssen ausgebildet sind, so daß die Plättchenfläche nach oben gerichtet ist. Die Abstützung ist so positioniert, daß das Plättchen unter einem darüberliegenden leitenden Anschlußrahmen in einem engen Abstand von diesem gelegen ist, wobei der Anschlußrahmen einen Satz von konvergenten vorstehenden weichen ferromagnetischen Fingern hat, deren freie Enden den integralen Anschlüssen auf dem Plättchen entsprechen. Die integralen Anschlüsse liegen in der unmittelbaren Rahe der entsprechenden freien Fingerenden. Es wird ein Magnetfeld im wesentlichen senkrecht zu dem Plättchen und dem Fingersatz ausgeübt, so daß die integralen Plättchenanschlüsse in eine genaue Übereinstimmung mit den entsprechenden freien Fingerenden kommen und gleichzeitig das Plättchen durch Magnetkraft von der Abstützung zu den freien Fingerenden hochgehoben und ein gleichförmiger enger, jedoch gering beanspruchter Eingriff zwischen allen integralen Plättchenanschlüssen und ihren entsprechenden freien Fingerenden erzeugt wird und die integralen Plättchenanschlüsse mit den freien Fingerenden verbunden werden. _;{_:·.. . .

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Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf beigefügte Zeichnung näher beschrieben; in dieser zeigt:

J¹Xg. 1 eine isometrische Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Halbleiter-Flip-Chip auf einem Über™ tragungs-Trägerstift unter einem darüberliegenden Leitungsrahmen,

Fig. 2 einen vergrößerten Schnitt längs der Linie 2-2 der Fig.1 vor der Übertragung des Chips bzw. Plattchens zu dem Leitungsrahmen,

Fig. 3 eine Draufsic__ht der Fig. 2 längs der Linie 3~3»

Fig. 4- eine der Fig, 2 ähnliche Ansicht nach der Übertragung des Chips bzw. des Plättchens zu dem Leitungsrahmen,

Fig. 5 eine Draufsicht auf Fig. 4- längs der Linie 5-5» und

Fig. 6 eine vergrößerte isometrische Ansicht mit einer Vielzahl von untereinander auswechselbaren Trägerstiften für die Vorrichtung gemäß Fig. 1.

In den Fig. 1-3 ist ein Halbleiter-Flip-Chip 10 dargestellt, welches für ein Übertragen bereit ist. Das Flip-Chip 10 ist ein Formteil für integrierte Silikon-Halbleiter-Kreise, welches es ungefähr 0,0965 cm (38 mils im Quadrat) und eine Dicke von ungefähr 0,0279 bis 0,0330 cm (11 bis 13 mils) zwischen seinen beiden größeren Flächen hat und ein Dutzend von sich in einem Abstand befindlichen Kontaktansätaen 12 auf seiner oberen Fläche aufweist, die um ihren Umfang bzw. Rand in einem gleichen Abstand

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gelegen sind, wobei jeder einzelne Kontaktansatz ungefähr 0,00203 cm (0,8 mils) hoch ist und 0,00965 cm im Quadrat (3»8 mils im Quadrat) hat. Die Kontaktansätze 12, die bezüglich des Plättchens 10 zwecks einer einfacheren Darstellung vergrößert gezeigt sind, sind eine Zusammensetzung von Schichten aus Aluminium, Chrom, Nickel, Zinn und Gold, wobei die äußerste Schicht Gold ist, um mit einem goldplattierten Leitungsrahmen eine eutektische "ferbindung herstellen zu können. Obgleich der vorgenannte Aufbau von Ansätzen bevorzugt wird, kann dieser variiert werden, wobei jedoch der Nickelgehalt ■ mindestens 30 % und bevorzugterweise 60 % im Volumen des gesamten Kontaktansatz-Volumens sein sollte.

Der Nickelgehalt schafft einen Weg geringer Reluktanz, wodurch die magnetischen Flußlinien leicht durch die Kontaktansätze gelangen können« Je höher das Volumen über 30 % liegt, desto mehr verleiht Nickel den Kontaktansätzen die Charakteristik eines weichen ferromagnetischen Materials. Der in der Beschreibung und in den Ansprüchen verxtfendete Ausdruck "weiches ferromagnetisches Material" bezeichnet ein Material mit einer großen magnetischen Gesamtper'mealüLität und einer niedrigen Restmagnetisierung, wobei das erforderliche Koerzitivfeld gering ist. Obgleich herausgefunden wurde, daß Nickel das praktischste Metall in der Herstellung ist, können an dessen Stelle andere Metalle wie beispielsweise Weicheisen treten. Werden noch andere weichen ferromagnetischen Materialien ersetzt, kann ein größeres Volumenverhältnis erforderlich sein, wenn diese anderen Materialien eine deutlich geringere magnetische Permeabilität oder eine andere entsprechende magnetische Charakteristik aufweisen, was einem Fachmann geläufig ist.

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BÄböaiGiNÄLr

Wie deutlicher aus der Fig. 2 zu entnehmen ist, ist die hintere Seite des Flip-Chips 10 auf der obersten Spitze 14 einer senkrechten Abstützung oder einem Ubertragungsträgerteil 16 einer Übertragungsvorrichtung 18 angeordnet und sitzt auf einem flachen Teil der Spitze bzw« des Randes 14, welcher waagrecht ist und senkrecht zur Längsachse des Trägerteiles 16 verläuft. Das Trägerteil 16 ist eine feste zylindrische Stange, welche einen Durchmesser von ungefähr 0,0914 cm (36 mils) hat und ungefähr 1,6 cm (5/8 inch) lang ist und aus einem weichen ferromagnetischen Material wie beispielsweise Weicheisen besteht. Es könnte jedoch weicher kalt- oder heißgewalzter Stahl benützt werden. Wie in der Zeichnung gestrichelt dargestellt, weist der Rand bzw. die Spitze 14 des Trägerstifts 16 eine Vertiefung auf (welche im Durchmesser ungefähr 0,0635 cm (25 mils) und 0,0508 cm (20 mils) tief ist), wobei diese Vertiefung gewährleistet, daß die durch den Trägerstift 16 geleiteten Magnetflußlinien um die Peripherie des darauf gelegenen Flip-Chips 10 konzentriert werden* wo die Flip-Chip™ Kontaktansätze 12 angeordnet sindo Obgleich die Vertiefung in dem Trägerstift bevorzugt wird, ist sie nicht wesentlicher Bestandteil dieser Erfindung«

Das untere Ende des Trägerstifts 16 ist ungefähr 0,635 cm (i/4 inch) tief in dem oberen Ende eines Trägerstifthalters 20 montiert und darin durch einen Satz Schrauben 22 befestigt. Der Trägerstift-Halter 20 ist aus einem weichen ferromagnetischen Material wie beispielsweise aus einem heißgewalzten Stahl aufgebautj wobei Jedoch auch Weicheisen oder kaltgewalzter Stahl verwendet werden könnte. Er hat einen Durchmesser von ungefähr

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1,6 cm (5/8 inch), ist " 7,22cm (2-7/8 inch) lang und an seinem oberen Ende verjüngt. Sein unteres Ende weist ein Flanschteil 24 auf, das einen Durchmesser von ungefähr 3>1 cm (1,245 inch) und eine Dicke von 0,635 cm (i/4 inch) hat und in einer Aussparung auf der oberen Fläche eines ringförmigen Hebebasisteils 32 aus rostfreiem Stahl sitzt. Das größere Längsteil des Trägerstifthalters 20 und das Hebe-Basisteil 32 weisen eine konzentrische zylintische Längsöffnung auf, um das zylindrische obere Ende 26' einer Basisführung 26 aus rostfreiem Stahl aufzunehmen, wobei sich das obere Ende 26' ungefähr 6»9 cm (2-3/4 inch) in die Längsöffnungen in dem Trägerstifthalter 20 und dem Hebe- ' Basisteil 32 erstreckt. Der Trägerstifthalter 20 und das Hebe-Basisteil sind um das Basisführungsende 26' gepaßt, so daß sie dort entlang leicht ohne eine wesentliche horizontale Abweichung in Yertikalrichtung gleiten, wie dies nachfolgend beschrieben wird. Die Basisführung 26 weist einen Flansch 28 an ihrem unteren Ende auf, welches mit einer Aluminium-Befestigungsplatte 30 beispielsweise durch Schrauben 34 befestigt ist. Die obere Fläche des. Flansches 28 dient als Sitz für das untere Ende des Hebe-Basisteiles 32· Die so weit beschriebene Anordnung ist zwischen den Armen 36 und 38 eines Jochteiles eines Aluminiumhebels 40 angeordnet. Das Hebe-Basisteil 32 hat zwei entgegengesetzt angeordnete, radial sich erstreckende Zapfen 42, die auf den Armen 36 und .38 des Hebels 40 ruhen. Der Hebel 40 ist schwenkbar auf einem Aluminiumdrehpunkt bzw. -Iager43 befestigtj welches an die Befestigungsplatte 30 angefügt ist. Durch Niederdrücken des Hebels 40 können der Tragerstift 16 und die Glieder der Übertragungsvor-

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gehoben werden-

richtung 18^ welche steif'damit verbunden sind, wobei sie horizontal ausgerichtet bleiben, während sie längs des zylindrischen Basisführungsendteiles 26' gleiten.

Eine elektromagnetische Spule 44 umschließt die Peripherie des Trägerstifthalters 20 und ist von diesem isoliert, wobei die Spule . 2,857 cm (1-1/8 inch) lang und aus einem Kupferlackdraht der Größe No. 36 gauge mit 63 längs- und 10 Tiefenwindungen aufgebaut ist. Die Spule 44 bildet in Verbindung mit der Spitze 16 und dem Halter 20, welche als ein Kern dienen, einen Elektromagneten. Der Elektromagnet kann durch einen bekannten typischen Gleichstrom-Netzanschluß erregt werden, welcher in Serie mit der Spule 44 und einem Schalter 45 geschaltet ist. Der Netzanschluß hat typischerweise 0-20 Volt und 0-1 Ampere. Bei einer Anwendung, der Erfindung sollte bevorzugterweise der Netzanschluß ungefähr 15 Volt und 0,45 Ampere zur Spule 44 liefern. Es kann aber auch, ein bekannter Wechselstromanschluß verwendet werden.

Die exakte Größe und Form des Elektromagneten kann wie der Strom von der Netzleitung verändert werden. Tatsächlich wurde die Anzahl der Spulenwindungen, welche der Elektromagnet aufweist, von 45 bis

von

75 Längswindungen' und'5 bis 15 Tiefenwindungen und zwischen 2,54 cm (1 inch) und 5>715 cm (2-1/4 inch) in der Länge verändert. Darüberhinaus kann der Strom, der für die vorstehend beschriebene Spule benötigt wird, auf ein Minimum von O_?O18 Ampere mit zufriedenstellenden Ergebnissen verringert werden. Ist der Schalter

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geschlossen, ist ein Feld senkrecht zu dem Flip-Chip 10 ausgebildet, und es sind die Flußlinien durch den Trägerstift 16 um die Peripherie des Flip-Chip 10 herum konzentriert.

Über dem Flip-Chip 10 liegend ist ein leitender· metallischer Leitungsrahmen 46, der aus einem weichen ferromagnetxschen Material wie z.B. aus Alloy 42 aufgebaut ist, welches mit einer dünnen Goldschicht beschichtet worden ist. Alloy 42 ist eine Legierung, welche gexfichtsmäßig ungefähr 41,5 % Nickel, 0,05 # Kohlenstoff, 0,5 % Mangan, 0,25 % Silicium und die rest-" liehe Prozentzahl Eisen enthält. Der Leitungsrahmen 46 ist ungefähr 26 cm (10-1/4 inch) lang, . 4,44 _Cm (1-3/4 inch) breit und 0,063 cm (25 mils) dick. Der Leitungsrahmen 46 weist eine Vielzahl von Sätzen 48 von gegenseitig sich in einem Abstand befindenden nach innen konvergierenden vorstehenden Fingern 5° auf, wobei die Sätze jeweils voneinander sich in einem Abstand befinden und in zwei parallelen Reihen angeordnet sind* Die Finger in jedem Satz haben freie innere Enden 50', die in einem vorbestimmten Muster angeordnet sind, \irelches dem Muster der Kontaktansätze 12 auf dem Halbleiter-Flip-Chip 10 entspricht.

Der goldplattierte Alloy 42-Leitungsralimen ist sehr zufriedenstellend. Es kann Jedoch die Goldplatierung weggelassen werden, wenn es nicht gewünscht wird, die Ansätze durch eutektische Verbindung zu'befestigen. Wird eine andere Ausführungsform einer Befestigung der Ansätze an den Fingernverwendet, kann eine andere Beschichtung, mehrere Beschichtungen oder keine Beschichtung bevorzugt werden. Beispielsweise können die Finger, die Ansätze

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oder beide durch ein Lötmittel beschichtet sein. Es scheint, daß es sehr wichtig ist, daß die Leitungsrahmen-Finger aus einem weichen ferromagnetischen Material bestehen. Bei dieser Ausführungsform brauchen dann lediglich diese Teile aus Alloy 42 oder dergl. sein und der Rest des Leitungsrahmens kann aus einem anderen beliebigen Material bestehen. In analoger Weise könnte der Leitungsrahmen ein Schichtwerkstoff aus einem weichen ferromagnetischen Material und ein beliebiges anderes Material einschließlich Kunststoff sein.

Zwei identische Abdeckplatten 52 und 54, welche auf entgegengesetzten Flächen des Leitungsrahmens 46 nebeneinander angeordnet sind, weisen eine Vielzahl von kreisförmigen darin enthaltenen öffnungen auf, die die Sätze 48 der Leitungsrahmenfinger 50 freilegen. Die Abdeckplatten 52 und 54 haben im allgemeinen die gleiche Ausdehnung wie der Leitungsrahmen 46 und sind aus rostfreiem SAE 300-Serien-Stahl aufgebaut, der ungefähr 0,159 cm (l/l6 inch) dick ist, kann aber auch aus Aluminium oder einem beliebig anderen im wesentlichen nicht-ferromagnetischen Material hergestellt sein. Die Abdeckplatten 52 und 54 befinden sich mit dem dazwischen gelegenen dünnen Leitungsrahmen 46 in einer Sandwichanordnung, um die Fingersätze 48 soweit wie möglich in der gleichen Ebene zu halten. Die Abdeckplatten 52, 54 und der Leitungsrahmen 46 sind in gegenseitiger Übereinstimmung mit Hilfe von Klammern 56 auf den Enden der Arme 58 befestigt, welche mit einem abstützenden automatischen Indexiqrungs- bzw. Schaltmechanismus gemäß Fig. 1 verbunden sind. Der Leitungsrahmen 46 wird

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parallel zur Befestigungsplatte 30 der Übertragungsvorrichtung 18 gehaltert, wobei die Befestigungsplatte an einer flachen, steifen Oberfläche (nicht dargestellt) durch darin enthaltene Befestigungslöcher 60 angebracht ist. Der automatische Indexierungsmechanismus bewegt den Leitungsrahmen in die Richtung der Pfeile der Fig. 1, so daß nachfolgend die Sätze 48 der Finger 50 über die Trägerstiftspitzen 16 positioniert werden. Der Leitungsrahmen kann manuell wie auch automatisch bewegt werden. Ein Verbindungsbrenner 62, welcher mit einer Quelle eines hitzereduzierenden oder inerten Gases in Verbindung steht, ist so gerichtet, daß das Heißgas gegen die obere Fläehe eines jeden Fingersatzes 4-8 gerichtet wird, welcher -Ober den Trägerstift 16 bewegt ist.

Erfindungsgem.äß wird ein Satz 4-8 der Leitungsrahmenfinger in eine Position über dem Trägerstift 16 durch den automatischen Indexierungsmeohanismus gebracht. Die Hinterseite des Halbleiter-Flip-Chips 10 wird auf der Spitze 14 des Trägerstifts 16 der Übertragungsvorrichtung in eine allgemeine Ausrichtung mit den Leitungsrahmenfingern angeordnet. Gemäß Fig. 2 und 3 werden die Kontaktansätze auf dem Halbleiter-Flip-Chip 10 wahrscheinlich etwas außerhalb einer genauen Einstellung in bezug auf ihre entsprechenden Finger 50 des Leitungsrahraens 4-6 sein. Die Elektromagnetspule 44 wird dann durch Schließen des Schalters 46 erregt, und es wird anschließend der Hebelarm. 40 niedergedrückt. Das Niederdrücken des Hebelarmes·40 hebt die Trägerstiftspitze 16 mit dem darauf angeordnetenHalbleiter-Flip-Ohip senkrecht in die unmittelbare Nachbarschaft der Unterseite des

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darüber liegenden Satzes 48 der Leitungsrahmenfinger 5°> jedoch nicht in einen Kontakt mit dieser.

Befindet sich das Flip-Chip 10 nahe genug an der Unterseite der Finger 50» hebt die magnetische Kraft, welche durch den weichen ferromagnetisdaen Trägerstift 16 übertragen wird, das Chip bzw. Plättchen den restlichen Weg zur Unterseite der Finger 50 gemäß Fig. 4 und 5· Beim Bewegen von dem Trägerstift 16 zu den Fingern 50 wird das Flip-Chip 10 auch gleichzeitig automatisch durch die Magnetflußlinien ausgerichtet bzw. in der Lage bestimmt, welche in den Leitungsrahmenfingern 5O und den Plättchen-Kontaktanslitzen 12 konzentriert sind, so daß die Kontaktansätze 12 genau in einer Einstellung mit den Fingern 50 sind, wenn die Kontaktansätze 12 in einem Eingriff mit ihren entsprechenden Fingern 50 sind. Diese Orientierung bzw. Ausrichtung kann vor oder nach dem Abheben des Plättchens von dem Trägerstift erfolgen, tritt jedoch immer vor einem Eingriff der Kontaktansätze 12 mit deren entsprechenden Fingern ein. Je näher das Plättchen zu den Fingern kommt, desto größer ist die ausgeübte Orientierungskraft.

Wie nahe nun das Flip-Chip zu den darüberliegenden Leitungsrahmenfingern gebracht werden muß, hängt von verschiedenen Faktoren ab, beispielsweise von der Stärke des Magnetfeldes des Elektromagneten, von der Konzentration der Kraftflußlinien im Bereich des Plättchens und der darüberliegenden Finger, von der Größe und von dem Gewicht des Flip-Chip und von der Größe der Leitungsrahmenfinger. In Abhängigkeit lieber Variablen müssen die Kontakt-

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ansätze in Vertikalrichtung "bis auf mindestens 0,02 cm (8 mils) an die "finger "bzw. 0,05 cm (2 mils) herangebracht werden, bevor es abhebt und sich ausrichtet. Weiterhin wurde herausgefunden, daß die am meisten konsistente und genaueste Ausrichtung eintritt, wenn die Kontaktansätze -in unmittelbarer Nähe ihrer entsprechenden freien fingerenden sind; d.h. wenn das Plättchen innerhalb ca. 10° einer Parallelen zur fingersatzebene gehalten ist, wenn die Eontaktansätze zu ihren entsprechenden freien fingerenden bis auf einen Horizont al ab st and von mindestens 0,0762 cm,(3 mils) gebracht sind und wenn das Muster der Ansätze zu dem Muster der freien fingerenden bis auf mindestens 20° Q gerichtet ist, wobei θ in bezug auf eine imaginäre Achse gemessen ist, welche senkrecht zum Leitungsrahmen und durch die Mitte des fingersatzes verläuft.

Sobald der Eingriff zwischen den Kontaktansätzen 12 und den fingern 50 hergestellt ist, werden diese bleibend miteinander durch einen Heißgasstrom aus dem Yerbindungsbrenner 62 verbunden, während die Magnetkraft das Plättchen gegen den Leitungsrahmen hält. Typischerweise ist das Heißgas ein Stickstoff-Wasser stoff -Gasgemisch mit einer Temperatur von ungefähr 500⁰O, welches von einer Quelle gemäß dem Kasten in fig. 1 angeliefert wird, die mit dem Brenner verbunden ist. Das Heißgas schmilzt das Zinn in dem Ansatz, und die Goldaußenflächen der Kontaktansätze 12 und der finger 50 lösen sich in dem Zinn, um eine Schmelze zu bilden. Dann wird das Heißgas entfernt, und die

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Schmelze verfestigt sich wieder, um eine bleibende elektrische und mechanische Verbindung zwischen den Flip-Chip-Ansätzen 12 und den Leitungsrahmenfingern ^Q zu bilden.

Obgleich eine genaue theoretische Berechnung der Erfindung nicht vollständig ausgeführt worden ist, kann eine allgemeine Erklärung abgegeben werden. Die elektromagnetische Spule 44 erzeugt ein magnetisches Feld mit Kraftflußlinien, welche auf dem Halter 20 konzentriert sind, der als ein Elektromagnetkern wirkt. Die Kraftflußlinien werden zu dem weichen ferromagnetischen Trägerstift 16 übertragen und in diesem konzentriert, der sich von dem Halter 20 erstreckt. Die Magnetflußlinien erstrecken sich weiter senkrecht durch das Silicium des Halbleiter-Flip-Ohip 10 auf der Spitze 16 und werden in den weichen ferromagnetischen Kontaktansätzen 12 auf dem Plättchen dicht gebündelt. Wenn der Trägerstift das Plättchen in eine unmittelbare Nachbarschaft zu dem Leitungsrahmen 4-6 bringt, nehmen die durch die Kontaktansätze 12 geleiteten Magnetflußlinien den Weg der geringsten Reluktanz, welche durch die weichen ferromagnetischen Finger 50 des Leitungsrahmens 4-6 verläuft. Diese Konzentration der Kraftflußlinien in den Kontaktansätzen und den Fingern bewirkt, daß das Flip-Chip zu dem iieitungsrahmen traversiert, wobei die Kontaktansätze sich selbst automatisch in eine genaue Einstellung zu ihren entsprechenden Fingern des Leitungsrahmens ausrichten. Darüberhinaus erscheint es, daß durch die Verwendung von Trägerstiften mit Spitzen 14-, welche einen wirksamen Oberflächenbereich haben, der durch ihre äußere Peripherie bestimmt ist,

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welche geringfügig kleiner ist als die einer größeren Fläche des Plättchens 1Ö und die Auszackungsmuster darin aufweist wie beispielsweise die untereinander austauschbaren Trägerstif-te 16A, 1633, 16C der Fig. 6, die Magnetflußlinien weiter in den Bereichen der Kontaktansätze 12 konzentriert bzw. gebündelt werden können, um eine präzise Ausrichtung zu gewährleisten. Abhängig von der' Größe des Plättchens und dem Muster der Kontaktansätze auf dem Plättchen kann die Trägerstift-Ausbildung modifiziert werden, um die Kraftflußlinien in den Bereichen der Kontaktansätze zusammenzufassen.

Wie aus der Fig. 4 ersichtlich, sind die Finger 50 des Leitungsrahmens 46 durch die Trägerstift-Überführung nicht überbeansprucht, wie dies früher der Fall war. Durch die Erfindung ist es nicht, notwendig, daß der Trägerstift die Seite des Flip-Chip 1Ö berührt, nachdem die magnetische Kraft das Flip-Chip zu dem Leitungsrahmen treibt. Alles was von dem Trägerstift gefordert wird, ist demgemäß, daß dieser das Flip-Chip in eine unmittelbare Nachbarschaft zu den Leitungsrahmenfingern bringt und ein im allgemeinen senkrecht zu dem Plättchen und den Fingern verlaufendes konzentriertes Magnetfeld schafft. Es ist keine manuelle Ausrichtung durch Drehen des Trägerstiftes 16 erforderlich, um die Kontaktansätze in bezug auf ihre entsprechenden Finger des Leitungsr-ahmens einzustellen. Daher kann durch die Erfindung eine wesentliche Zeit- und Kostenersparnis erzielt werden, verbunden mit einer gleichmäßigen Genauigkeit. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist,

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daß bei nicht zueinander koplanaren Fingern 50 eines Satzes 48 das Magnetfeld die Finger, zu den Flip-Ghip-Kontaktansätzen zieht, um einen engen Eingriff trotz der Tatsache zu schaffen, daß die Finger oder die Ansätze nicht' in einer Ebene liegen. Wenn die Höhe der Kontaktansätze auf einem Plättchen unterschiedlich ist, verbiegen sich die Fingerbereiche nur so weit wie dies benötigt wird, um in einem engen Eingriff mit ihrem entsprechenden Einzelansatz zu stehen. In beiden Fällen wird ein Eingriff von Ansätzen mit Fingern erhalten, der gleichmäßig und eng ist und die zusammenwirkenden Teile nur gering beansprucht.

- Patentansprüche -

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Claims

Patentansprüche

Θ-Verfahren zum automatischen Ausrichten eines Halbleiter-

plättchens mit darauf ausgebildeten integralen Anschlüssen in bezug auf einen leitenden Anschluß-Rahmenaufbau und zum Übertragen des Plattchens zu dem Rahmenaufbau, um dieses daran bleibend zu verbinden, dadurch gekennzeichnet , daß auf einer weichen ferromagiie tischen Abstützung (16) ein Halbleiterplättchen (1O) mit einer Fläche angeordnet wird, auf welcher eine Vielzahl von weichen ferromagnetischen integralen Anschlüssen (12) ausgebildet sind, so daß die Plättchenfläche nach oben gerichtet ist, daß die Abstützung (16) so positioniert wird, daß das Plättchen unter einem darüberliegenden leitenden Anschlußrahmen (46) in einem geringen Abstand von diesem liegt, daß der Anschlußrahmen (46) einen Satz konvergenter

vorstehender Finger (4-3) aus weichem ferromagnetischem Material auf v/eist, deren freie Enden (5O') den integralen

• Anschlüssen auf dem Plättchen entsprechen, daß die integralen Anschlüsse in unmittelbarer Nachbarschaft der entsprechenden freien Fingerenden gelegen sind, daß ein Magnetfeld im wesentlichen senkrecht zu dem Plättchen und dem Fingersatz (48) ausgeübt wird, so daß die integralen Plättchenanschlüsse (12) in eine genaue Einstellung mit den entsprechenden freien Fingerenden (5O¹) gebracht werden, gleichzeitig das Plättchen durch Magnetkraft von der Abstützung zu den freien Fingerenden angehoben und ein gleichmäßiger enger Eingriff geringer Beanspruchung zwischen sämt-

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lichen integralen Plattclienanschlussen (12) und deren entsprechendem freien IFingerende. (50') hervorgerufen wird, und daß die integralen Plättchenanschlüsse mit den freien Fingerenden verbunden werden. ...
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die integralen Plättchenanschlüsse (12) und die Anschlußrahmenfinger (48) erhitzt werden, während sie im Eingriff sind, um zwischen diesen eine bleibende Verbindung zu bewirken.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e k e h η ζ e i.:C h η e t ■, daß'die-integralen Plättchenansöhlüsse (12) Kontaktansätze aus weichem ferromagnetischem Zinn und goldplattiert sind^mit einem Nickelgehalt von mindestens 30 Vol.-%- bezüglich des gesamten Kontaktansatzvolumens, und daß die Abstützung aus einem weichen ferromagnetischen Material mit geringer magnetischer Reluktanz aufgebaut ist", das einen Magnetfluß leicht hindurchtreten läßt und die Magnetflußlinien im Bereich der Köntaktansätze konzentriert. ·
4. Verfahren nach Anspruch 3» dadurch g e k e η η ζ e i c h net, daß die Finger goldplattiert sind und daß die Verbindung durch Anwendung eines Heißgases auf die Plättchenanschlüsse und Pinger bewirkt wird, um eine Zinn- und Goldschmelze auf/bzw. an den Oberflächen zu bilden.

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den
5· Verfahren nach/Ansprüchen 1 bis 4, dadurch, gekennzeichnet, daß die Abstützung (16) so positioniert wird, daß die Plättchenanschlüsse in einem Abstand von 0,005 bis 0,020 cm (2 bis 8 mils) von einem darüberliegenden Fingersatz (48) liegen.
6. Vorrichtung zum automatischen Ausrichten eines Halbleiterplättchens, auf welchem integrale Anschlüsse ausgebildet sind, mit einem leitenden Anschluß-Rahmenaufbau und zum Übertragen des Plättchens zu dem Rahmenaufbau zwecks bleibender Verbindung an diesem, bei welcher eine Einrichtung einen Anschlußrahmen horizontal abstützt, der eine Vielzahl von Sätzen von nach innen konvergierenden weichen ferromagnetischen Fingern entsprechend den integralen Anschlüssen auf einem Halbleiterplättchen hat, und bei welcher eine Einrichtung Teile des Anschlußrahmens zwischen den Sätzen im wesentlichen koplanar hält, jedoch die Finger aus dieser Ebene bewegt werden können, dadurch gekennz eichn e t , daß eine weiche ferromagnetische Abstützung (16) zum Anordnen eines Halbleiterplättchens 10 vorgesehen ist, auf dessen einer Fläche eine Vielzahl von weichen ferro-

• magnetischen integralen Anschlüssen (12) ausgebildet sind, so daß das Plättchen sich von dem Anschlußrahmen (46) in einem Abstand befindet und die integralen Plättchenanschlüsse in unmittelbarer Nähe eines darüberliegenden Satzes (48) von Anschlußrahmenfingern sind, daß eine Einrichtung (44) vorgesehen ist, welche eine Magnetkraft durch die Abstützung und

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im wesentlichen senkrecht zu dem Plättchen (10) und dem darüberliegenden Fingersatz .(48)· ausübt, so daß das Plättchen von der Abstützung an den Anschlußrahmenfingersatz hochgehoben und gleichzeitig das Plättchen automatisch ausgerichtet wird, während dieses hochgehoben wird, so daß dadurch eine genaue Einstellung zwischen sämtlichen integralen Plättchenanschlüssen und deren entsprechenden Anschlußrahmenfingern hervorgerufen wird, und daß eine Einrichtung (62) das Plättchen mit dem Fingersatz verbindet.

7· Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich von der weichen ferromagnetischen Abstützung (16, 20, 24, 32) ein weicher ferromagnetischer Trägerstift (16) erstreckt, auf dessen einem Endteil (14) das Plättchen abgestützt werden kann, daß das Endteil einen flachen Oberflächenbereich aufweist, der geringfügig kleiner ist als eine größere Fläche des Plättchens, daß eine Spule aus elektrisch leitendem Draht' die Trägerstift-Abstützung umschließt, sich in Längsrichtung von dem Trägerstift in einem Abstand befindet und koaxial zu diesem verläuft, daß eine Einrichtung mit der Spule geschaltet ist, welche einen Stromfluß für eine gewünschte Zeitdauer dort hindurch ermöglicht, so daß die Spule Magnetflußlinien erzeugt, die in Längsrichtung durch den Trägerstift und senkrecht zu dem Plättchen verlaufen, so daß das Plättchen durch Magnetkraft von dem Trägerstift gehoben und zu dem Anschlußrahmenfingersatz in eine genaue Einstellung mit diesem übertragen wird, und daß eine

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Einrichtung (40., 42) den Trägerstift in Vertikalrichtung bewegt,,.-wobei die Abstützung und die Spule als eine Ein-, heit das. .Plätt.qhen unter einen darüber liegenden Anschlußrajtanenfingersatz in einem engen Abstand von diesem positioniert. _ "-.........- ■ .. - ■

8* Vorr^cn'tungnäcli'Anspruch 7, dadurch g e'k'e ή η zeichn"ö't,'^:daß der' Trägerstift mindestens einen'Einbuchtungen in dem" Endteil (14)^T aufweist, um die Magnetflußlinien zu den peripheren Teilen des"Trägerstifts hin zu konzentrieren, über welchem integrale Anschlüsse auf einem Halbleiterplätt- _chen. angeordnet werden können..

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