DE3739333C2 - Verfahren zur Herstellung von Klebeverbindungen für Elektronik- und Mikroelektronikanwendungen - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von Klebeverbindungen für Elektronik- und Mikroelektronikanwendungen

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Her­ stellung von Klebeverbindungen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Durch die Anmelderin ist ein Verfahren zum Mikrolöten bekannt ("Proceedings" - SMT-Int. Conf., S. 153-164, June 87), bei dem mit Hilfe eines ND-YAG-Lasers eine Lötstelle und das darauf aufzubringende Lot erhitzt wird und die Wärmeabstrahlung der erhitzten Lötstelle mit einem Infrarotdetektor gemessen und aus dem Meß­ signal die beim Erreichen des Lotschmelzpunktes entste­ hende Unstetigkeit ermittelt und der Erhitzungsvorgang für die Lötstelle abgebrochen wird. Hiermit werden elektronische Mikrobauteile, insbesondere in Form ober­ flächenmontierter Schaltungen, Chips und IC-Elemente mittels des Laserstrahls zeit- und temperaturgesteuert verlötet bzw. gebondet. Durch dieses Verfahren werden die bisher beim Chip-Verlöten aufgetretenen Probleme gelöst.
Weiterhin ist es bekannt, die Chips mittels Epoxy-Die- Bonden aufzubringen. Jedoch muß hier der Kleber in nas­ ser Form aufgetragen und in mehreren Stunden ausgehär­ tet werden. Dies führt jedoch dazu, daß sich die Chips leicht verschieben oder gar ablösen. Außerdem können sie nicht "on-line" fixiert werden. Die geklebten Chip­ verbindungen haben ebenso wie die Lötverbindungen rela­ tiv hohe Schichtdicken im Bereich von ca. 50 mm. Außer­ dem sind sie häufig nicht porenfrei, so daß sie dann einen hohen Wärmewiderstand bzw. hohe Betriebstempera­ turen aufweisen.
Der DE 36 00 895 A1 ist das rückseitige Beschichten von Wafern mit einer Schmelzkleberlösung, das anschließende Trocknen und Zersägen der Wafer in einzelne Chips sowie das Aufbringen der Chips auf ein Schaltungssubstrat, gefolgt von dem nachfolgenden Erwärmen des Klebstoffs, zu entnehmen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Aufkleben von Chips auf Schaltungs­ substrate zu schaffen, mit dem eine schnelle, fortlau­ fende Bondung gewährleistet ist, also die bisher stun­ denlange Aufheiz- und Bondzeit extrem reduziert wird.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 aufgezeigten Maßnahmen gelöst. In den Unteransprüchen sind Ausge­ staltungen und Weiterbildungen angegeben und in der nachfolgenden Beschreibung ist das Verfahren an Ausfüh­ rungsbeispielen erläutert. Die Figuren der Zeichnung ergänzen die Erläuterungen der Beschreibung. Es zeigen:
Fig. 1 eine Ansicht eines nach der Erfindung modifi­ zierten Laser-Chip-Bond-Apparates,
Fig. 2 ein Temperatur-Zeit-Diagramm beim Chip-Bonden mit Kleber Araldit AV 8,
Fig. 3 ein Temperatur-Zeit-Diagramm beim Chip-Bonden mit thermoplastischer Polyamidfolie Pi-A, bei 2 W Laserstrahlung,
Fig. 4 ein Temperatur-Zeit-Diagramm beim Chip-Bonden mit leitendem, schmelzbarem Kleber.
Das vorgeschlagene Verfahren zum Laser-Chip-Bonden mit schmelzbaren Klebern sieht vor, daß die sogenannten Wafer rückseitig in einer Lackschleuderanlage mit einer Schmelzkleber-Lösung bzw. mit einem Klebelack beschich­ tet oder mit einer Folienbügelanlage mittels einer Kle­ befolie kaschiert werden. Anschließend werden die Wafer wie üblich zersägt und die vereinzelten Chips getrock­ net. Als Klebefolie eignen sich die neuartigen feuchte­ beständigen, thermoplastischen Polyimidfolien.
In einem anderen Verfahrens-Ausführungsbeispiel wird vorgeschlagen, einen der bekannten hochreinen, sehr schnellhärtenden schmelzbaren Epoxidharzkleber zu ver­ wenden. Diese Kleber zeichnen sich ungehärtet durch eine starke Thermoplastizität, gehärtet durch hohe Warmfestigkeit und hohe Haftung, durch Konstanz der Ei­ genschaftswerte, durch eine hohe Dauerwärmebeständig­ keit bis 200 °C, Feuchtebeständigkeit und Indifferenz gegenüber den bekannten Schaltungskomponenten aus. Ein Ausgasen tritt nicht auf.
Die obenerwähnten vereinzelten Chips werden mit einer Bestückungsanlage, wie sie als Die-Bonder üblich ist, aufgebracht, wobei allerdings anstelle eines Klebestem­ pels ein Laserkopf angeordnet und über ein Glasfaserka­ bel mit einem Nd:YAG-Laser verbunden ist. Der Nd:YAG- Laser befindet sich an der Stelle der Epoxidharz-Aufbe­ reitungsanlage.
Die Chips werden nun getaktet aufgenommen und anschlie­ ßend mit dem Laser fixiert. Gleichzeitig mit dem Fixie­ ren durch den Laser wird dabei bereits der nächste Chip aufgenommen. Die Fig. 1 der Zeichnung veranschaulicht eine solche Anlage, in der mit dem vorgeschlagenen Ver­ fahren vor allem große Stückzahlen verarbeitet werden können. Die Schaltungen mit den Chips werden "on-line" weiterverarbeitet und die Gehäuse sofort verdeckelt bzw. die Chips hermetisch verschlossen. Durch die nur 5 bis 10 mm dünnen Klebe- bzw. Folienschichten werden gute Wärmeübergangswiderstände erzielt. Die Fig. 2 zeigt den Temperatur-Zeit-Verlauf einer heißhärtenden Chip-Laserverklebung mit speziellem Epoxidharz.
Es hat sich gezeigt, daß bei Verwendung thermoplasti­ scher Kleber Taktzeiten von ca. nur 0,5 sec. ermöglicht werden und bei Verwendung von duroplastischen Klebern, z. B. spezielle Prepregs aus Epoxidharz-Silber-Glasge­ webefolien, Taktzeiten von nur 5 sec. Zweifelsfrei liegt somit ein äußerst schonendes Verfahren vor, bei dem die Verarbeitungszeiten von Stunden extrem stark auf 0,5 bis max. 5 sec. reduziert worden sind.
Sollen nun temperaturgesteuerte Laser-Schnellverklebun­ gen mit warmhärtenden Spezialklebern hoher Haftung, Dauerfestigkeit, Dauerwärme- und Hitzebeständigkeit verarbeitet werden, so wird gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren eine temperaturgesteuerte und rechnerkontrol­ lierte punkt- oder nahtförmige Heißverklebung durchge­ führt. Hierbei wird ein mobiler Nd:YAG-Laser mit einer beweglichen Glasfaser-Strahlführung und ein IR-Tempera­ tursensor sehr kurzer Ansprechzeit eingesetzt, der ge­ währleistet, daß der Laser in programmierter Weise ab­ geschaltet wird, sobald der Schmelz- und Härtungsvor­ gang des Klebers erfolgt und damit die charakteristi­ sche Änderung der Aufheizrate bzw. der Temperaturgra­ dient auftritt. Gemäß der ausgewählten Materialkombina­ tion wird die Strahlungsleistung des Lasers so vorgege­ ben, daß die erforderliche Prozeßzeit - im allgemeinen zwischen 0, 1 und 5 sec. - erreicht und genau eingehal­ ten wird. Hierzu erfolgt die IR-Detektor- bzw. Tempera­ turmessung in einem 0,01 sec. -Takt und die Temperatur­ gradienten werden aufgrund dieser Detektorsignale über einen schnellen Tischrechner ermittelt. Beim Klebevor­ gang selbst tritt eine Unstetigkeit im T/t-Verlauf auf, die als Abschaltpunkt für den Laser herangezogen wird.
Die Laser-Schnellverklebungen sind dimensionsgenau; die Erwärmung erfolgt nur oberflächennah, so daß auch ther­ misch empfindliche Chips verklebt werden können.

Claims (4)

1. Verfahren zum Aufkleben von Chips auf ein Schal­ tungssubstrat, wobei folgende Verfahrensschritte durch­ geführt werden,
  • a) Beschichtung der Wafer rückseitig mit einer Schmelzkleber-Lösung oder mit einem Kleberlack in einer Lackschleuderanlage,
  • b) anschließend Zersägen der Wafer in einzelne Chips,
  • c) Vereinzelung der Chips und Trocknung der verein­ zelten Chips,
  • d) Abheben und Aufbringen der vereinzelten Chips auf ein Schaltungssubstrat mit einer automatischen Be­ stückungsanlage,
  • e) Erwärmen der Kleberschicht mit einem Nd:YAG-Laser, wobei
  • e1) fortlaufend die Wärmeabstrahlung des erhitzten Klebers gemessen und die beim Erweichen, Schmelzen oder Aushärten entstehenden Unstetigkeiten in der Wärmeabstrahlung zur Steuerung des Lasers herange­ zogen werden und
  • e2) während des Erwärmens bereits der nächste Chip ge­ mäß Schritt d) aufgenommen wird.
2. Verfahren zum Aufkleben von Chips auf ein Schal­ tungssubstrat, wobei folgende Verfahrensschritte durch­ geführt werden,
  • a) rückseitiges Kaschieren des Wafers mit einer feuchtigkeitsbeständigen, thermoplastischen und härtbaren Polyimidfolie,
  • b) anschließend Zersägen der Wafer in einzelne Chips,
  • c) Vereinzelung der Chips und Trocknung der verein­ zelten Chips,
  • d) Abheben und Aufbringen der vereinzelten Chips auf ein Schaltungssubstrat mit einer automatischen Be­ stückungsanlage,
  • e) Erwärmen der Kleberschicht mit einem Nd:YAG-Laser, wobei
  • e1) fortlaufend die Wärmeabstrahlung des erhitzten Klebers gemessen und die beim Erweichen, Schmelzen oder Aushärten entstehenden Unstetigkeiten in der Wärmeabstrahlung zur Steuerung des Lasers herange­ zogen werden und
  • e2) während des Erwärmens bereits der nächste Chip ge­ mäß Schritt d) aufgenommen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wafer mit einem schnellhärtenden, schmelzbaren Epoxidharzkleber beschichtet werden.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Taktzeiten für thermoplastische Kleber mit ca. 0,5 sec. und bei duroplastischen Klebern mit ca. 5 sec. angesetzt werden.
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