DE3789034T2

DE3789034T2 - Vorrichtung und Verfahren zum Bandlöten.

Info

Publication number: DE3789034T2
Application number: DE3789034T
Authority: DE
Inventors: James W Clark; Fred Drummond
Original assignee: Fairchild Semiconductor Corp
Current assignee: Fairchild Semiconductor Corp
Priority date: 1986-06-19
Filing date: 1987-06-11
Publication date: 1994-08-11
Anticipated expiration: 2007-06-12
Also published as: JPH0770563B2; DE3789034D1; JPS6367740A; EP0250296B1; EP0250296A3; KR880001031A; EP0250296A2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich generell auf Halbleitermontage- und Verpackungsarbeitsgänge und insbesondere auf eine Vorrichtung und auf Verfahren für die automatische Bandheftung von Halbleiterchips an Anschlußrahmen und andere Substrate.
Unkorrekt hergestellte elektrische Anschlüsse werden als dominante Ursache für das Versagen von Halbleiterkomponentenpackungen angesehen. Integrierte Schaltkreiskomponenten können dutzende oder sogar hunderte von Heftnoppen aufweisen, die mit anderen Komponenten verbunden werden müssen, typischerweise durch Verbindung an Anschlußrahmen oder spezialisierten Substraten. Solche Zwischenverbindungen können erzielt werden durch Drahtheften, wobei kleine einzelne Drähte an einem Ende mit dem Heftnoppen auf der Komponente verbunden werden und am anderen Ende mit dem Anschlußrahmen oder dem Substrat. Alternativ und von besonderem Interesse bezüglich der vorliegenden Erfindung verwendet das Bandheften gold- oder zinnplattierte Kupferleitungen, ausgebildet auf einem Kunststoffband. Die Leitungen werden zuerst mit den Heftnoppen auf der Halbleiterkomponente in einer einzigen oder "simultanen" Operation verbunden. Danach wird die Halbleiterkomponente auf dem Band zu einer zweiten Stelle getragen, wo die äußeren Enden der Leiter mit einem Verpackungsanschlußrahmen mit anderem Substrat verbunden werden, ebenfalls in einem einzigen Arbeitsgang.
Das Heften von Metallband kann erzielt werden entweder durch Thermokompression von goldplattiertem Band, Rückfluß von lotplattiertem Band oder eutektisches Heften von zinnplattiertem Band. Von den drei Techniken ist oft das eutektische Heften bevorzugt, weil es sehr verläßliche Kontakte niedrigen Widerstandes liefert, die weniger zu einem Versagen neigen als Kontakte, die mit den anderen beiden Techniken hergestellt werden. Solche eutektischen Heftungen sind jedoch generell schwieriger herzustellen und erfordern eine viel bessere Temperatursteuerung des Heftwerkzeugs. Ein besonderes Problem hat sich mit bestimmten Heftwerkzeugen ergeben, die nicht gleichförmig über die gesamte Kontaktfläche erhitzt werden. Es wurde von den Erfindern festgestellt, daß Temperaturvariation in der Größenordnung von ± 10ºC zu einem Versagen des Erzielens eines eutektischen Heftens führen kann, unabhängig von Einstellungen, die an der Zeitperiode des Kontakts vorgenommen werden.
Aus diesen Gründen wäre es wünschenswert, Heftwerkzeuge zu schaffen, die spezifisch konstruiert werden für die Herstellung eutektischer Heftungen zwischen Heftbandleitern und Metallheftnoppen auf Halbleiterkomponenten. Insbesondere wäre es wünschenswert, wenn solche Heftwerkzeuge in der Lage wären, eine präzise gesteuerte Temperatur längs der gesamten Kontaktfläche aufrechtzuerhalten, und die ferner ein rapides Aufheizen und Abkühlen ermöglichen würden, um kurze Zykluszeiten zu ermöglichen. Schließlich wäre es wünschenswert, wenn das Heftwerkzeug einfach herstellbar wäre und sehr enge Toleranzen ermöglichen würde, wie jene, die man bei hochintegrierten Schaltkreisen (VLSI) vorfindet, wo die einzelnen Chips eine sehr große Anzahl von dicht benachbarten Heftnoppen aufweisen.
Das Dokument FR-A-2 439 322 offenbart eine Heftvorrichtung mit zwei elektrischen Leistungsbussen, die auf einem elektrisch isolierenden Substrat montiert sind. Zwei lineare Widerstandsheizelemente sind mit den Bussen über gemeinsame Stoßstellen verbunden. Wo die linearen Elemente mit den Stoßstellen verbunden sind, ist eine Einschnürung vorgesehen, um so den Wärmeübergang von den Heizelementen auf die Verbindungsstellen zu minimieren, um so im Ansatz gleichförmiges Erhitzen der Heizelemente längs ihrer Länge sicherzustellen.
Das Dokument FR-A-2 496 519 offenbart eine Heftvorrichtung, welche die in der Präambel des Patentanspruchs 1 aufgezählten Merkmale aufzählt.
Die vorliegende Anmeldung wird durch den beigefügten Patentanspruch 1 definiert. Die Unteransprüche, die von Anspruch 1 abhängen, definieren weitere Aspekte der Erfindung.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine Seitenansicht der Heftvorrichtung der vorliegenden Erfindung.
Fig. 2 ist eine Draufsicht auf die Heftvorrichtung.
Fig. 3 ist eine Frontansicht der Heftvorrichtung.
Fig. 4 ist eine Ansicht von unten der Heftvorrichtung.
Fig. 5 ist eine Schnittansicht der Heftvorrichtung nach Linie 5-5 der Fig. 3.
Fig. 6 ist eine perspektivische Darstellung der Heftvorrichtung, wobei einer der vier Leistungsbusse abgenommen ist und ein Paar von linearen Heizelementen abgenommen dargestellt ist.
Fig. 7A und 7B sind eine Seitenansicht bzw. eine Draufsicht auf eine erste Ausführungsform eines linearen Heizelementes der vorliegenden Erfindung.
Fig. 8A, 8B bzw. 8C sind eine Frontansicht bzw. Draufsicht bzw. Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform des linearen Heizelements der vorliegenden Erfindung.
Fig. 9 ist eine schematische Darstellung des Heftsystems der vorliegenden Erfindung.
Fig. 10A-10C illustrieren die Schritte bei dem Heftverfahren der vorliegenden Erfindung.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Heftvorrichtung geschaffen für die Verbindung von Bandleitern zwischen Halbleiterchips und Anschlußrahmen oder anderen Substraten. Die Heftvorrichtung ist geeignet für die Schaffung sowohl der inneren Heftleiter (ILB), d. h. der Heftungen zwischen einem Ende des Bandleiters und dem Heftnoppen auf dem Halbleiterchip, wie auch für äußere Leiterheftungen (OLB), d. h. Heftungen zwischen dem anderen Ende des Bandleiters und dem Anschlußrahmen oder Substrat. Die Heftvorrichtung ist insbesondere vorgesehen für die Bildung eutektischer Heftungen, wo eine Legierung gebildet wird zwischen dem Material des Heftnoppens, typischerweise Gold, und einem Material, das auf die Bandleiter aufgebracht ist, typischerweise Zinn. Die Bildung des Gold-Zinn-Eutektikums erfordert präzise Temperatursteuerung, und die Heftvorrichtung der vorliegenden Erfindung ist in der Lage, eine solche Steuerung bereitzustellen, simultan für alle Heftungen, die gebildet werden. Obwohl insbesondere für das eutektische Heften vorgesehen, ist die vorliegende Erfindung auch geeignet für die Bildung sowohl konventioneller Lötheftungen, wo auf das Band aufgebrachtes Lötmaterial zum Rückfließen auf die Heftnoppen gebracht wird, wie auch für Thermokompressionsheftungen.
Die vorliegende Erfindung verwendet konventionelles Heftband, typischerweise gebildet durch Ätzen oder Stanzen von gewünschten Mustern von Kupferleitern auf einen Kunststoffträgerfilm, gewöhnlich Polyimid. Die Kupferleitungen werden dann mit einem Beschichtungsmaterial plattiert, typischerweise Zinn für das eutektische Heften oder einem Zinn- Blei-Lot für konventionelles Lötrückflußheften.
Gemäß Fig. 1-6 umfaßt eine Heftvorrichtung 10 einen Rahmen 12, umfassend einen quadratischen Kern 14 (Fig. 5 und 6) mit einem Flansch und einem Fortsatz 18. Der Rahmen 12 besteht aus einem elektrisch und thermisch isolierenden Material, typischerweise einem organischen Polymer, wie einem geformten Phenolharz. Der Rahmen 12 wird typischerweise als eine integrale Einheit geformt, obwohl die verschiedenen Teile separat gebildet und dann montiert werden könnten.
Vier elektrische Leistungsbusbauteile 20 sind um die Peripherie des Rahmenkerns 14 montiert, wie am besten in Fig. 5 dargestellt. Jeder der Busse 20 ist generell rechteckig mit einem quadratischen Querschnitt, der an einer Ecke angefast ist. Die angefaste Seite 22 paßt gegen eine flache Oberfläche des Kerns 14, so daß die Leistungsbusse 20 generell parallel zur Achse des Rahmens 12 angeordnet sind.
Vier lineare Heizelemente 30 sind an deren unteren Enden der elektrischen Busse 20 angebracht, wobei jedes Element elektrisch mit zwei benachbarten Bussen gekoppelt ist. Ein erstes Paar von einander diametral gegenüberliegenden Bussen 20a sind elektrisch gekoppelt mit einem ersten L-förmigen Verbinder 32a, während das zweite Paar von diagonal einander gegenüberliegenden Bussen 20b elektrisch gekoppelt ist mit einem zweiten L-förmigen Verbinder 32b. Der erste L-förmige Verbinder 32a ist elektrisch isoliert von dem zweiten Paar von Bussen 20b, und in ähnlicher Weise ist der zweite L-förmige Verbinder 32b isoliert von dem ersten Paar von Bussen 20b. Durch Anschließen der L-förmigen Verbinder 32 an die unterschiedliche Pole einer Leistungsquelle werden auf diese Weise im wesentlichen identische Spannungen an die einander diagonal gegenüberstehenden elektrischen Busse 20a und 20b angelegt. Da die Heizelemente elektrisch mit benachbarten Paaren von Bussen 20a, 20b gekoppelt sind, werden identische Spannungen über jedem Heizelement angelegt, vorgesehen für einen gewünschten Stromfluß und das Aufheizen des Elements.
Die elektrischen Busse 20 sind natürlich elektrisch voneinander isoliert durch den Kern 14. Zusätzlich werden normalerweise Isolationskissen 34 zwischen benachbarten Bussen vorgesehen, um die Isolation ganz sicher zu machen.
Gemäß Fig. 7A und 7B umfaßt das lineare Heizelement 30 eine Schiene 40, die sich zwischen einem Paar von Schenkeln 42 erstreckt. Die Schenkel 42 umfassen Kontaktabschnitte 44, die an den unteren Enden der Busse 20 befestigt sind, typischerweise mittels Schrauben 46 (Fig. 6). Die Schenkel 42 dienen dazu, einen Abstand der Schiene 40 nach unten von den unteren Enden der Leistungsbusse 20 zu schaffen. Auf diese Weise wird ein Schaltkreis geschlossen zwischen den positiven und negativen Leistungsbussen 20a und 20b, welcher Schaltkreis durch die Schenkel 42 und die Schiene 40 verläuft.
Die linearen Heizelemente 30 sind speziell geformt, um für eine gleichförmige Heizung längs der gesamten Länge L der Schiene 40 zu sorgen. Es wird festgestellt, daß bei unrichtiger Konstruktion der Heilelemente 30 der zentrale Abschnitt des Heizelementes 40 die Tendenz hat, sich schneller aufzuheizen und eine höhere Temperatur zu erreichen als die Abschnitte nahe den Schenkeln 44. Um dieses Aufheizmuster zu kompensieren, wird die Masse der Schiene 40 nahe ihrer Mitte konzentriert. Diese Verteilung der Masse hat mehrere Effekte. Erstens wird der elektrische Widerstand nahe der Mitte herabgesetzt, wodurch die erzeugte Wärme verringert wird. Zweitens wird die Fläche vergrößert, was die Wärmeabgabe von dem zentralen Abschnitt der Schiene verbessert. Schließlich hat die vergrößerte Masse eine größere thermische Verzögerung mit der Tendenz, die Zeit zu erhöhen, die erforderlich ist, um die schließlich erreichte Temperatur hochzuheizen und wieder abzusenken. Durch richtiges Auswählen der Massenverteilung längs der Länge der Schiene 40 kann ein wesentlich gleichmäßigeres Aufheizmuster erreicht werden für die Elemente 30. In der bevorzugten Ausführungsform nach Fig. 7A und 8B hat die Schiene 40 eine im wesentliche gleichförmige Breite W mit einer variablen Höhe h längs ihrer Längserstreckung. Die anfängliche Höhe h&sub1; nahe jedem Schenkel 42 vergrößert sich zu einem Maximum von h&sub2; in der Mitte der Schiene 40. Das Höhenverhältnis h&sub2;/h&sub1; hängt ab von der Länge L der Schiene 40, wird sich jedoch gewöhnlich zwischen etwa 1,2 und 1,8 ändern, typischerweise um etwa 1,5.
Die exakte Form des Heizelements 30 ist nicht kritisch, doch ist es nur wichtig, daß die Masse längs der Länge richtig verteilt wird, um eine Kompension für die inhärent ungleichförmige Aufheizcharakteristik in dem linearen Heizelement zu kompensieren. Eine alternative Ausführungsform für das Heizelement 30 ist in Fig. 8A-8C dargestellt. Dort umfaßt das Heizelement 30a wieder Schenkel 42, die an jedem Ende einer Schiene 40 angebracht sind. Anstatt eine variable Höhe vorzusehen, wie in Fig. 7A-7B dargestellt, hat die Schiene 40a eine variable Breite, die zu einem Maximum nahe dem Zentrum zunimmt und ein Minimum an jedem Ende aufweist. Die exakten Abmessungen der Schiene 40a hängen wiederum ab von der Länge der Schiene und von dem vorgesehenen Betriebstemperaturbereich des Heizelements 30a.
Die Heizelemente 30 werden aus verschiedenen hochnickelhaltigen Stählen hergestellt, wobei 718 Inconel® bevorzugt ist.
Gemäß Fig. 9 wird die Heftvorrichtung 10 eingesetzt in einem System 50 mit einem Positionierer 52 für die Halterung und Hin- und Herbewegung der Heftvorrichtung 10, einer Leistungsversorgung 54 für die Einspeisung von Strom zu den L-förmigen Verbindern 32, einem Temperaturkontroller 56 für das Erfassen der Temperatur der Heizelemente 30 und Einstellen der Leistungsabgabe der Leistungsversorgung 54 zum Steuern der Temperaturen auf den vorgewählten Pegel und eine Hauptsteuereinheit 58 für die Koordination der Aktionen des Positionierers, des Temperaturkontrollers und der Leistungsversorgung. Die Heftvorrichtung 10 ist für Auf- und Abbewegung über einem Förderer 59 montiert, der eine fortlaufende Serie von Halbleiterchips 60 synchron mit einem Heftband 70 transportiert. Wie dargestellt, ist das System 50 besonders geeignet für die Bildung der inneren Leiterheftungen, wo die Leiter des Heftbandes 70 gebildet werden mit den Heftnoppen auf den Halbleiterchips 60. Das System kann jedoch ohne weiteres modifiziert werden zum Anpassen an das Bilden der äußeren Leiterheftungen, entweder an konventionellen Anschlußrahmen oder an deren Substraten, wie im Stand der Technik bekannt.
Unter Bezugnahme auf Fig. 10A-10C wird das Verfahren der vorliegenden Erfindung im Detail beschrieben. Ein Halbleiterchip 60 mit einer Mehrzahl von Gold-Heftnoppen 62, die an seiner Peripherie ausgebildet sind, wird unter das Heftband 70 gefördert. Das Band 70 umfaßt einen Kunststoffträgerfilm 72 mit zinnplattierten Kupferleitern 74, die auf seiner unteren Oberfläche angeordnet sind. Der Chip 60 und der Film 74 werden in eine Position unter der Heftvorrichtung 10 gefördert, so daß die Reihen der Heftnoppen 62 direkt unter den linearen Heizelementen 30 ausgefluchtet sind. Die inneren Enden der Leiter 74 sind ebenfalls ausgefluchtet zwischen den Heizelementen 30 und den Heftnoppen 62. In der in Fig. 10A dargestellten Position werden die Heizelemente typischerweise bei einer stetigen Temperatur von etwa 200ºC gehalten.
Sobald alle Elemente in dem System richtig ausgefluchtet sind, werden die Heizelemente auf eine gewünschte Temperatur gebracht, typischerweise im Bereich von 300ºC bis 305ºC, ausgewählt zur Bildung der eutektischen Heftung zwischen Zinn und Gold. Die Temperatur der Heftelemente 30 wird erfaßt durch ein Thermoelement 80 (Fig. 9), das den Temperaturkontroller 56 speist. Sobald die gewünschte Hefttemperatur erreicht worden ist, wird die Heftvorrichtung 10 durch den Positionierer 52 abgesenkt, so daß die inneren Enden der Leiter 74 aufgeheizt werden und in Kontakt gelangen in den Heftnoppen 62. Nach einer vorgewählten Zeitperiode, typischerweise etwa 2 Sekunden, sind Zinn und Gold aufgeschmolzen zur Bildung einer eutektischen Legierung, und die Temperatur der Heizelemente 30 wird abgesenkt auf die Haltetemperatur. Sobald die Elemente abgekühlt sind, wird die Heftvorrichtung 10 angehoben, und der Halbleiterchip 60 ist an dem Heftband 70 angebracht, wie in Fig. 10C dargestellt. Der Halbleiterchip 60 kann dann auf dem Heftband für weitere Bearbeitung transport werden, was die Bildung von äußeren Leiterheftungen umfassen kann unter Verwendung der Heftvorrichtung 10 gemäß der vorliegenden Erfindung.
Obwohl die vorstehende Erfindung in einigen Einzelheiten illustrativ beschrieben worden ist und als Beispiel für Zwecke der Klarheit des Verständnisses, ist es offensichtlich, daß bestimmte Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden können innerhalb des Rahmens der beigefügten Ansprüche.

Claims

1. Eine Heftvorrichtung (10), umfassend:

einen langgestreckten Kern (14), bestehend aus einem elektrisch und thermisch isolierenden Material, vier elektrischen Leistungsbussen (20), die rings um den Kern (14) in einem Rechteckmuster und längs des Kerns (14) montiert angeordnet sind,

Mittel für die Verbindung des positiven Poles einer Leistungsquelle mit einem ersten diagonal einander gegenüberliegenden Paar der Busse (20a) und eines negativen Pols derselben mit einem zweiten diagonal einander gegenüberliegenden Paar der Busse (20b), wodurch positive Busse (20a) und negative Busse (20b) definiert werden,

vier linearen Widerstandsheizelementen (30), wobei jedes der Elemente ein Paar von elektrisch leitenden Schenkeln (42) und eine Schiene (40) umfaßt, die sich zwischen den Schenkeln (42) erstreckt, wobei ein Schenkel (42) jedes Paare elektrisch mit einem positiven Bus (20a) und der andere Schenkel mit einem negativen Bus (20b) verbunden ist, wobei das untere Ende jedes Busses (20a, 20b) mit zwei Elementen (30) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Schiene (40) eine variable Querschnittsfläche aufweist, die am größten in der Mitte der Schiene (40) ist und kontinuierlich von der Mitte hin zu den Schenkeln abnimmt, welche variable Querschnittsfläche im wesentlichen gleichförmige Erhitzung längs der gesamten Länge jedes Elements (30) bei Anlegen von Strom herbeiführt.

2. Eine Heftvorrichtung (10) nach Anspruch 1, bei dem jedes Paar von benachbarten Bussen (20a, 20b) eine im wesentlichen flache, durchgehende Fläche mit elektrisch isolierten positiven und negativen Bereichen umfaßt.

3. Eine Heftvorrichtung (10) nach Anspruch 2, bei der eines der Elemente (30) mit jeder flachen Seite verbunden ist.

4. Eine Heftvorrichtung (10) nach Anspruch 2, bei der jedes einander gegenüberliegende Paar von Bussen (20a, 20b) elektrisch mit einem zugeordneten Leiter von L-förmigem Querschnitt (32a, 32b) verbunden ist.

5. Ein System für das Bandheften von Halbleiterchips (60), welches System umfaßt:

Mittel für das Fördern der Halbleiterchips (60) längs einer Strecke,

Mittel für das Zuführen von Metallheftband (70) nahe den Halbleiterchips (60),

eine Heftvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Leistungsquelle (54) ausgebildet ist zum Zuführen von geregeltem Strom zu den Elementen (30),

eine Temperatursteuerung (56) für das Erfassen der Temperaturen der Elemente (30) und Regeln des ihnen zugeführten Stromes, und

eine Positioniervorrichtung (52) für die Hin- und Herbewegung der Heftvorrichtung derart, daß die Elemente (30) das Heftband (70) gegen die Halbleiterchips (60) pressen.

6. Ein System nach Anspruch 5, bei dem die Elemente (30) aus einem hochnickelhaltigen Stahl bestehen.

7. Ein Verfahren für das Bandheften von Halbleiterchips (60), welches Verfahren umfaßt:

Transportieren einer Mehrzahl von Halbleiterchips (60) längs einer Strecke,

Zuführen von Metallheftband (70) in die Nähe der Halbleiterchips (60),

Pressen des Bandes (70) gegen die Chips (60) mit einer Heftvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4,

Zuführen eines Stromes zu der Heftvorrichtung (10), ausgewählt zum Erhitzen der Elemente (30) auf eine erste Temperatur, ausgewählt zum Bewirken des Heftens vor dem Anpressen des Bandes (70) mit der Heftvorrichtung (10) und

Beenden des Stromflusses zu der Heftvorrichtung (10) und Zulassen des Abkühlens der Elemente (30) auf eine zweite Temperatur, bevor die Heftvorrichtung (10) von dem Band (70) entfernt wird.

8. Ein Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die erste Temperatur hinreicht zum Bewirken des eutektischen Heftens des Metallheftbandes (70) mit metallischen Heftnoppen auf dem Halbleiterchip (60).

9. Ein Verfahren nach Anspruch 8, bei dem das Metallband (70) zinnplattiertes Kupfer ist, die Heftnoppen aus Gold sind und die erste Temperatur im Bereich von etwa 300ºC bis 305ºC liegt.