DE69925878T2 - Verfahren und Vorrichtung zur "Flip-Chip" Montage eines elektronischen Bauteils - Google Patents

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Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Montage von elektronischen Bauteilen auf einem Substratleiter, insbesondere auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Montage eines elektronischen Bauteils auf einem Substrat, die eine Untersuchung der Bondverbindung (hergestellt durch Flipchip-Bonding) zwischen dem elektronischen Bauteil und dem Substratleiter ermöglichen.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Üblicherweise wurde ein Flipchip-Bondsystem für ein hochdichtes Montageverfahren für einen Halbleiterchip auf einem Substratleiter verwendet. Derartige Flipchip-Bondsysteme basieren auf dem Ausbilden einer Lötkugel (entweder einer Lötkugel oder einer Metallkugel) auf einer Elektrode eines Halbleiterchips oder einer Elektrode eines Substratleiters und dem Verbinden der Elektrode des Halbleiterchips mit der Gegenelektrode des Substratleiters mittels der Lötkugel, wobei die Elektrode des Halbleiterchips nach unten gerichtet ist.
  • Da die Elektrode beim Flipchip-Bondsystem von einer beliebigen Position der Oberfläche des Chips ausgewählt werden kann, ist die Verbindung mit dem Substratleiter über die kürzeste Distanz möglich. Zusätzlich erhöht sich nicht die Größe des Chips, auch wenn sich die Anzahl der Elektroden erhöht, wodurch eine sehr flache Montage durchgeführt werden kann.
  • Es können ein Reflow-Lötverfahren, ein anisotropisches leitfähiges Harzverbindungsverfahren, ein Thermokompressions-Bondverfahren, eine Ultraschallschwingung oder dergleichen verwendet werden, um den Halbleiter-Chip oder die an der Elektrode des Substratleiters angeordnete Lötkugel mit der Gegenelektrode in einem Flipchip-Bondverfahren zu verbinden.
  • Bei dem oben erwähnten und in der herkömmlichen Vorrichtung gemäß 12 gezeigten Ultraschallwellen- und Thermokompressions-Bondverfahren umfasst eine Montagevorrichtung 10 für einen Halbleiterchip 3 als elektronisches Bauteil ein Ultraschallschwingungserzeugungsgerät 8, ein Horn 7, ein Spannwerkzeug 6, eine Substratleiterheizeinheit 4 und eine Steuereinheit 9 und führt die Ultraschallwelle und Thermokompressions-Bondverbindung unter Benutzung eines Flipchip-Bondsystems aus. In diesem Bondprozess wird ein Substratleiter 1 durch die Substratleiterheizeinheit 4 erhitzt und eine Ultraschallschwingung wird auf das Spannwerk zeug 6 auf der Seite des Halbleiterchips 3 durch ein piezoelektrisches Element 8 oder ähnliches über das Horn 7 ausgeübt, so dass sich am Halbleiterchip 3 ausgebildete Lötkugeln 5 mit den Elektroden 2 des Substratleiters 1 diffusiv verbinden.
  • Im Vergleich mit anderen Verfahren weist das Ultraschallwellen- und Thermokompressions-Bondverfahren Vorteile auf, u.a. dass kein Verbindungsmaterial erforderlich ist, die Verbindung in einer kurzen Zeit hergestellt und das Verbinden bei einer vergleichsweise niedrigen Temperatur durchgeführt werden kann.
  • Jedoch ist, wenn die oben erwähnten konventionellen Ultraschallwellen- und Thermokompressions-Bondverbindungsverfahren bei einem Flipchip-Bondsystem angewendet werden, die Ausbreitung einer Ultraschallschwingung instabil, wodurch eine Gefahr einer Ausbildung von defekten Verbindungen hervorgerufen wird. Derartige Probleme können auch durch ein Verrutschen zwischen einer Rückseite (obere Oberfläche in der Zeichnung) des Halbleiterchips 3 und des Spannwerkzeugs 6, durch Diffusion einer Schwingung von dem Horn 7 und durch Verschleiß des piezoelektrischen Elements 8 aufgrund von Alterung hervorgerufen werden, wenn die konventionellen Vorrichtung gemäß 12 verwendet wird.
  • Außerdem kann bei einem oben beschriebenen Flipchip-Bondsystem der Verbindungsbereich nach der Herstellung der Verbindung nicht visuell untersucht werden, da der Verbindungsbereich vom Halbleiterchip 3 verdeckt ist. Somit kann das Auftreten von defekten Verbindungen ein ernsthaftes Problem werden.
  • Die JP 9-51007 A offenbart eine Montagevorrichtung für einen Halbleiterchip. Diese Vorrichtung umfasst ein Spannwerkzeug zum Halten des Halbleiterchips, das an einem beweglichen Teil eines Linearmotors über einen Bondkopf und einen Arm befestigt ist. Der bewegliche Teil des Linearmotors weist eine lineare Skala auf. Die Skala kann von einem Detektor zur Erfassung der Höhe des Spannwerkzeugs gelesen werden.
  • Die US 5,341,979 offenbart eine Montagevorrichtung mit einem ultraschallschwingungserzeugenden Gerät und einer Steuereinheit, wobei ein Horn eine Heizspule und ein Spannwerkzeug umfasst, um das elektronische Bauteil aufzunehmen.
  • Die DD 217 088 A1 offenbart eine Drahtbondvorrichtung mit einem ultraschallschwingungserzeugenden Gerät, einem Ultraschallhorn und als ein Drahthalter einen Ultraschallbondelement.
  • Ein Vibrationssensor wird mit dem Horn zur Steuerung der Erregerspannung verbunden, die zum Ultraschallschwingungserzeugungsgerät über einen Vorverstärker 16 und einen Leistungsverstärker zugeführt wird. Außerdem wird die Ausgangsgröße des Vibrationssensors in einen Hüllkurvendetektor eingegeben, wobei dessen Ausgangsgröße überwacht wird, um das erste Minimum der Amplitude der Vibration als Ausschaltindikation für den Bondprozess zu erfassen.
  • Die JP 8-17876 A offenbart ein Drahtbondgerät mit einer Spitze zur Durchführung des Bondprozesses, die an einer Frontseite eines mit einem Ultraschallvibrator verbundenen Arm angeordnet ist. Um zu beurteilen, ob die Spitze des Arms in Kontakt mit dem Bondpad des Chips kommt, wird der elektrische Ausgang des Ultraschallvibrators mittels eines Überwachungsmittels während einer Zeit überwacht, in der es keine Vibrationsenergie erzeugt. Der Ausgang der Überwachungsmittel, der mit dem Ausgang des Ultraschallvibrators korrespondiert, wird Diskriminationsmitteln zugeführt, um den Zeitpunkt zu bewerten, zu dem die Spitze das Pad kontaktiert.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Montagevorrichtung und ein Montageverfahren anzugeben, zur Montage eines elektronischen Bauteils mit einer Lötkugel an einem Substratleiter mittels einer Ultraschallwelle und Thermokompressionsbonden für ein Flipchip-Bondsystem, die es ermöglichen, den Zustand der gebildeten Verbindung zu überwachen.
  • Entsprechend einer ersten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird die Aufgabe durch eine Montagevorrichtung zur Montage eines elektronischen Bauteils mit einer Lötkugel gelöst, die Ultraschallwellen und Thermokompressions-Bonden verwendet, um ein Flipchip-Bondsystem auszubilden, wobei die Vorrichtung ein Ultraschallschwingungserzeugungsgerät, ein am Ultraschallschwingungserzeungsgerät befestigtes Horn, ein am Horn befestigtes Spannwerkzeug zum Halten eines elektronischen Bauteils und ein mit dem Ultraschallschwingungserzeugungsgerät verbundenes Steuergerät und eine mit der Steuereinheit verbundene Substratleitereinheit umfasst, wobei ein Höhenmessgerät zur Überwachung einer durch die Anwendung der Ultraschallschwingung hervorgerufenen Senkungsmenge der Lötkugel vorgesehen ist und wobei das Höhenmessgerät mit der Steuereinrichtung verbunden ist.
  • In einer zweiten Ausgestaltung wird ein Montageverfahren zur Montage eines elektronischen Bauteils angegeben, welches die Schritte umfasst: Absenken des elektronischen Bauteils mit einer Elektrode in Bezug auf einen Substratleiter mit einer Elektrode, Anwenden eines vorbestimmten Gewichts auf das elektronische Bauteil, wenn die eine oder die mehreren Lötkugeln, die an einer Elektrode des elektroni schen Bauteils oder an einer Elektrode des Substratleiters angeordnet sind, in Kontakt mit einer Gegenelektrode kommen, um die Lötkugeln zu komprimieren und eine erste Stufe einer Lötkugelsenkungsmenge hervorzurufen und dann gleichzeitiges Anwenden eines vorbestimmten Gewichts und einer Ultraschallschwingung auf das elektronische Bauteil für eine vorherbestimmte Zeit, um die Lötkugeln weiter zu komprimieren und eine zweite Stufe einer Lötkugelsenkungsmenge hervorzurufen, um eine Verbindung zwischen der Elektrode des elektronischen Bauteils und der Elektrode des Substratleiters auszubilden.
  • Die Menge der Kompression der Lötkugeln (Lötkugelsenkungsmenge) aufgrund der Anwendung des vorbestimmten Gewichts und der Ultraschallschwingung für eine vorbestimmte Zeit wird durch ein Höhenmessgerät überwacht, wobei die durch die Ultraschallschwingung und das Thermokompressions-Bonden unter Verwendung eines Flipchip-Bondsystems ausgebildete Verbindung als defekt oder nicht defekt durch eine Beurteilung eingestuft wird, ob die Lötkugelsenkungsmenge zur Zeit der Anwendung der Ultraschallschwingung in einen beabsichtigen Bereich liegt oder nicht.
  • In einem dritten Ausführungsbeispiel wird ein Montageverfahren für ein elektronisches Bauteil gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel angegeben, wobei die erste Stufe der Lötkugelsenkungsmenge und die zweite Stufe der Lötkugelsenkungsmenge individuell von dem Höhenmessgerät überwacht werden und wobei die durch Ultraschallwellen und Thermokompressions-Bonden unter Verwendung eines Flipchip-Bondsystems gebildete Verbindung durch Vornehmen einer Beurteilung, ob die entsprechende Stufe der Lötkugelsenkungsmengen in entsprechend beabsichtigte Bereiche fällt oder nicht, als defekt oder nicht defekt bewertet wird.
  • Im speziellen wird die Montage unter Verwendung von Mitteln zur Überwachung einer Höhenveränderung (Senkungsmenge) der am elektronischen Bauteil angeordneten Lötkugel (üblicherweise ein Halbleiterchip) zum Zeitpunkt der Montage, wie im ersten, zweiten und dritten Ausführungsbeispiel oben beschrieben, durchgeführt, während die defekte oder nicht defekte Verbindung mit einer Referenz verglichen wird.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
  • 1 zeigt ein konzeptionelles Systemdiagramm der Montagevorrichtung eines elektronischen Bauteils der vorliegenden Erfindung gemäß den Ansprüchen 1 und 2 der vorliegenden Erfindung.
  • 2 zeigt ein Diagramm, das die Höhenveränderung eines Werkzeugkopfes der vorliegenden Erfindung gegenüber der Zeit (stündlich) darstellt.
  • 3a zeigt die Position der Komponenten der vorliegenden Erfindung zu Beginn des hierin beschriebenen Montageprozesses des Halbleiterchips.
  • 3b zeigt den zweiten Schritt des hier beschriebenen Montageprozesses, wobei ein vorbestimmtes Gewicht auf dem Halbleiterchip angewendet wird.
  • 3c zeigt den dritten Schritt des hier beschriebenen Montageprozesses, wobei sowohl ein vorbestimmtes Gewicht, als auch Ultraschallschwingungen auf den Halbleiterchip angewendet werden.
  • 3d zeigt die letzte Stufe des hier beschriebenen Montageprozesses, wobei der Halbleiterchip mit einem Substratleiter verbunden ist und das Spannwerkzeug von dem Halbleiterchip abgehoben und getrennt wird.
  • 4 zeigt ein Diagramm, das die Beziehung von Verbindungskraft zwischen einer aus Gold geformten Lötkugel und Elektroden eines Substratleiters und der Höhe der Lötkugel darstellt.
  • 5 ist eine konzeptionelle Systemdarstellung, die die Montagevorrichtung eines elektronischen Bauteils mit Mitteln zur Erfassung der Kompressionsmenge (Senkungsmenge) der Lötkugeln mittels einer Markierung zeigt.
  • 6 zeigt ein konzeptionelles System, das eine Montagevorrichtung eines elektronischen Bauteils mit Mitteln zur Erfassung einer Senkungsmenge mittels einer Kapazitätsänderung darstellt.
  • 7 zeigt ein konzeptionelles System, das eine Montagevorrichtung gemäß den Ansprüchen 3 und 4 der vorliegenden Erfindung darstellt.
  • 8 zeigt ein Diagramm, in dem die Vibrationswellenform W und eine voreingestellte Referenzwellenform WO gegenüber der Zeit dargestellt sind.
  • 9 zeigt ein Diagramm, in dem dargestellt ist, dass die Vibrationswellenform W in ihre Frequenzkomponenten zerfällt und in dem die entsprechenden Spektren mit korrespondierenden Referenzwellenspektren der Referenzwellenform WO verglichen sind.
  • 10 zeigt ein konzeptionelles System, das die Montagevorrichtung für ein elektronisches Bauteil gemäß den Ansprüchen 5 und 6 der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 11 zeigt ein Diagramm, in dem die überwachte Wellenform eines einem piezoelektrischen Element zugeführten elektrischen Stroms i und eine Wellenform eines elektrischen Referenzstroms i0 gegenüber der Zeit verglichen wird.
  • 12 zeigt ein konzeptionelles System, das eine konventionelle Montagevorrichtung zeigt, die eine Ultraschallwellen- und Thermokompressionsverbindung in einem Flipchip-Bondsystem anwendet.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • 1 zeigt eine Montagevorrichtung 20 eines elektronischen Bauteils gemäß der vorliegenden Erfindung, die ein Ultraschallschwingungserzeugungsgerät 8, ein Horn 7, ein Spannwerkzeug 6, eine Substratleiterheizeinheit (nicht dargestellt), eine Steuereinheit 9, und ein an der Steuereinheit 9 befestigtes Laserversatzmeter 11 umfasst, das als Abstandsmessgerät zur Abstandsüberwachung des am Spannwerkzeug 6 befestigten Halbleiterchips 3 in bezug auf einen Substratleiter (nicht dargestellt) dient, wobei der Substratleiter auch mit der Steuereinheit verbunden ist.
  • Der Halbleiterchip 3 wird am Substratleiter mittels der Montagevorrichtung 20 entsprechend der folgenden Schritte befestigt:
    Zuerst wird, wie in 3a gezeigt, der an einer Elektrode ausgebildete Halbleiterchip 3 am Kopf 12 des Spannwerkzeugs befestigt, und Lötkugeln oder Vorsprünge 5, die an dem Halbleiterchip 3 mit einer Höhe H = 50 μm (beispielsweise Au-Lötkugeln) ausgebildet sind, werden abgesenkt, um den Elektroden 2 des Substratleiters 1 gegenüberzustehen.
    Zweitens wird, wie in 3b gezeigt, gerade wenn die Lötkugeln 5 des Halbleiterchips 3 in Kontakt mit den Elektroden 2 des Substratleiters 1 kommen, ein vorbestimmtes Gewicht R von etwa 0,1 bis 200 g pro 1 Lötkugel, welches nach dem Material, der Form, der Größe, der Anzahl u.ä. der Lötkugeln (normalerweise mehrere 100 g bis 1 kg) geeignet eingestellt wird, für im wesentlichen etwa 10 bis 10.000 ms angewendet. Die Anwendung des Gewichts R bewirkt ein leichtes Quetschen und Einsinken der Lötkugeln in die Elektroden 2. Dieses Gewicht wird als erste Stufe der Senkungsmenge H1 bezeichnet.
    Drittens werden, wie in 3c gezeigt, das vorbestimmte Gewicht R und eine Ul traschallschwingung US (laterale Schwingung) für eine vorbestimmte Zeit T2 angewendet, üblicherweise etwa 50 bis 10.000 ms, so dass die Elektrode des Halbleiterchips 3 mit den Elektroden 2 des Substratleiters durch Ultraschallwellen und Thermokompressionsbonden der Lötkugeln 5 verbunden wird.
    Viertens wird, wie in 3d gezeigt, der Kopf 12 des Spannwerkzeugs vom Halbleiterchip 3 getrennt und abgehoben und die als zweite Stufe der Senkungsmenge H2 bezeichnete Senkungsmenge der Lötkugeln 5, die durch die Anwendung des vorbestimmten Gewichts R und der Ultraschallschwingung US hervorgerufen wird, wird von dem in 1 gezeigten Laserversatzmeter 11 (Abstandsmessgerät) überwacht, wobei eine Beurteilung vorgenommen wird, ob die Senkungsmenge H2 der Lötkugeln 5 in einem gewünschten Bereich liegt oder nicht. Insbesondere wird eine Beurteilung vorgenommen, ob die Verbindung, die durch die Ultraschallwellen und Thermokompressionsbondverbindung unter Benutzung des Flipchip-Bondsystems gebildet wurde, defekt oder nicht defekt ist.
  • Es wurde experimentell herausgefunden, dass die Kompressionsmenge, z.B. die Senkungsmenge H2 der Lötkugeln 5 bei der zweiten Höhenstufe, wie in 3d gezeigt, (in anderen Worten die Veränderung des Abstands zwischen dem Halbleiterchip 3 und den Substratleiter aufgrund des Quetschens der Lötkugeln 5, wenn das vorbestimmte Gewicht R und die Ultraschallschwingung US angewendet werden), und die Verbindungskraft zwischen der Elektrode des Halbleiterchips 3 und den Elektroden 2 des Substratleiters 1 mittels der Lötkugeln 5 einer graphischen Beziehung, wie in 4 gezeigt, unterliegen.
  • Beim Thermoschallbonden wird ein fast gleichmäßiges Bonden an einer Grenze zwischen einer Halbleiterelektrode und einer Lötkugel bewirkt. Eine Bondkraft für jede Flächeneinheit wird durch die Materialien, aus denen die Halbleiterelektrode und die Lötkugel hergestellt sind, bestimmt. Es kann festgestellt werden, dass wenn die Kräfte gleich sind, auch die Bondflächen gleich sind. Außerdem wird die Bondfläche erhöht, wenn eine Lötkugel über eine Last und Ultraschall komprimiert wird.
  • Entsprechend werden, wenn die Formen der Lötkugeln gleich zueinander sind, die Kompression der Lötkugeln, d.h. die Senkungsmengen von diesen und Bondflächen einheitlich bestimmt. Und wenn Bondflächen gleich zueinander sind, sind auch die Bondkräfte gleich zueinander. Somit kann eine Untersuchung der zwischen dem Halbleiterchips und dem Substratleiter ausgebildeten Verbindung durch Messen der Kompressionsmenge der Lötkugel durchgeführt werden (der Senkungsmenge).
  • Deshalb wird beispielsweise ein Standard der Beurteilung im Voraus gesetzt, so dass wenn eine Verbindungskraft zwischen den Lötkugeln 5 (Au-Lötkugeln) und den Elektroden 2 nicht geringer als 50 gw ist, die Verbindung nicht defekt ist und wenn sie kleiner als 50 gw ist, die Verbindung defekt ist. Wenn die Senkungsmenge H2 der zweiten Stufe, wie in 3c gezeigt, nicht geringer als 25 μm ist, ist die Verbindung defekt. Eine auf den überwachten Daten des hier auch als Abstandsmessgerät bezeichneten Laserversatzmeters 11 basierende Beurteilung, ob die Verbindung defekt oder nicht defekt ist, wird von der Steuereinheit 9 vorgenommen.
  • Da ein Produkt, dessen Verbindungskraft nicht größer als 25 gw ist, defekt ist, wird es als ein defektes Produkt behandelt oder wenn die beabsichtige Senkungsmenge H2 durch erneutes Anwenden einer Ultraschallschwingung erhalten werden kann, kann entsprechend der obigen Methode eine nicht defekte Verbindung erzeugt werden. Somit beeinflusst eine beim ersten Versuch ausgebildete defekte Verbindung nicht die nachfolgenden Produktionsschritte und das Ergebnis an nicht defekten Produkten kann verbessert werden.
  • Wie oben erwähnt, ist das Montageverfahren ein Verfahren, bei dem nur die Senkungsmenge H2 bei der zweiten Stufe gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung überwacht wird, wie in 3c gezeigt, und es ist ausreichend, um zu beurteilen, ob die Verbindung defekt oder nicht defekt ist. Jedoch ist es wünschenswert, um die Mangelhaftigkeit oder Fehlerfreiheit der Verbindung genauer zu beurteilen, auch die Senkungsmenge H1 der ersten Stufe des Prozesses, wie in 3b gezeigt, zu überwachen und sowohl die Senkungsmenge H1 der ersten Stufe als auch die Senkungsmenge H2 der zweiten Stufe als Daten zur Beurteilung der Mangelhaftigkeit oder der Fehlerfreiheit der Verbindung zu verwenden.
  • In dem oben beschriebenen Montageverfahren werden somit die Senkungsmenge H1 der Lötkugeln in der ersten Stufe, in der ein vorbestimmtes Gewicht R von etwa 0,1 g bis 200 g pro 1 Lötkugel für eine vorbestimmte Zeit T1 (üblicherweise etwa 10 ms bis 10.000 ms, normalerweise vorherbestimmt im Bereich von 100 ms) angewendet wird, gerade wenn die Lötkugeln 5 mit den gegenüberliegenden Elektroden 2 in Kontakt kommen, und die Senkungsmenge H2 der Lötkugeln in der zweiten Stufe, in der zusätzlich zur Anwendung des vorbestimmten Gewichts R eine Ultraschallschwingung US für eine vorbestimmte Zeit T2 angewendet wird (üblicherweise etwa 50 bis 10.000 ms, normalerweise vorherbestimmt im Bereich von 1.000 bis 2.000 ms), individuell durch das als Abstandsmessgerät fungierende Laserversatzmeter 11 überwacht. Diese von der Steuereinheit 9 vorgenommenen Messungen ermöglichen eine Beurteilung, ob die Senkungsmengen H1 und H2 der Lötkugeln den obigen Stufen entsprechend in den vorbestimmten beabsichtigten Bereichen liegen, so dass eine Bestimmung vorgenommen werden kann, ob die Verbindung zwischen dem Halbleiterchip 3 und dem Substratleiter 1 durch die Ultraschallschwingung und der Thermokompressions-Bondverbindung unter Benutzung des Flipchip-Bondingsystems defekt ist oder nicht.
  • Entsprechend dem oben beschriebenen Montageverfahren werden die Lötkugeln, in dem Fall, bei dem die Senkungsmenge H1 der Lötkugeln 5 bei der Stufe des in 3b gezeigten Prozesses zu einer Zeit, wenn das vorbestimmte Gewicht R für eine vorbestimmte Zeit T1 angewendet wird, von einem Bereich von gesetzten Werten abweicht, als abnormal betrachtet, wobei ein Wegrutschen der Lötkugeln auftreten kann. Aus diesem Grund kann eine Beurteilung, ob die Lötkugeln defekt oder nicht defekt sind, bei einer Stufe vorgenommen werden, bevor die Verbindung hergestellt ist. Um eine derartige Beurteilung vorzunehmen, werden die Senkungsmenge H1 bei der ersten Stufe und die Senkungsmenge H2 bei der zweiten Stufe separat voneinander überwacht und bewertet, wobei die Mangelhaftigkeit oder Fehlerfreiheit der Verbindung mit einem hohen Grad von Genauigkeit bewertet werden kann.
  • In diesem Fall, da das Abstandsmessgerät zur aufeinanderfolgenden Überwachung der Höhe des Kopfes 12 dient, z.B. Überwachung der Senkungsmengen H1 und H2 im obigen Ausführungsbeispiel, können andere Geräte als das Laserversatzmeter 11 verwendet werden. Beispielsweise kann ein Zähler zum Zählen einer Anzahl von Pulsen eines Pulsmotors verwendet werden.
  • Zusätzlich sind bei dem in 5 gezeigten Abstandsmessgerät Markierungen G als Graduierung an einer Seitenfläche des Spannwerkzeugs 6, welches das elektronische Bauteil hält und mit dem Substratleiter verbunden ist, in jeweils 1 μm-Schritten ausgebildet, wobei die Anzahl der Markierungen, die einen Markierungssensor 31 passieren, während der Anwendung der Ultraschallschwingung US mittels eines Lichts, eines Laser o.ä. basierend auf der Zeit gezählt werden, zu der der Halbleiterchip 3 am Kopf der Vorderseite des Spannwerkzeugs in Kontakt mit den Lötkugeln kommt, so dass die Senkungsmenge H2 des Halbleiterchips der zweiten Stufe erhalten werden kann. Die Markierung G kann aus einem magnetischen Material geformt sein, wobei in diesem Fall das Zählen von einem Magnetsensor ausgeführt werden kann. Die Markierung kann auch an der Vorderseite des Horns 7 angeordnet sein.
  • Als weitere Mittel zur Messung des Kopfabstandes in bezug auf den Substratleiter können Messmittel verwendet werden, die eine Messung einer Kapazität verwenden. Beispielsweise kann, wie in 6 gezeigt, eine flächige Elektrode B 1 mm unter dem Boden des Horns angeordnet werden, wobei die Kapazität C zwischen der flä chigen Elektrode B und dem aus Metall hergestellten Horn 7 gemessen wird. Da die Kapazität aus der Distanz des zwischen dem Horn 7 und der flächigen Elektrode B bestimmt wird, wird die Senkungsmenge des Halbleiterchips 3 durch Messen der Kapazität C mittels eines Kapazitätserfassungsmeters erfasst. Diese Messung der Kapazität ermöglicht die Beurteilung einer Mangelhaftigkeit oder einer Fehlerfreiheit der Verbindung.
  • Zusätzlich kann statt der flächigen Elektrode B ein Spulenhorn direkt als Horn 7 montiert werden, wobei der Abstand zwischen dem Spulenhorn und dem Substratleiter mittels einer induktiven Komponente des Spulenhorns erhalten werden kann.
  • Die in 7 gezeigte Montagevorrichtung 30 umfasst zusätzlich zu den Komponenten des üblichen Montageapparates 10, gemäß 12, ein mit der Steuereinheit 9 des elektronischen Bauteils verbundenes Vibrationsmessgerät 21 zur Überwachung eines Vibrationszustandes des Halbleiterchips oder der Lötkugeln. In der Montagevorrichtung 30 wird eine Vibrationswellenform W beispielsweise des Halbleiterchips 3 zur Zeit der Montage gemessen und mit einer vorher eingestellten Referenzwellenform W0 verglichen, wie in 8 gezeigt, wobei die Verbindung mittels einer Beurteilung, ob die Ultraschallschwingung US normal angewendet wurde oder nicht, untersucht wird, um zu bestimmen, ob sie defekt oder nicht defekt ist.
  • Da sich die von der Ultraschallvibration US erzeugte Vibrationswellenform des Halbleiterchips 3 und der Lötkugeln 5 in den Verbindungsschritten konstant ändert, kann eine Beurteilung des Verbindungsbereichs, ob die Ultraschallschwingung US normal angewendet wurde oder nicht, durch eine Überwachung jeder Abweichung der Vibrationswellenform W von der Referenzvibrationswellenform W0 vorgenommen werden.
  • Mit anderen Worten ist es eine Aufgabe eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung beim Überwachen des Vibrationszustandes die Vibrationswellenform W zu messen, wobei ein Laserdopplervibrationsmeter 22 als Vibrationsmessgerät 21 angeordnet ist. Ein Laserstrahl des Laserdopplervibrationsmeters 22 ist auf den Halbleiterchip 3 gerichtet, wobei der Vibrationszustand (Amplitude und Schwingungsgeschwindigkeit) des Halbleiterchips 3 zum Zeitpunkt der Montage als eine Wellenform überwacht wird. Die so erhaltene Vibrationswellenform W wird von der Steuereinheit 9 mit der Referenzwellenform W0 verglichen, so dass eine Beurteilung vorgenommen werden kann, ob die Ultraschallschwingung US normal auf die Lötkugeln 5 angewendet wurde oder nicht, wobei, wenn die Vibrationswellenform W von dem erlaubten Bereich der Referenzwellenform W0 abweicht, die Verbindung als defekt betrachtet wird.
  • Zum Zeitpunkt dieser Beurteilung wird, wie in 9 gezeigt, die Vibrationswellenform W entsprechend der Frequenz mittels einer FFT (fast Fourier transformation) zerlegt und es werden die Spektren W1 und W2 entsprechend mit den korrespondierenden Referenzwellenspektren W01 und W02 der Referenzwellenform W0 verglichen, so dass ein quantitativer Vergleich und eine Beurteilung vorgenommen werden können.
  • Die Montagevorrichtung 40, gemäß 10, umfasst zusätzlich zu den Komponenten der üblichen Montagevorrichtung 10, gemäß 12, ein Messgerät zur Überwachung eines elektrischen Stroms i, der dem Ultraschallerzeugungsgerät (piezoelektrisches Element) 8 zugeführt wird, das mit der Steuereinheit 9 verbunden ist, um daran positioniert zu werden. Eine Wellenform des gemessenen elektrischen Stroms i wird mit einer vorher eingestellten Wellenformreferenz des elektrischen Stroms i0 verglichen, wie in 11 gezeigt, wobei die Lötkugel untersucht wird und als defekt oder nicht defekt durch das Vornehmen einer Beurteilung bewertet wird, ob die Ultraschallschwingung US normal auf die Lötkugeln 5 angewendet wurde oder nicht.
  • Wie 11 entnommen werden kann, kann eine Beurteilung, ob die Ultraschallschwingung US normal oder nicht normal angewendet wurde, durch Überwachen einer Abweichung der korrespondierenden Wellenform i von der Referenzwellenform des elektrischen Stroms i0 vorgenommen werden, da der elektrische Strom i, der dem piezoelektrischen Element durch das Ultraschallschwingungserzeugungsgerät 8 zugeführt wird, sich bei den Verbindungsbildungsschritten konstant verändert.
  • Wenn ein elektrischer Stromprüfer unter Benutzung eines Hohlelements als Messgerät zur Überwachung des im Ultraschallschwingungserzeugungsgerät (piezoelektrischen Element) 8 fließenden elektrischen Stroms i verwendet wird, kann eine zum Zeitpunkt der Messung vorherrschende Störung reduziert und die Messungsgenauigkeit verbessert werden.
  • Wenn die Wellenform des elektrischen Stroms i mit der Wellenform des Referenzstroms i0 verglichen wird, wie in 11 gezeigt (Analyse des Spektrums mittels FFT), kann bestimmt werden, ob die Ultraschallschwingung US normal auf die Lötkugeln 5 angewendet wurde oder nicht, und wenn die Wellenform des elektrischen Stroms i von dem erlaubten Bereich der Wellenform des Referenzstroms i0 abweicht, wird die Verbindung als defekt betrachtet.
  • Zusätzlich kann, wie oben für den elektrischen Strom i beschrieben, eine Spannung V an das piezoelektrische Kristallelement angelegt werden, wobei die Veränderung in der Spannung gemessen wird, um die Wellenform zu bestimmen. Dann kann diese Wellenform mit einer Referenzwellenform, wie oben bezüglich des Stroms i beschrieben, verglichen werden.
  • Die oben erwähnten Ausführungsbeispiele beziehen sich auf den Fall, bei dem die Lötkugeln 5 an der Elektrodenseite des Halbleiterchips 3 angeordnet sind, jedoch gelten dieselben Bedingungen für den Fall, bei dem die Lötkugeln 5 an der Elektrode 2 des Substratleiters 1 angeordnet sind.
  • Zusätzlich beziehen sich die oben erwähnten Ausführungsbeispiele hauptsächlich auf die Montage von Halbleiterchips auf Substraten, jedoch können die Ausführungsbeispiele auf alle elektronischen Bauteile angewendet werden, die Flipchip mittels Ultraschall und Thermokompressions-Bondverfahren gebondet werden können.
  • Anhand der obigen detaillierten Ausführungsbeispiele wird klar, dass beim Montageverfahren und der Montagevorrichtung von elektronischen Bauteilen gemäß der vorliegenden Erfindung gleichzeitig zur Montage eine Beurteilung vorgenommen werden kann, ob der Verbindungszustand und der Ultraschallvibrationszustand des elektronischen Bauteils durch die Lötkugel normal sind oder nicht, wenn die Montagehöhe, der Vibrationszustand und der elektrische Strom des Ultraschallerzeugungsgeräts (piezoelektrisches Element) überwacht und mit einem Referenzwert und einer Referenzwellenform verglichen werden. Wenn eine Anormalität gemessen oder festgestellt wird, können die folgenden Gegenmaßnahmen unternommen werden:
    • a) Stoppen der Montagevorrichtung unmittelbar und Identifizieren der Anormalität;
    • b) Markieren des Produkts als defekt;
    • c) Anwenden einer wiederholten Ultraschallschwingung und erneutes Herstellen des Produkts; und
    • d) kontinuierliches Anwenden einer Ultraschallschwingung bis der gewünschte Zustand erhalten wird.
  • Das obige Montageverfahren und die Montagevorrichtung weisen als Ergebnis die gewünschte Qualität auf, anhand der die Verbindung als defekt oder nicht defekt beurteilt und das Produkt reproduziert werden kann.
    • 1
    Substratleiter
    2
    Elektrode
    3
    Halbleiterchip
    4
    Substratleiterheizeinheit
    5
    Lötkugeln (Gold)
    6
    Spannwerkzeug
    7
    Horn
    8
    Ultraschallschwingungserzeugungsgerät
    9
    Steuereinheit
    10, 20, 30, 40
    Montagevorrichtung
    11
    Laserversatzmeter (Abstandsmessgerät)
    12
    Kopf
    21
    Vibrationsmessgerät
    22
    Laserdopplervibrationsmeter
    R
    vorbestimmtes Gewicht
    US
    Ultraschallvibration
    H1
    Senkungsmenge der Lötkugeln in der ersten Stufe
    H2
    Senkungsmenge der Lötkugeln in der zweiten Stufe
    G
    Markierung
    B
    flächenartige Elektrode
    C
    Kapazität
    W
    Vibrationswellenform
    W0
    Referenzwellenform
    W1, W2
    Vibrationswellenformspektrum
    W01, W02
    Referenzwellenspektrum
    i
    elektrischer Strom
    i0
    Referenzstromwellenform
    V
    Spannung

Claims (3)

  1. Montagevorrichtung (20) zur Montage eines elektronischen Bauteils (3) mit einer Lötkugel (5), bei der eine Verwendung von Ultraschallwellen und Thermokompressions-Bonden vorgesehen ist, um ein Flipchip-Bondsystem auszubilden, die Vorrichtung umfasst ein Ultraschallschwingungserzeugungsgerät (8), ein Horn (7), das an dem Ultraschallschwingungserzeugungsgerät (8) befestigt ist, ein an dem Horn (7) befestigtes Spannwerkzeug (6) zum Halten eines elektronischen Bauteils (3), eine mit dem Ultraschallschwingungserzeugungsgerät (8) verbundene Steuereinheit (9) und eine mit der Steuereinheit (9) verbundene Substratleiter-Heizeinheit (4), gekennzeichnet durch ein Höhenmessgerät (11; 31, 50) zur Überwachung einer durch die Anwendung der Ultraschallschwingung hervorgerufene Senkungsmenge (H2) der Lötkugel (5), wobei das Höhenmessgerät mit der Steuereinheit (9) verbunden ist.
  2. Montageverfahren zur Montage eines elektronischen Bauteils (3) mit wenigstens einer Elektrode und einer an der Elektrode vorgesehenen Lötkugel (5), das Verfahren umfasst die Schritte: – Absenken des elektronischen Bauteils (3) in Bezug auf einen Substratleiter (1) mit einer Elektrode (2), – Anwenden eines vorherbestimmten Gewichts (R) auf das elektronische Bauteil (3), wenn die eine oder mehrere Lötkugeln (5) in Kontakt mit einer Gegenelektrode kommen, um die Lötkugeln (5) zu komprimieren und eine erste Stufe einer Lötkugel-Senkungsmenge (H1) hervorzurufen; und dann – gleichzeitiges Anwenden eines vorherbestimmten Gewichts (R) und einer Ultraschallschwingung (US) auf das elektronische Bauteil (3) für eine vorherbestimmte Zeit (T2), um die Lötkugeln (5) weiter zu komprimieren und eine zweite Stufe einer Lötkugel-Senkungsmenge (H2) hervorzurufen, und um eine Verbindung zwischen der Elektrode des elektronischen Bauteils (3) und der Elektrode (2) des Substratleiters (1) auszubilden, – wobei eine Senkungsmenge (H2) der Lötkugeln (5) aufgrund der Anwendung des vorherbestimmten Gewichts (R) und der Ultraschallschwingung (US) für die vorherbestimmte Zeit (T2) von einem Höhenmessgerät (11; 31, 50) überwacht wird, und – wobei die Verbindung, die durch Ultraschallwellen und Thermokompressions-Bonden unter Verwendung eines Flipchip-Bondsystems gebildet wird, insbesondere gemäß Anspruch 1, durch Vornehmen einer Beurteilung, ob die Lötkugel-Senkungsmenge (H2) zur Zeit (T2) der Ultraschallschwingungen (US) gleichzeitig mit dem vorherbestimmten Gewicht (R) in einen beabsichtigten Bereich fällt oder nicht, als defekt oder nicht defekt bewertet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die erste Stufe der Lötkugel-Senkungsmenge (H1) und die zweite Stufe der Lötkugel-Senkungsmenge (H2) individuell von dem Höhenmessgerät (11; 31, 50) überwacht werden und wobei die Verbindung, die durch Ultraschallwellen und Thermokompressions-Bonden unter Verwendung eines Flipchip-Bondsystems gebildet wird, durch Vornehmen einer Beurteilung, ob die entsprechende Stufe der Lötkugel-Senkungsmengen (H1, H2) in entsprechend beabsichtigte Bereiche oder nicht fallen, als defekt oder nicht defekt bewertet wird.
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