ES2224501T3 - Procedimiento y dispositivo para el tratamiento de componentes dispuestos sobre un substrato, especialmente de chips de semiconductores. - Google Patents

Procedimiento y dispositivo para el tratamiento de componentes dispuestos sobre un substrato, especialmente de chips de semiconductores.

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ES2224501T3 ES99112660T ES99112660T ES2224501T3 ES 2224501 T3 ES2224501 T3 ES 2224501T3 ES 99112660 T ES99112660 T ES 99112660T ES 99112660 T ES99112660 T ES 99112660T ES 2224501 T3 ES2224501 T3 ES 2224501T3
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Abstract

Procedimiento para el tratamiento de componentes electrónicos (1) dispuestos sobre un substrato (2), en el que los componentes son colocados sobre el substrato y son impulsados por una herramienta (3) para la unión duradera con el substrato, dado el caso, utilizado un adhesivo y son sometidos a una presión de prensado y, dado el caso, a un tratamiento térmico, siendo colocados sobre el substrato varios componentes unos detrás de otros para formar un grupo (4) y siendo sometido a continuación todo el grupo al mismo tiempo a la presión de prensado y, dado el caso, al tratamiento térmico.

Description

Procedimiento y dispositivo para el tratamiento de componentes dispuestos sobre un substrato, especialmente de chips de semiconductores.
La invención se refiere a un procedimiento y a un dispositivo para el tratamiento de componentes dispuestos sobre un substrato, especialmente de chips de semiconductores. Tales procedimientos se emplean, por ejemplo, en la fabricación de determinados elementos de semiconductores, en los que el chip acabado, provisto con piezas de conexión, solamente es mayor es una medida no esencial que el chip de silicio bruto (Paquete a Escala de Chip o de forma abreviada CSP).
En este caso, entre el substrato y el componente se dispone una masa intermedia, por ejemplo de un elastómero o una lámina, que compensa los diferentes coeficientes de dilatación longitudinal térmica de los materiales. Para garantizar una adhesión suficiente y para endurecer la masa de elastómero, los componentes deben prensarse contra el substrato por medio de calentamiento simultáneo. Esto se lleva a cabo por medio de una prensa entre placas paralelas, que pueden ser calentadas.
Sin embargo, un inconveniente de los procedimientos conocidos consiste en que el emplazamiento exacto de los componentes sobre el substrato y la unión definitiva a alta presión y a alta temperatura deben realizarse en una etapa. El proceso de prensado dura en este caso esencialmente más tiempo que el proceso de emplazamiento, lo que conduce a fuertes limitaciones de la capacidad en la línea de producción. Pero, por otra parte, también es un inconveniente perturbador el empleo de altas temperaturas en la zona del emplazamiento de los componentes. En la estación de emplazamiento se trabaja, en efecto, con manipuladores y aparatos de medición de alta precisión, que reaccionan de una manera sensible a las repercusiones de la temperatura. Por lo tanto, un cometido de la invención es crear un procedimiento del tipo mencionado al principio, en el que se puede elevar con medios sencillos la capacidad de producción dentro de la misma línea. Además, el procedimiento debe permitir una separación del proceso de colocación del proceso de tratamiento propiamente dicho para la unión definitiva.
Este cometido se soluciona según la invención con un procedimiento, que presenta las características de la reivindicación 1. El prensado y/o calentamiento de los componentes por grupos se lleva a cabo en este caso de una manera separada en el tiempo del proceso de colocación, de modo que de acuerdo con el tamaño de la herramienta, se puede tratar al mismo tiempo un número relativamente grande de componentes.
En este caso, de una manera especialmente ventajosa, la colocación de los componentes sobre el substrato y la aplicación de la herramienta se llevan a cabo en estaciones de trabajo que están dispuestas a distancia una de la otra. En efecto, se ha mostrado que la colocación exacta y el tratamiento no tienen que realizarse forzosamente en la misma estación de trabajo. En el caso de empleo de substratos o bien de adhesivos adecuados, éstos disponen también a temperatura ambiente una fuerza adhesiva suficiente para el transporte posterior después de la colocación. De esta manera, los substancias pueden ser transportados adicionalmente desde la zona de colocación sensible hasta una estación de tratamiento, en la que se puede aplicar presión y/o calor sin la influencia negativa del proceso de colocación.
En este caso pueden ser impulsados de una manera sincronizada varios grupos consecutivos de componentes, durante la impulsión de un grupo de una manera ideal como máximo hasta la colocación de un grupo precedente. Durante el proceso de colocación se pueden disponer en este caso los componentes en una secuencia rápida para formar un grupo, siendo prensado en la estación de tratamiento durante todo el periodo de tiempo desde la colocación del primer componente hasta la colocación del último componente. Además, durante el tratamiento de los componentes se pueden conseguir ventajas considerables, cuando cada componente del grupo es impulsado con un empujador separado y cuando durante la impulsión, para la consecución de una fuerza de apoyo uniforme sobre todos los componentes, se adapta cada empujador a la altura individual del componente. Con esta medida se garantiza que también en el caso de tolerancias de altura inevitables de los componentes, se lleve a cabo un tratamiento uniforme de todo el grupo con presión y temperatura. Por lo tanto, un componente con una altura máxima precisamente todavía admisible es sometido a la misma fuerza de prensado y a la misma temperatura que un componente con una altura mínima admisible.
Para el tratamiento térmico se calientan antes y/o durante la impulsión de los componentes los empujadores y/o un soporte del substrato que sirve como contraapoyo. Pero también sería concebible realizar todo el proceso de prensado en un horno cerrado o realizar el calentamiento de otra manera, por ejemplo a través de un horno de convección o a través de microondas. El substrato es retenido, además, durante la impulsión de los componentes de una manera ventajosa por medio de presión negativa sobre el soporte del substrato. Puesto que en el substrato se trata, en general, de un material del tipo de película o del tipo de gel, se garantiza de esta manera también un apoyo superficial sobre el soporte del substrato sin inclusiones de aire.
Se conoce a través del documento JP 11-121532 un dispositivo comparable del tipo indicado al principio, en el que con una única herramienta se pueden tratar al mismo tiempo varios componentes electrónicos, dispuestos sobre un substrato, de diferente tipo de construcción. La herramienta dispone para este fin de varias herramientas de prensa individuales, que están montadas en una guía de manera que se pueden desplazar en la dirección de prensado y cada una de las cuales puede ser impulsada individualmente con un cilindro neumático que puede ser activado por separado. Para la adaptación de la posición de partida de cada herramienta de prensa a la altura de construcción de los componentes electrónicos, la posición final máxima posible de cada herramienta en la guía puede ser limitada con un tope. De esta manera se garantiza que todos los componentes entren en contacto al mismo tiempo con las herramientas.
La invención se refiere también a un dispositivo para el tratamiento de componentes electrónicos dispuestos sobre un substrato según el preámbulo de la reivindicación 5. Este dispositivo es adecuado de una manera especialmente ventajosa para la realización del procedimiento según la invención, pero también se podría emplear de otra manera. El dispositivo debe garantizar especialmente que a pesar del tratamiento de los componentes en grupo, se puede tener en cuenta su naturaleza individual como en un tratamiento individual. Esto se soluciona según la invención por medio del dispositivo según la reivindicación 5, así como a través de la utilización del dispositivo según la reivindicación 16.
Los empujadores individuales y montados de forma desplazable en la herramienta posibilitan tratar cada componente particular de un grupo de una manera individual. Por lo tanto, también sería concebible la aplicación de una temperatura individual. Los empujadores individuales podrían estar formados también de una manera diferente, de tal forma que dentro de un grupo pudieran ser impulsados diferentes tamaños y/o formas de componentes.
No obstante, en la fabricación descrita al principio de elementos semiconductores solamente deben tenerse en cuenta, en general, las diferentes alturas de los chips de silicio bruto. Esto se realiza porque los empujadores están en unión operativa con un medio de compensación. Este medio de compensación puede trabajar según diferentes principios técnicos. Así, por ejemplo, sería concebible una solución puramente mecánica, en la que en una posición de partida neutra de la herramienta, los empujadores desplazables son colocados sueltos sobre los componentes. Por medio de un cierre centralizado se amarran entonces todos los empujadores en su cojinete de desplazamiento, después de lo cual se ejerce a través de la herramienta la fuerza de prensado sobre los empujadores ajustados de forma individual.
De una manera especialmente sencilla, el medio de compensación se forma a través de una cámara de líquido para la distribución hidrostática de la fuerza de impulsión sobre los empujadores individuales. Esta cámara de líquido trabaja según el principio conocido, según el cual en un líquido en reposo prácticamente no comprimible, las fuerzas de presión se propagan de una manera independiente de la dirección. Por lo tanto, cada uno de los empujadores se podrían sumergir con una superficie de impulsión igual en la cámara de líquido, cuyas paredes son habitualmente rígidas.
No obstante, una solución esencialmente más sencilla desde el punto de vista técnico consiste en que la cámara de líquido está dispuesta sobre los lados traseros de los empujadores, que están alejados del soporte del substrato, y en que presenta una membrana flexible, apoyándose los lados traseros de los empujadores en la membrana. El volumen en la cámara se mantiene siempre del mismo tamaño, independientemente de cómo estén colocados los empujadores. La elasticidad de la membrana permite en este caso un desplazamiento de los empujadores dentro de un margen de tolerancia determinado. No obstante, en este caso se mantiene siempre igual la presión en el líquido y, por lo tanto, la presión sobre los empujadores individuales.
Para la supervisión y el control o, dado el caso, también para el registro en protocolo de la fuerza de prensado que actúa sobre los empujadores, la cámara de líquido puede estar en conexión operativa con un sensor de presión. También en el caso de herramienta sin cámara de líquido se puede regular, en general, de una manera ventajosa la presión de prensado de la herramienta a través de un sensor de presión, para aproximar la fuerza de prensado durante toda la duración del prensado a un valor teórico. Se pueden emplear especialmente sensores de presión, pero también se pueden utilizar otros sensores, por ejemplo sensores de fuerza.
Los empujadores pueden estar alojados en una guía de empujador, que está prevista para el calentamiento de los empujadores con un dispositivo calefactor. Los empujadores se pueden calentar en este caso de forma indirecta a través de al menos un dispositivo calefactor a temperaturas del proceso hasta 300ºC. Con preferencia, la guía de los empujadores y los empujadores están constituidos del mismo material metálico, para que no se produzcan agarrotamientos durante la dilatación térmica. En efecto, los empujadores deben estar guiados en la guía de los empujadores con un juego muy pequeño, para que actúen exclusivamente fuerzas verticales y no fuerzas transversales en la superficie de trabajo de los empujadores. Por el mismo motivo, las guías de los empujadores están configuradas relativamente largas con relación al diámetro de los empujadores.
Para evitar la radiación de calor o bien para proteger al personal de servicio, la herramienta puede estar rodeada al menos en parte por una capa de aislamiento térmico. Lo mismo se aplica también para el soporte de substrato, en el caso de que éste se caliente igualmente por medio de un dispositivo calefactor. Para que se pueda supervisar o bien registrar en protocolo también la temperatura de trabajo, tanto en la herramienta como también en el soporte de substrato está dispuesto al menos un sensor de temperatura.
Por razones de seguridad, los empujadores están pretensados en la posición de reposo de la herramienta bajo tensión previa de muelle en una posición de partida neutral, en la que están introducidos con preferencia totalmente en la herramienta. De esta manera, no se pueden dañar los empujadores, cuando se retira la herramienta fuera del porta-herramientas, por ejemplo para realizar trabajos de reequipamiento. Además, de esta manera se garantiza que los lados traseros de los empujadores se apoyen en la posición de salida de una manera uniforme en la membrana de la cámara de líquido. Por último, con la tensión previa del muelle se garantiza también que los empujadores se sumerjan de nuevo totalmente en la guía de empujadores después de cada carrera de trabajo para la absorción óptima del calor.
El soporte del substrato descansa con preferencia sobre un trípode ajustable. De este modo se puede alinear el soporte del substrato de una manera especialmente sencilla de forma paralela al plano sobre el plano de trabajo de los empujadores. También esta medida sirve para evitar las fuerzas transversales que actúan sobre los componentes.
El dispositivo se puede utilizar de una manera especialmente ventajosa para el prensado posterior de chips en una línea para la producción de Chip Scale Packages (CSP), especialmente de Ball Grid Arrays (BGA) o de Flex BGA. Pero con los mismos dispositivos se pueden realizar también otros tratamientos en la fabricación de semiconductores. Así, por ejemplo, en el campo de los Flip Chips, donde los chips son encolados con impactos, son fijados eutécticamente o son estañados. Pero el dispositivo es adecuado también para procesos LOC (Lead on Chip), en los que la conexión entre los chips y un bastidor de plomo metálico se establece bajo presión y temperatura. Por último, también sería concebible emplear el dispositivo según la invención para procesos de trabajo fuera de la técnica de semiconductores, por ejemplo en el campo de la electrotecnia o de la optoelectrónica.
Otras ventajas y características individuales de la invención se deducen a partir de la siguiente descripción de un dibujo de realización y a partir de los dibujos. En este caso:
La figura 1 muestra una representación en perspectiva muy simplificada de un procedimiento de tratamiento.
La figura 2 muestra una representación esquemática de un dispositivo de tratamiento.
La figura 3 muestra una sección transversal a través de un grupo de componentes con diferente altura de construcción, y
La figura 4 muestra una representación general esquemática del dispositivo según la figura 21 en una prensa.
La figura 1 muestra un fragmento de una línea de producción para la fabricación de elementos semiconductores. En este caso, se representa una estación de colocación 5 y una estación de prensado posterior 6, que pueden ser ambas, sin embargo, componentes de la misma instalación. Sobre un avance de substrato 18 se hace avanzar un substrato, en la dirección de la flecha a, a través de medios de avance adecuados no representados aquí en detalle. En el substrato se puede tratar en este caso, por ejemplo, de una película de poliimida, que ha sido recubierta en una estación de trabajo precedente en una superficie grande con un material adhesivo.
Sobre la estación de colocación se depositan con medios conocidos en sí, por ejemplo con un dispositivo de adhesión a troquel convencional, chips de silicio 1 sobre el substrato 2. Los chips son recibidos y colocados con la ayuda de un brazo receptor 20 desde una oblea 19. El brazo receptor se mueve de forma pendular de un lado para otro en este caso en la dirección de la flecha b, y se puede mover, además, en los tres ejes espaciales x, y, z diferentes. En este caso, es posible también una inversión de la posición relativa del chip entre la oblea y el substrato (Flip Chip).
Tan pronto como ha sido depositado en la estación de colocación 5 un grupo 4 de chips 1 definido previamente en cuanto a la posición, se transporta el substrato adicionalmente hacia la estación de prensado posterior 6. Los chips no pueden estar desplazados en este caso en cuanto a la posición, aunque no existe todavía una unión intensiva con el substrato. Solamente se consigue una unión duradera a través del prensado posterior y el calentamiento con la ayuda de la herramienta 3. Durante este tratamiento, el substrato 2 se encuentra sobre un soporte de substrato plano 8. La herramienta 3 se puede presionar en la dirección de la flecha c, paralela al plano, contra este soporte de substrato. A cada chip 1 individual sobre el substrato está asociado en la herramienta 3 un empujador 7 propio, que está alojado igualmente de forma desplazable en la dirección de la flecha c. El soporte de substrato 8 está colocado sobre un trípode 29, cuya posición relativa se puede ajustar con tornillos de ajuste 30. Esta posibilidad de ajuste permite una adaptación paralela al plano a la superficie de trabajo de los empujadores. El proceso de ajuste se podría automatizar también con medios conocidos en sí.
La herramienta 3 es presionada durante un tiempo de prensado determinado contra el soporte de substrato 8, siendo endurecido al mismo tiempo el adhesivo a través de calentamiento por medio de los empujadores 7 o bien por medio del soporte del substrato. Durante este tiempo de prensado se deposita en la estación de colocación 5 otra vez un grupo nuevo de chips sobre un substrato nuevo.
Otros detalles de la estación de prensado posterior 6 se deducen a partir de la figura 2. El soporte de substrato 8 descansa sobre un bastidor de máquina 21. Para la fijación del substrato 2 en una posición de prensado definida con exactitud están previstos orificios de aspiración 16, que se pueden conectar a través de un conducto de aspiración 23 a una fuente de presión negativa no representada. El soporte de substrato se puede calentar por medio de al menos un cartucho calefactor 14' incorporado. Para el control de la temperatura sirve un sensor de temperatura 17'. Para evitar pérdidas, el soporte de substrato está blindado frente al bastidor de la máquina con un aislamiento térmico 15.
La herramienta 3 se puede empotrar por medio de un porta-herramientas 22 en el saliente 28 de una prensa 27 convencional (figura 4). La herramienta dispone de una guía de empujadores 13, en la que los empujadores 7 individuales están montados de manera que se pueden desplazar paralelos al eje. Sobre todos los lados traseros de los empujadores 10 se extiende una cámara de líquido 9, que está cerrada herméticamente frente a los empujadores con una membrana flexible 11. Los lados traseros de los empujadores son prensados con la ayuda de una placa de arrastre 26, bajo la tensión previa de muelles de compresión 25, contra la membrana. En esta posición de partida, los lados frontales de los empujadores 24 están introducidos, además, en la herramienta 3 o bien se extienden aproximadamente en el mismo plano que el lado inferior de la guía de empujadores 13.
La cámara de líquido 9 está en unión operativa con un sensor de presión 12. Además, en la guía de empujadores 13 están dispuestos sensores de temperatura 17. El calentamiento de la guía de empujadores y, por lo tanto, de los empujadores 7 que están alojados en ella se realiza igualmente a través de al menos un cartucho calefactor 14. De la misma manera, la herramienta está cubierta, a ser posible cerrada, con una capa de aislamiento térmico.
El modo de actuación de la cámara de líquido 9 se representa con la ayuda de la figura 3. Sobre el substrato 2 están dispuestos adyacentes tres chips 1a, 1b y 1c. El chip 1a tiene en este caso la altura teórica de construcción H1 descrita, mientras que el chip 1b tiene la altura de construcción mínima H2 y el chip 1c tiene la altura de construcción máxima H3. Si se prensasen estos tres chips con la misma placa de prensa paralelamente al plano del soporte de substrato 18, entonces la placa de prensa cargaría al máximo al chip 1c, como se deduce claramente y posiblemente lo dañaría, mientras que el chip 1b no sería cargado eventualmente, en general. Sin embargo, utilizando la cámara de líquido, cada empujador se puede adaptar, como consecuencia de su capacidad de desplazamiento, a la altura de construcción del chip, mientras que se garantiza una distribución uniforme de la fuerza de la prensa a través del apoyo en la membrana 11 flexible. De acuerdo con la prensa, se puede aplicar por cada empujador una fuerza de prensado de hasta 9 bares (1 bar = 10^{5} Pa).

Claims (16)

1. Procedimiento para el tratamiento de componentes electrónicos (1) dispuestos sobre un substrato (2), en el que los componentes son colocados sobre el substrato y son impulsados por una herramienta (3) para la unión duradera con el substrato, dado el caso, utilizado un adhesivo y son sometidos a una presión de prensado y, dado el caso, a un tratamiento térmico, siendo colocados sobre el substrato varios componentes unos detrás de otros para formar un grupo (4) y siendo sometido a continuación todo el grupo al mismo tiempo a la presión de prensado y, dado el caso, al tratamiento térmico.
2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque la colocación de los componentes (1) sobre el substrato (2) y la impulsión con la herramienta (3) se realizan en estaciones de trabajo (5, 6) que están dispuestas a distancia entre sí.
3. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 ó 2, caracterizado porque cada componente (1) del grupo (4) es impulsado con un empujador (7) separado y porque durante la impulsión, para la consecución de una fuerza de apoyo uniforme sobre todos los componentes, cada empujador es adaptado a la altura individual del componente.
4. Procedimiento según la reivindicación 3, caracterizado porque antes y/o durante la impulsión de los componentes, se calientan los empujadores y/o un soporte de substrato (8) que sirve como contraapoyo.
5. Dispositivo para el tratamiento de componentes electrónicos (1) dispuestos sobre un substrato (2), con un soporte de substrato (8) y con una herramienta (3) que se puede mover hacia el soporte de substrato, para la impulsión de los componentes por medio de presión y, dado el caso, de calor, presentando la herramienta (3), para la impulsión simultánea de un grupo (4) de componentes, varios empujadores (7) montados de forma desplazable individualmente en la dirección de movimiento de la herramienta (3), caracterizado porque los empujadores (7) están en unión operativa durante la impulsión con un medio de compensación para la compensación de las diferentes alturas de los componentes (1), de tal forma que durante el movimiento de la herramienta hacia el soporte del substrato, cada componente puede ser impulsado con la misma fuerza de apoyo.
6. Dispositivo según la reivindicación 5, caracterizado porque el medio de compensación es una cámara de líquido (9) para la distribución hidrostática de la fuerza de impulsión sobre los empujadores (7) individuales.
7. Dispositivo según la reivindicación 6, caracterizado porque la cámara de líquido (9) está dispuesta sobre los lados traseros (10) de los empujadores (7), que están alejados del soporte de substrato y presenta una membrana flexible (11) y porque los lados traseros de los empujadores se apoyan en la membrana.
8. Dispositivo según una de las reivindicaciones 5 a 7, caracterizado porque los empujadores (7) están montados en una guía de empujadores (13), que está provista con un dispositivo calefactor (14) para el calentamiento de los empujadores.
9. Dispositivo según la reivindicación 8, caracterizado porque los empujadores (7) y la guía de empujadores (13) están constituidos por el mismo material metálico y porque el dispositivo calefactor (14) es al menos un cartucho calefactor eléctrico.
10. Dispositivo según la reivindicación 8 ó 9, caracterizado porque la herramienta (3) está rodeada al menos parcialmente por una capa de aislamiento térmico (15).
11. Dispositivo según una de las reivindicaciones 5 a 10, caracterizado porque tanto en la herramienta como también en el soporte de substrato están dispuestos sensores de temperatura para la supervisión de la temperatura de tratamiento.
12. Dispositivo según una de las reivindicaciones 5 a 11, caracterizado porque los empujadores (7) están pretensados en el estado de reposo de la herramienta (3) bajo tensión previa del muelle en una posición de partida neutral, en la que están insertados en la herramienta.
13. Dispositivo según una de las reivindicaciones 5 a 12, caracterizado porque el soporte de substrato (8) descansa sobre un trípode, que se puede ajustar para la alineación paralela al plano del soporte de substrato sobre el plano de los empujadores.
14. Dispositivo según una de las reivindicaciones 5 a 13, caracterizado porque la presión de prensado de la herramienta (3) se puede regular a través de un sensor (12) colocado en la herramienta, especialmente un sensor de presión.
15. Dispositivo según la reivindicación 14, caracterizado porque el sensor de presión (12) está en unión operativa con la cámara de líquido (9).
16. Utilización de un dispositivo según una de las reivindicaciones 5 a 15, caracterizado porque para el prensado posterior de los chips en una línea para la producción de Chip Scale Packages (CSP), especialmente de Ball Grid Array (BGA).
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