WO2001003183A2 - Verfahren zum aufbringen von verbindungsmaterialien für eine verbindung zwischen einem mikrochip und einem substrat sowie verwendung eines nach dem tintendruckprinzip arbeitenden druckkopfes - Google Patents

Verfahren zum aufbringen von verbindungsmaterialien für eine verbindung zwischen einem mikrochip und einem substrat sowie verwendung eines nach dem tintendruckprinzip arbeitenden druckkopfes Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a method for applying connecting materials for a connection between a microchip and a substrate, a method for producing an electrical and mechanical connection between a microchip and a substrate and the use of a printhead which works according to the ink printing principle.
  • connection materials for a connection between a microchip and a substrate or the production of such a connection between substrate and microchip are known.
  • FC flip-chip connection
  • the production of this so-called flip-chip connection (FC) or the application of the connection materials for this flip-chip connection takes place according to the prior art after a series of inconsistent method steps, in particular because in such flip-chip connections in the in most cases, both a mechanical connection and an electrical connection between Substrate and microchip must be made.
  • the substrate and / or microchip have electrical contact points which must be provided with electrically conductive connecting materials for their later connection to one another.
  • metallic solders are known in particular, which are applied galvanically to the electrical contact points according to the prior art.
  • a filler also referred to as an underfiller
  • an underfiller is introduced between the microchip and substrate after soldering, which firmly connects the substrate and chip to one another and thus prevents the temperature-related movements.
  • the underfiller is difficult to insert due to the small gap between the microchip and the substrate.
  • the underfiller will flow completely under the microchip, which means that a good chemical connection is not guaranteed. If the package comprising the substrate and the microchip is connected, it can also only be checked with complex measuring methods whether the lower filler has flowed completely under the microchip.
  • the method is used to apply connecting materials for a connection between a microchip and a substrate, an electrically conductive material for the electrical connection and a filler material for the mechanical connection of the substrate and microchip being applied to the microchip and / or the substrate.
  • the method is characterized in that the electrically conductive material and / or the filling material are applied to the substrate and / or to the substrate and / or to the substrate by means of at least one printhead operating according to the ink printing principle Microchip can be sprayed on. By means of such a printhead, the connecting materials can be sprayed on precisely at any predetermined positions.
  • Predefined positions are the electrical contact points which are present on the substrate and / or microchip and which are to be connected to the electrically conductive material later.
  • the method according to the invention has the advantage that the electrically conductive material can be applied much more quickly. Because the connecting materials are sprayed on in the liquid phase, heating by a reflow process of the substrate and / or the microchip may not be necessary if these components are not yet connected to one another. This reflow process is absolutely necessary in the prior art if the electrically conductive material is applied by means of stencil printing, since it is initially present as a paste, for example a paste comprising metallic solder.
  • the filler material can also be applied to the substrate and / or the microchip, the subsequent injection of filler material between the substrate and the microchip is omitted in the method according to the invention. In addition, it is avoided that the filling material does not flow completely under the microchip. Overall, there are only a few process steps, so that the connection can be made quickly.
  • the liquid connecting materials are sprayed out of the print head in drops. The drops can thus be used to position the connecting materials precisely on the substrate and / or the microchip. Nevertheless, it is possible to spray several drops onto one position, so that a larger material deposit can be formed. In addition, several drops can be applied side by side in order to be able to provide the material with a larger area. The drops can also be sprayed on overlapping areas.
  • metallic solder is used as the electrically conductive material and glass is used as the filler material, the solder and glass being hot and liquid for spraying, in particular glasses and solders which have a low melting point are used.
  • liquid auxiliaries for example solder flux
  • solder flux is also sprayed onto the substrate and / or the microchip for connection to the print head by means of the print head. This results in a high quality electrical connection between the substrate and the microchip.
  • one or more pressure heads are used for spraying out the connecting materials. Becomes If only one print head is used, it preferably has a plurality of ejection openings, it being possible for a connecting material to be ejected from each ejection opening. If several printheads are used, a connecting material can be injected from each printhead.
  • the object is also achieved with a method for producing an electrical and mechanical connection between a microchip and a substrate, which comprises the steps specified in claim 5.
  • the connecting materials that is, the electrically conductive and the mechanical connecting material
  • the connecting materials are applied to the substrate and / or the microchip, the connecting materials being in liquid form, so that they are applied by means of a printhead which works according to the ink printing principle.
  • the substrate and the microchip are placed on one another in the correct position, the electrical contact surfaces of the microchip and / or the substrate being provided with the conductive connecting material and the respective contacting surfaces of the substrate and the microchip facing one another.
  • a metallic solder is used as the electrically conductive connecting material, which is hot and liquid when sprayed out.
  • An exemplary embodiment of the method is particularly preferred in which materials are used for the mechanical connection which have an adhesive effect on the adjacent surfaces of the substrate and the microchip when their state of matter changes from liquid to solid. It is therefore not necessary to wait until the usual bonds between the substrate and the microchip have hardened.
  • glass is used as the connecting material for the mechanical connection, which preferably has a low melting point.
  • the mechanical connection is thus established which is permanent and essentially prevents the mechanical movements between the substrate and the microchip mentioned at the outset.
  • several microchips are in the form of a wafer, each microchip of this wafer being provided with the connecting materials, so that a substrate can then be applied to each microchip and then attached.
  • connecting materials it is also possible for connecting materials to be attached to the substrate before it is connected to the wafer. After the wafer and substrate have been connected, the wafers can be cut into microchip sizes.
  • the print head has a plurality of, preferably with a different cross-section, ejection openings from which the connecting materials are sprayed onto the substrate and / or the microchip.
  • the print head has a plurality of, preferably with a different cross-section, ejection openings from which the connecting materials are sprayed onto the substrate and / or the microchip.
  • larger nozzle cross sections or outlet cross sections can be used for the mechanical connection materials in order to create large-area connection points simply and quickly.
  • a printhead which works according to the ink printing principle and which has at least one medium chamber with a deflectable membrane which can be deflected by means of an actuator, the actuator being thermally decoupled from the membrane, and with a connecting material in a hot liquid in the medium chamber Phase is present, which is sprayed onto a substrate and / or a microchip from the medium chamber. Due to the fact that the actuator is thermally decoupled from the membrane, they are present in the medium chamber hot connection materials have no influence on the function of the actuator, since the heat at the membrane cannot be conducted to the actuator. This is particularly advantageous if the actuator is a piezoelectric element that is controlled electrically in order to deflect the membrane.
  • connection materials are sprayed
  • Figure 2 shows the microchip of Figure 1, which is connected to a substrate
  • 3 shows a print head working on the ink printing principle.
  • the production of a flip-chip connection on a substrate and a microchip is described purely by way of example.
  • the methods according to the invention or the use according to the invention of a printhead working principle can also be used for any other temperature-resistant connections of different components.
  • the material of the substrate and the microchip are materials which have different coefficients of thermal expansion, so that the use of filler material for the mechanical connection seems necessary.
  • the thermal expansion coefficients of the two materials are very close to one another or are the same, the filler material may be dispensed with, so that the electrical connection simultaneously forms the mechanical connection for the substrate and the microchip.
  • FIG. 1 shows, in a highly simplified manner, a microchip 1, which may include microelectronic and / or micromechanical components or structures, not shown here.
  • a side 4 of the microchip 1 is shown in FIG. 1, which has electrical contact surfaces 2.
  • the electrical contact surfaces 2 serve to lead out the electrical connections of the microelectronic circuit or the micromechanical structure.
  • the electrical contact surfaces 2 are provided with an electrically conductive connecting material 3, which forms a material depot.
  • the material depot or the electrically conductive connecting material 3 is metallic solder, which forms a bump-shaped solder depot on the contacting surfaces 2.
  • the free surfaces of the side 4, which has the contact points 2, of the microchip 1 are essentially completely provided with a filling material 5, which serves for a mechanical connection to a substrate 6 shown in FIG.
  • the filling material 5 is also applied in drops to the side 4, it being possible for several drops to have run into one another or at least overlap in some areas.
  • the arrangement of the filling material 5 and the electrical contact surfaces 2 is selected to be square, in particular square, in the exemplary embodiment shown in FIG. 1. Of course, any other arrangement is conceivable if the electrical connections of the microelectronic circuit or the micromechanical structure so require.
  • the microchip provided with the electrically conductive connecting material 3 and the filling material 5 is placed in the correct position upside down on the substrate 6 for the connection to the substrate 6 in order to produce a so-called flip-chip connection such that the electrical contact surfaces 2 with their electrically conductive connecting material 3 Exactly in position, that is to say in the correct position, lie on mating contact surfaces 8 present on the substrate 6.
  • the package 7 formed from microchip 1 and substrate 6 is fed to a reflow process known per se, in which in particular the electrically conductive connecting material 3 and the filling material 5 are heated above the temperature limit from which they become liquid.
  • the filling material 5 that is to say the mechanical connecting material
  • materials are used in particular which have an adhesive effect on the adjacent surfaces of the substrate 6 and the microchip 1 when their state of aggregation changes from liquid to solid, that is to say upon cooling after the above mentioned reflow process.
  • glasses are used for this purpose, which preferably have a low melting point.
  • the above-mentioned flip-chip connection can also be established if several microchips 1 are combined on a so-called wafer.
  • a substrate covering one side of the wafer can then be fastened in the correct position on the wafer by means of the electrically conductive connecting material 3 and the filling material 5, the individual connections being completed by the subsequent reflow process.
  • the individual microchips with their associated substrates are then separated from one another by a subsequent separation process.
  • each microchip on the wafer has a single one Assigned substrate and can be attached to the microchip 1 by means of the flip-chip connection.
  • the electrically conductive connecting material 3 and the filling material 5 are applied to the substrate 6 and / or the microchip 1 with a printing head 9 which works according to the ink printing principle and is shown in FIG. 3.
  • the print head comprises a medium chamber 10 in which the electrically conductive connecting material 3 or the filling material 5 is present. If both materials are applied to the substrate 6 or the microchip 1 by means of a print head 9, the print head 9 preferably has at least two medium chambers 10 which are separated from one another, or else two print heads 9 are used.
  • the medium chamber 10 has an ejection opening 11, from which the connecting material 3 or 5 is sprayed onto the surface of the side 4 of the microchip 1 and / or the substrate 6.
  • a membrane 12 forming a wall of the medium chamber is deflected, so that the connecting material 3 or 5 emerges in a drop shape from the ejection opening 11.
  • the print head 9 has an actuator 13, which is designed in particular as a piezoelectric element and has two contact surfaces for its electrical control, only the contact surface 14 being shown in FIG. 3.
  • the electrical actuation of the actuator 13 changes its length, so that the membrane 12 either in the direction of the bottom 16 of the Medium chamber is moved or removed from the floor 16, the membrane 12 being deflected arched.
  • the actuator 13 has a heat blocking element 17 which forms a heat transfer resistance between the membrane 12 and the actuator 13. This ensures that the piezoelectrically active parts of the actuator 13 are below the piezoelectric Curie temperature, so that it is ensured that the actuator 13 works optimally, that is, its change in length as a function of the applied electrical voltage remains constant, whereby constant from the ejection opening 11 Drop volume can be applied.
  • the actuator 13 is held within a housing 18 of the print head 9, with its end having the contact surfaces 14.
  • the print head 9 preferably has a heating device 19 so that the connecting material 3 or 5 present in the medium chamber 10 can be kept at the appropriate temperature at which it is in liquid form.
  • the connecting material is introduced hot and liquid into the medium chamber 10, which means that the heating device 19 can be dispensed with if necessary.
  • a cooling medium can be introduced into the interior of the housing through a housing opening 20 and flows around the actuator 13 so that it is at a housing opening 21 located near the ejection opening 11 emerges again.
  • temperature sensors 22 can be arranged on the side of the membrane 12 facing away from the medium chamber 10, which sensors detect the temperature of the connecting materials prevailing in the medium chamber 10, so that the heating device 19 is controlled accordingly, that is to say switched on or off can be.
  • the ejection openings 11 of the print heads 9 have opening cross sections of different sizes, so that different drop sizes can be brought out. If only one print head with a plurality of medium chambers 10 is used, the ejection openings can of course have different cross-sectional sizes.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufbringen von Verbindungsmaterialien für eine Verbindung zwischen einem Mikrochip und einem Substrat, wobei für die elektrische Verbindung ein elektrisch leitendes Material und für die mechanische Verbindung von Substrat und Mikrochip ein Füllmaterial auf den Mikrochip und/oder das Substrat aufgebracht werden. Es ist vorgesehen, dass das elektrisch leitende Material (3) und/oder das Füllmaterial (5) mittels zumindest eines nach dem Tintendruckprinzip arbeitenden Druckkopfes (9) nacheinander oder gleichzeitig auf das Substrat (6) und/oder den Mikrochip (1) aufgespritzt werden.

Description

Verfahren zum Aufbringen von Verbindungsmaterialien für eine Verbindung zwischen einem Mikrochip und einem Substrat, Verfahren zum Herstellen einer elektrischen und mechanischen Verbindung zwischen einem Mikrochip und einem Substrat sowie Verwendung eines nach dem Tintendruckprinzip arbeitenden Druckkopfes
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufbringen von Verbindungsmaterialien für eine Verbindung zwischen einem Mikrochip und einem Substrat, ein Verfahren zum Herstellen einer elektrischen und mechanischen Verbindung zwischen einem Mikrochip und einem Substrat sowie die Verwendung eines nach dem Tintendruckprinzip arbeitenden Druckkopfes.
Derartige Verfahren zum Aufbringen von Verbindungs- materialien für eine Verbindung zwischen einem Mikrochip und einem Substrat beziehungsweise die Herstellung einer derartigen Verbindung zwischen Substrat und Mikrochip sind bekannt . Die Herstellung dieser sogenannten Flip-Chip-Verbindung (FC) beziehungsweise das Aufbringen der Verbindungsmaterialien für diese Flip-Chip-Verbindung erfolgt nach dem Stand der Technik nach einer Reihe von inkonsistenten Verfahrensschritten, insbesondere deshalb, da bei derartigen Flip-Chip-Verbindungen in den meisten Fällen sowohl eine mechanische Verbindung als auch eine elektrische Verbindung zwischen Substrat und Mikrochip hergestellt werden muß. Für die elektrische Verbindung weisen Substrat und/oder Mikrochip elektrische Kontaktierstellen auf, die für Ihre spätere Verbindung miteinander mit elektrisch leitenden Verbindungsmaterialien versehen werden müssen. Hierzu sind insbesondere metallische Lote bekannt, die nach dem Stand der Technik galvanisch auf die elektrischen Kontaktierstellen aufgebracht werden. Es ist jedoch auch bekannt, die metallischen Lote in Form von Lotpasten mittels Schablonendruck auf die Kontaktierstellen aufzubringen. Danach ist es erforderlich, daß die mit Lotpasten beschichteten Substrate beziehungsweise Mikrochips in einem sogenannten Reflow-Prozeß geschmolzen werden müssen. Nach Erstarren des Lotes werden Substrat und Mikrochip sandwichartig aufein- andergeschichtet , wobei darauf geachtet wird, daß die zu verbindenden elektrischen Kontaktierstellen einander zugewandt sind. Der Chip muß also lage- richtig auf das Substrat aufgelegt werden. Danach muß das Paket aus Substrat und Mikrochip erneut erhitzt werden, so daß das metallische Lot wieder flüssig wird, um letztlich die elektrische Verbindung herzustellen. In manchen Fällen genügt diese elektrische Verbindung auch gleichzeitig als mechanische Verbindung. Unterschiedliche Längenausdehnungskoeffizienten von Substrat und Mikrochip bewirken jedoch bei Temperaturwechseln minimale Bewegungen, die die Flip-Chip-Verbindungen zerstören können. Aus diesem Grund bringt man zwischen Mikrochip und Substrat nach dem Löten ein auch als Un- derfiller bezeichnetes Füllmaterial ein, das Substrat und Chip fest miteinander verbindet und so die temperaturbedingten Bewegungen unterbindet . Ein Problem besteht in vielen Fällen, insbesondere dann, wenn sehr viele elektrische Verbindungen vorgesehen sind, darin, daß durch den geringen Spalt zwischen Mikrochip und Substrat sich der Underfil- ler schlecht einbringen läßt . Außerdem ist nicht gewährleistet, daß der Underfiller vollständig unter den Mikrochip fließt, wodurch eine gute chemische Verbindung nicht gewährleistet ist. Ist das Paket aus Substrat und Mikrochip verbunden, läßt es sich außerdem nur mit aufwendigen Meßverfahren prüfen, ob der Unterfilier vollständig unter den Mikrochip geflossen ist.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Aufbringen von Verbindungsmaterialien und ein Verfahren zum Herstellen einer elektrischen und mechanischen Verbindung zwischen einem Mikrochip und einem Substrat anzugeben, die die vorstehend aufgeführten Nachteile nicht aufweisen.
Gelöst wird diese Aufgabe mit einem Verfahren, das die im Anspruch 1 genannten Merkmale zeigt . Das Verfahren dient zum Aufbringen von Verbindungsmaterialien für eine Verbindung zwischen einem Mikrochip und einem Substrat, wobei für die elektrische Verbindung ein elektrisch leitendes Material und für die mechanische Verbindung von Substrat und Mikrochip ein Füllmaterial auf den Mikrochip und/oder das Substrat aufgebracht werden. Erfindungsgemäß zeichnet sich das Verfahren dadurch aus, daß das elektrisch leitende Material und/oder das Füllmaterial mittels zumindest eines nach dem Tin- tendruckprinzip arbeitenden Druckkopfes nacheinander oder gleichzeitig auf das Substrat und/oder den Mikrochip aufgespritzt werden. Mittels eines derartigen Druckkopfes lassen sich die Verbindungsmaterialien positionsgenau an beliebigen und vorgegebenen Positionen aufspritzen. Vorgegebene Positionen sind die elektrischen Kontaktierpunkte, die an Substrat und/oder Mikrochip vorliegen, und die mit dem elektrisch leitenden Material später zu verbinden sind. Gegenüber dem galvanischen Auftragen der e- lektrisch leitenden Materialien, wie dies im Stand der Technik vorgesehen ist, ergibt sich beim erfindungsgemäßen Verfahren der Vorteil, daß das elektrisch leitende Material wesentlich schneller aufgebracht werden kann. Dadurch, daß die Verbindungsmaterialien in flüssiger Phase aufgespritzt werden, erübrigt sich gegebenenfalls ein Erwärmen durch einen Reflow-Prozeß des Substrats und/oder des Mikro- chips, wenn diese Bauteile noch nicht miteinander verbunden sind. Dieser Reflow-Prozeß ist beim Stand der Technik unbedingt notwendig, wenn das elektrisch leitende Material mittels Schablonendruck aufgebracht wird, da es zunächst als Paste, beispielsweise metallisches Lot umfassende Paste, vorliegt.
Da erfindungsgemäß auch das Füllmaterial auf das Substrat und/oder den Mikrochip aufgebracht werden kann, entfällt beim erfindungsgemäßen Verfahren das nachträgliche Einspritzen von Füllmaterial zwischen das Substrat und den Mikrochip. Überdies wird vermieden, daß das Füllmaterial nicht vollständig unter den Mikrochip fließt. Insgesamt ergeben sich also wenige Verfahrensschritte, so daß die Verbindung schnell hergestellt werden kann. Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß die flüssigen Verbindungsmaterialien tropfenförmig aus dem Druckkopf ausgespritzt werden. Mittels der Tropfen kann somit eine genaue Positionierung der Verbindungsmaterialien auf dem Substrat und/oder dem Mikrochip erfolgen. Dennoch ist es möglich, an eine Position mehrere Tropfen aufzuspritzen, so daß ein größeres Materialdepot gebildet werden kann. Außerdem können mehrere Tropfen nebeneinander aufgebracht werden, um eine größere Fläche mit dem Material versehen zu können. Dabei können die Tropfen auch bereichsweise überlappend aufgespritzt werden.
Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel wird als elektrisch leitendes Material metallisches Lot und als Füllmaterial ein Glas verwendet, wobei das Lot und Glas heiß und flüssig zum Aufspritzen vorliegen, wobei insbesondere Gläser und Lote verwendet werden, die einen niedrigen Schmelzpunkt besitzen.
Wird metallisches Lot verwendet, ist vorzugsweise vorgesehen, daß mittels des Druckkopfes auch flüssige Hilfsstoffe, beispielsweise Lotflußmittel, für die Verbindung mit dem Druckkopf auf das Substrat und/oder den Mikrochip mit aufgespritzt werden. Dadurch ergibt sich eine qualitativ hochwertige e- lektrische Verbindung zwischen Substrat und Mikrochip.
Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel werden ein oder mehrere Druckkδpfe für das Ausspritzen der Verbindungsmaterialien verwendet. Wird lediglich ein Druckkopf verwendet, weist dieser vorzugsweise mehrere Ausspritzöffnungen auf, wobei vorgesehen sein kann, daß aus jeder Ausspritzöffnung ein Verbindungsmaterial ausspritzbar ist. Werden mehrere Druckköpfe verwendet , kann aus jedem Druckkopf ein Verbindungsmaterial ausgespritzt werden.
Die Aufgabe wird auch mit einem Verfahren zum Herstellen einer elektrischen und mechanischen Verbindung zwischen einem Mikrochip und einem Substrat gelöst, das die im Anspruch 5 angegebenen Schritte umfaßt. Zunächst werden die Verbindungsmaterialien, also das elektrisch leitende und das mechanische Verbindungsmaterial, auf das Substrat und/oder den Mikrochip aufgebracht, wobei die Verbindungsmaterialien flüssig vorliegen, so daß sie mittels eines nach dem Tintendruckprinzips arbeitenden Druckkopfes aufgebracht werden. Anschließend -insbesondere nach dem Erstarren der aufgebrachten Verbindungsmaterialien- erfolgt ein lagerichtiges Aufeinanderlegen von Substrat und Mikrochip, wobei die elektrischen Kontaktierflächen des Mikrochips und/oder des Substrats mit dem leitenden Verbindungsmaterial versehen sind und die jeweiligen Kontaktierflächen des Substrats und des Mikrochips einander zugewandt liegen. Anschließend erfolgt ein Erwärmen des auf- einanderliegenden Pakets aus Mikrochip und Substrat, so daß die elektrischen und mechanischen Verbindungsmaterialien wieder flüssig werden. Beim Abkühlen, also wenn die Materialien erstarren, sind Mikrochip und Substrat fest miteinander verbunden. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen einer elektrischen und mechanischen Verbin- düng zwischen einem Mikrochip und einem Substrat ist es möglich, eine preiswerte, schnelle und zuverlässige Flip-Chip-Verbindung herzustellen. Insbesondere dadurch, daß die Verbindungsmaterialien mit einem nach dem Tintendruckprinzip arbeitenden Druckkopf aufgebracht werden, lassen sich diese Vorteile erreichen.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß als elektrisch leitendes Verbindungsmaterial ein metallisches Lot verwendet wird, welches beim Ausspritzen heiß und flüssig vorliegt.
Besonders bevorzugt wird ein Ausführungsbeispiel des Verfahrens, bei dem für die mechanische Verbindung Materialien verwendet werden, die eine adhäsi- ve Wirkung an den angrenzenden Oberflächen des Substrats und des Mikrochips entfalten, wenn sich ihr Aggregatszustand von flüssig nach fest ändert. Es muß also nicht gewartet werden, bis -die sonst üblichen- Klebungen zwischen Substrat und Mikrochip ausgehärtet sind.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß als Verbindungsmaterial für die mechanische Verbindung Glas verwendet wird, das vorzugsweise einen niedrigen Schmelzpunkt besitzt . Beim Erstarren beziehungsweise Abkühlen des Glases wird somit die mechanische Verbindung hergestellt, die dauerhaft ist und die eingangs erwähnten mechanischen Bewegungen zwischen Substrat und Mikrochip im wesentlichen unterbindet . Bei einem Ausführungsbeispiel kann vorgesehen sein, daß mehrere Mikrochips in Form eines Wafers vorliegen, wobei jeder Mikrochip dieses Wafers mit den Verbindungsmaterialien versehen wird, so daß anschließend auf jeden Mikrochip ein Substrat aufgebracht und anschließend befestigt werden kann. Selbstverständlich ist es möglich, daß auch auf dem Substrat Verbindungsmaterialien angebracht werden, bevor dieses mit dem Wafer verbunden wird. Nach erfolgter Verbindung von Wafer und Substrat können die Wafer in Mikrochipgröße geschnitten werden.
Besonders bevorzugt wird ein Ausführungsbeispiel, bei dem der Druckkopf mehrere, vorzugsweise mit unterschiedlich großem Querschnitt, Ausspritzδffnun- gen aufweist, aus denen die Verbindungsmaterialien auf das Substrat und/oder den Mikrochip gespritzt werden. So können beispielsweise für die mechanischen Verbindungsmaterialien größere Düsenquerschnitte beziehungsweise Auslaßquerschnitte verwendet werden, um großflächige Verbindungsstellen einfach und schnell zu schaffen.
Gelöst wird die Aufgabe auch mit einem nach dem Tintendruckprinzip arbeitenden Druckkopf, der zumindest eine Mediumkammer mit einer auslenkbaren Membran aufweist, die mittels eines Aktors auslenkbar ist, wobei der Aktor von der Membran thermisch entkoppelt ist, und wobei in der Mediumkammer ein Verbindungsmaterial in heißer flüssiger Phase vorliegt, das auf ein Substrat und/oder ein Mikrochip aus der Mediumkammer ausgespritzt wird. Dadurch, daß der Aktor von der Membran thermisch entkoppelt ist, haben die in der Mediumkammer vorliegenden heißen Verbindungsmaterialien keinen Einfluß auf die Funktion des Aktors, da die Wärme an der Membran nicht zu dem Aktor geleitet werden kann. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn der Aktor ein piezoelektrische Element ist, das elektrisch angesteuert wird, um die Membran auszulenken. Mit einem derartigen Druckkopf lassen sich insbesondere die vorstehend beschriebenen Verfahren zum Aufbringen von Verbindungsmaterialien für eine Flip-Chip- Verbindung und zum Herstellen einer Flip-Chip- Verbindung durchführen.
Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 stark vereinfacht einen Mikrochip, auf dessen Oberfläche Verbindungsmaterialien aufgespritzt sind,
Figur 2 den Mikrochip nach Figur 1, wobei dieser mit einem Substrat verbunden ist, und
Figur 3 einen nach dem Tintendruckprinzip arbeitenden Druckkopf .
Im folgenden wird rein beispielhaft die Herstellung einer Flip-Chip-Verbindung an einem Subtrat und einem Mikrochip beschrieben. Selbstverständlich können die erfindungsgemäßen Verfahren beziehungsweise die erfindungsgemäße Verwendung eines nach dem Tin- tendruckprinzip arbeitenden Druckkopfes auch für beliebige andere temperaturbeständige Verbindungen von verschiedenen Bauelementen verwendet werden. Im folgenden wird davon ausgegangen, daß es sich bei dem Material des Substrats und des Mikrochips um Materialien handelt, die unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzen, so daß die Verwendung von Füllmaterial für die mechanische Verbindung notwendig erscheint. Liegen die Temperaturausdehnungskoeffizienten beider Materialien jedoch sehr nah beieinander beziehungsweise sind gleich, kann gegebenenfalls auf das Füllmaterial verzichtet werden, so daß die elektrische Verbindung gleichzeitig auch die mechanische Verbindung für Substrat und Mikrochip bildet.
Figur 1 zeigt stark vereinfacht einen Mikrochip 1, der hier nicht dargestellte mikroelektronische und/oder mikromechanische Bauelemente beziehungsweise Strukturen umfassen kann. Von dem Mikrochip 1 ist in Figur 1 eine Seite 4 dargestellt, die elektrische Kontaktierflächen 2 aufweist. Die elektrischen Kontaktierflächen 2 dienen dazu, die elektrischen Anschlüsse der mikroelektronischen Schaltung beziehungsweise der mikromechanischen Struktur herauszuführen. Die elektrischen Kontaktierflächen 2 sind mit einem elektrisch leitenden Verbindungsmaterial 3 versehen, das ein Materialdepot bildet. Das Materialdepot beziehungsweise das elektrisch leitende Verbindungsmaterial 3 ist in bevorzugter Ausführung metallisches Lot, das auf den Kontaktierflächen 2 ein höckerförmiges Lotdepot bildet . Die freien Flächen der Seite 4 , die die Kontaktierstellen 2 aufweist, des Mikrochips 1 sind im wesentlichen vollständig mit einem Füllmaterial 5 versehen, welches für eine mechanische Verbindung mit einem in Figur 2 dargestellten Substrat 6 dient . Das Füllmaterial 5 ist ebenfalls tropfenförmig auf die Seite 4 aufgebracht, wobei vorgesehen sein kann, daß mehrere Tropfen ineinandergelaufen sind oder sich zumindest bereichsweise überdecken. Die Anordnung des Füllmaterials 5 und der elektrischen Kontaktierflächen 2 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel nach Figur 1 viereckig, insbesondere quadratisch, gewählt. Selbstverständlich ist jede andere Anordnung denkbar, wenn die elektrischen Anschlüsse der mikroelektronischen Schaltung oder der mikromechanischen Struktur dies erfordern.
Der mit dem elektrisch leitenden Verbindungsmaterial 3 und dem Füllmaterial 5 versehene Mikrochip wird für die Verbindung mit dem Substrat 6 zur Herstellung einer sogenannten Flip-Chip-Verbindung kopfüber auf das Substrat 6 lagerichtig derart aufgelegt, daß die elektrischen Kontaktierflächen 2 mit ihrem elektrisch leitenden Verbindungsmaterial 3 positionsgenau, also lagerichtig, auf an dem Substrat 6 vorliegenden Gegenkontaktierflachen 8 aufliegen. Danach wird das aus Mikrochip 1 und Substrat 6 gebildete Paket 7 einem an sich bekannten Reflow-Prozeß zugeführt, bei dem insbesondere das elektrisch leitende Verbindungsmaterial 3 und das Füllmaterial 5 über die Temperaturgrenze erwärmt werden, ab der sie flüssig werden. Anschließendes Abkühlen des Pakets 7 führt dazu, daß das elektrisch leitende Verbindungsmaterial 3 und das Füll- material 5 erstarren, so daß einerseits elektrisch leitende Verbindungen zwischen den elektrischen Kontaktierflächen 2 und den am Substrat 6 vorgesehenen Gegenkontaktierflachen 8 entstehen, und andererseits das Füllmaterial 5 mit der Oberfläche des Mikrochips 1 und des Substrats 6 eine mechanische Verbindung herstellt, so daß Mikrochip 1 und Substrat 6 mechanisch fest miteinander verbunden sind.
Für das Füllmaterial 5, also das mechanische Verbindungsmaterial, werden insbesondere Materialien verwendet, die eine adhäsive Wirkung an den angrenzenden Oberflächen des Substrats 6 und des Mikrochips 1 entfalten, wenn sich ihr Aggregatszust nd von flüssig nach fest ändert, also bei einem Abkühlen nach dem vorstehend erwähnten Reflow-Prozeß. Insbesondere werden hierfür Gläser verwendet, die vorzugsweise einen niedrigen Schmelzpunkt besitzen.
Selbstverständlich kann die vorstehend bestehende Flip-Chip-Verbindung auch dann hergestellt werden, wenn mehrere Mikrochips 1 auf einem sogenannten Wafer zusammengefaßt vorliegen. Es kann dann ein eine Seite des Wafers abdeckendes Substrat mittels dem elektrisch leitenden Verbindungsmaterial 3 und dem Füllmaterial 5 auf dem Wafer lagerichtig befestigt werden, wobei durch den anschließenden Reflow- Prozeß die einzelnen Verbindungen fertiggestellt werden. Durch einen anschließenden Trennvorgang werden dann die einzelnen Mikrochips mit ihrem zugehörigen Substrat voneinander getrennt .
Es kann natürlich auch vorgesehen sein, daß jedem auf dem Wafer vorliegenden Mikrochip ein einzelnes Substrat zugeordnet wird und auf dem Mikrochip 1 mittels der Flip-Chip-Verbindung befestigt werden kann.
Das elektrisch leitende Verbindungsmaterial 3 und das Füllmaterial 5 werden auf das Substrat 6 und/oder den Mikrochip 1 mit einem nach dem Tintendruckprinzip arbeitenden Druckkopf 9 aufgebracht, der in Figur 3 dargestellt ist . Der Druckkopf umfaßt eine Mediumkammer 10, in der das elektrisch leitende Verbindungsmaterial 3 oder das Füllmaterial 5 vorliegt. Werden beide Materialien mittels eines Druckkopfes 9 auf das Substrat 6 oder den Mikrochip 1 aufgebracht, weist der Druckkopf 9 vorzugsweise zumindest zwei Mediumkammern 10 auf, die voneinander getrennt sind, oder aber es werden zwei Druckkδpfe 9 verwendet .
Die Mediumkammer 10 weist eine Ausspritzöffnung 11 auf, aus der das Verbindungsmaterial 3 oder 5 auf die Oberfläche der Seite 4 des Mikrochips 1 und/oder des Substrats 6 ausgespritzt wird. Hierzu ist vorgesehen, daß eine eine Wandung der Mediumkammer bildende Membran 12 ausgelenkt wird, so daß das Verbindungsmaterial 3 oder 5 tropfenförmig aus der Ausspritzöffnung 11 heraustritt. Für die Auslenkung der Membran 12 weist der Druckkopf 9 einen Aktor 13 auf, der insbesondere als piezoelektrisches Element ausgebildet ist und für seine elektrische Ansteuerung zwei Kontaktierflächen aufweist, wobei lediglich die Kontaktierfläche 14 in Figur 3 ersichtlich ist. Durch die elektrische Ansteuerung des Aktors 13 ändert dieser seine Länge, so daß die Membran 12 entweder in Richtung zum Boden 16 der Mediumkammer bewegt oder vom Boden 16 entfernt wird, wobei die Membran 12 dabei gewölbt ausgelenkt wird. Werden heiße Verbindungsmaterialien 3 oder 5 aus der Mediumkammer 10 ausgespritzt, so weist der Aktor 13 ein Wärmesperrelement 17 auf, welches einen Wärmeübergangswiderstand zwischen Membran 12 und Aktor 13 bildet. Dadurch wird gewährleistet, daß die piezoelektrisch aktiven Teile des Aktors 13 unterhalb der piezoelektrischen Curie-Temperatur liegen, so daß gewährleistet ist, daß der Aktor 13 optimal arbeitet, also seine Längenänderung in Abhängigkeit der angelegten elektrischen Spannung konstant bleibt, wodurch aus der Ausspritzöffnung 11 konstante Tropfenvolumen ausbringbar sind.
Es ist ersichtlich, daß der Aktor 13 innerhalb eines Gehäuses 18 des Druckkopfes 9 gehalten ist, und zwar mit seinem Ende, welches die Kontaktflächen 14 aufweist .
Der Druckkopf 9 weist vorzugsweise eine Heizeinrichtung 19 auf, so daß das in der Mediumkammer 10 vorliegende Verbindungsmaterial 3 oder 5 auf entsprechender Temperatur gehalten werden kann, bei der es flüssig vorliegt. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, daß das Verbindungsmaterial bereits heiß und flüssig in die Mediumkammer 10 eingebracht wird, wodurch gegebenenfalls auf die Heizeinrichtung 19 verzichtet werden kann.
Je nach Ansteuerung des Aktors 13 können einzelne Tropfen oder aber innerhalb kurzer Zeit eine große Tropfenanzahl aus der Ausspritzöffnung 11 ausgebracht werden. Beispielsweise kann hierzu eine im- pulsartige elektrische Ansteuerung des Aktors 13 vorgesehen sein. Um eine optimale Betriebstemperatur für den Aktor 13 gewährleisten zu können, kann auch vorgesehen sein, daß durch eine Gehäuseöffnung 20 ein Kühlmedium in das Gehäuseinnere einbringbar ist, welches den Aktor 13 umströmt, so daß es an einer in der Nähe der Ausspritzöffnung 11 liegenden Gehäuseöffnung 21 wieder austritt.
In Figur 3 ist noch ersichtlich, daß an der der Mediumkammer 10 abgewandten Seite der Membran 12 Temperatursensoren 22 anordenbar sind, die die in der Mediumkammer 10 vorherrschende Temperatur der Verbindungsmaterialien detektieren, so daß gegebenenfalls die Heizeinrichtung 19 entsprechend angesteuert, das heißt ein- oder ausgeschaltet werden kann.
Werden mehrere Druckköpfe 9 verwendet, kann vorgesehen sein, daß die Ausspritzöffnungen 11 der Druckkδpfe 9 unterschiedlich große Öffnungsquerschnitte aufweisen, so daß unterschiedliche Trop- fengrδßen ausbringbar sind. Wird nur ein Druckkopf mit mehreren Mediumkammern 10 verwendet, können selbstverständlich die Ausspritzöffnungen unterschiedliche Querschnittsgrößen aufweisen.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Aufbringen von Verbindungsmaterialien für eine Verbindung zwischen einem Mikrochip und einem Substrat, wobei für die elektrische Verbindung ein elektrisch leitendes Material und für die mechanische Verbindung von Substrat und Mikrochip ein Füllmaterial auf den Mikrochip und/oder das Substrat aufgebracht werden, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrisch leitende Material (3) und/oder das Füllmaterial (5) mittels zumindest eines nach dem Tintendruckprinzip arbeitenden Druckkopfes (9) nacheinander oder gleichzeitig auf das Substrat (6) und/oder den Mikrochip (1) aufgespritzt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die flüssigen Verbindungsmaterialien (3,5) tropfenförmig aus dem Druckkopf (9) ausgespritzt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß flüssige Hilfsstoffe, beispielsweise Lotflußmittel, für die Verbindung mit dem Druckkopf (9) auf das Substrat (6) und/oder den Mikrochip (1) mit aufgespritzt werden.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Druckköpfe (9) für das Ausspritzen der Verbindungs- materialien (3,5) verwendet werden.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als elektrisch leitendes Verbindungsmaterial (3) metallisches Lot und als Füllmaterial (5) ein Glas verwendet wird, wobei das metallische Lot und Glas heiß und flüssig zum Ausspritzen vorliegen.
6. Verfahren zum Herstellen einer elektrischen und mechanischen Verbindung zwischen einem Mikrochip und einem Substrat, mit folgenden Schritten:
Aufbringen von elektrisch leitendem Verbindungs- material (3) und eine mechanische Verbindung ermöglichendem Verbindungsmaterial (5) auf den Mikrochip (1) und/oder das Substrat (6) mittels eines nach dem Tintendruckprinzip arbeitenden Druckkopfes (9) ,
lagerichtiges Aufeinanderlegen von Substrat (6) und Mikrochip (1) , wobei die elektrischen Kontaktierflächen (2) des Mikrochips (1) und die e- lektrischen Gegenkontaktierflachen (8) des Substrats (6) mit dem elektrisch leitenden Verbindungsmaterial (3,5) versehen sind, und die jeweiligen Kontaktierflächen (2) und Gegenkontaktierflachen (8) des Mikrochips (1) und des Substrats (6) einander zugewandt liegen, und
anschließendes Erwärmen des aufeinanderliegenden Pakets (7) aus Mikrochip (1) und Substrat (6) , so daß die elektrischen und mechanischen Verbindungsmaterialien (3,5) wieder flüssig werden.
7. Verfahren nach Anspruch 6 , dadurch gekennzeichnet, daß als elektrisch leitendes Verbindungsmaterial (3) ein metallisches Lot verwendet wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7 , dadurch gekennzeichnet, daß für die mechanische Verbindung Verbindungsmaterialien (5) verwendet werden, die eine adhasive Wirkung an den angrenzenden Oberflächen des Substrats (6) und des Mikrochips (1) entfalten, wenn sich ihr Aggregatszustand von flüssig nach fest ändert.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8 , dadurch gekennzeichnet, daß als Verbindungsmaterial (5) für die mechanische Verbindung Glas verwendet wird, das vorzugsweise einen niedrigen Schmelzpunkt besitzt .
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Mikrochips (1) in Form eines Wafers vorliegen, wobei jeder Mikrochip (1) mit einem Substrat (6) verbunden wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckkopf (9) mehrere, vorzugsweise mit unterschiedlich großem Querschnitt, Ausspritzöffnungen (11) aufweist, aus denen die Verbindungsmaterialien (3,5) auf das Substrat (6) und/oder den Mikrochip (1) gespritzt werden.
12. Verwendung eines nach dem Tintendruckprinzip arbeitenden Druckkopfes (9) , der zumindest eine Mediumkammer (10) mit einer auslenkbaren Membran (12) aufweist, die mittels eines Aktors (13) auslenkbar ist, wobei der Aktor (13) von der Membran (12) thermisch entkoppelt ist und wobei in der Medium- kammer (10) ein Verbindungsmaterial (3,5) in heißer flüssiger Phase vorliegt, das auf ein Substrat (6) und/oder einen Mikrochip (1) aufgebracht wird.
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