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Wafer-Bumping ohne Strom

Anlagen und Dienstleistungen rund ums Bumping
Wafer-Bumping ohne Strom

Die 1995 als Spin-off des Fraunhofer IZM gegründete Firma Pac Tech hat sich auf voll- und halbautomatische Solder-Ball-Bumper sowie auf ein stromloses nasschemisches Nickel/Gold-Verfahren für die Underbump-Metallisierung von Wafern mit anschließendem Lotpastendruck spezialisiert. Das Verfahren zeichnet sich vor allem durch seinen hohen Durchsatz und die niedrigen Kosten aus. Der Ni/Au-Prozess wird den Kunden sowohl als In-House-Anlage als auch als Dienstleistung angeboten.

Die jetzige Pac Tech Geschäftsführerin Frau Dr. Elke Zakel hat das Unternehmen im September 1995 als Abteilungsleiterin der Abteilung Chip-Verbindungstechnik des Fraunhofer Instituts für Zuverlässigkeit und Mikrointegration zusammen mit weiteren Ingenieuren des Instituts gegründet. Während die Firma in den ersten zwei Jahren mit dem Institut noch relativ nahe zusammen gearbeitet hat, wurde 1997 offiziell die Trennung vollzogen, und Frau Zakel, die bis dahin immer noch am IZM tätig war, hat ihre Position als Abteilungsleiterin aufgegeben, um sich ganz der Geschäftsführung widmen zu können. 1996 wurde das Gebäude in Berlin-Wedding bezogen, wo heute noch der Gerätebau und die dazugehörige Software-Entwicklung angesiedelt sind.

1997 wurde ein Firmengelände in Nauen in Brandenburg gekauft, das komplett umgebaut werden musste. Im selben Jahr wurde dort mit dem Bau eines Reinraums begonnen, der Anfang 98 in Betrieb ging. Jetzt steht dort eine Anlage für den Ni/Au-Prozess, mit der die stromlose Underbump-Metallisierung inklusive Lotpastendruck als Dienstleistung angeboten wird.
In den letzten Jahren hat sich die Zahl der Beschäftigten nahezu jedes Jahr verdoppelt. Zur Zeit beschäftigt das nach ISO 9001 zertifizierte Unternehmen rund 50 Mitarbeiter, die sich gleichmäßig auf die beiden Standorte verteilen, eine weitere Vergrößerung der Belegschaft ist geplant.
Komplettlösungen
Die Firma wurde gegründet, um die Entwicklungen des Fraunhofer Instituts, besonders den stromlosen Ni/Au-Prozess, der in Zusammenarbeit mit der TU Berlin entwickelt wurde, in einen Produktionspro-zess zu führen. Kernpunkte der Entwicklungsarbeit waren die Prozesskontrolle und -stabilität. Inzwischen vergibt Pac Tech die Lizenz dazu und bietet auch das passende Equipment an. Vice President Thomas Oppert: „Wir können dem Kunden heute eine Komplettlösung anbie-ten, so dass er den Prozess in seiner Fertigung nutzen kann. Wir bieten den gesamten Prozess inklusive Anlage, Know-how, Training, Support und Chemikalien, die nicht in jedem Land zu bekommen sind. Das ist natürlich nur für Firmen vorge-sehen, die ihre eigenen Produkte damit fertigen wollen, nicht unbedingt für Un-ternehmen, die auch als Dienstleister auftreten. Das wäre eine zusätzliche Konkurrenz für uns.“ Die Anlage ist wahlweise für manuellen Betrieb oder mit automa-tischem Roboter-Handling-System erhältlich, eine Nachrüstung des manuellen Sys-tems ist möglich.
Der Ni/Au-Prozess besteht aus folgenden Basisschritten: Zuerst wird die Rückseite des Wafers durch einen Lack abgedeckt, damit das Nickel dort nicht aufwächst. Dann wird das Aluminium-Pad gereinigt und aktiviert. Anschließend geht der Wafer in das Nickelbad, wo das Nickel in Form einer Pilzstruktur gleichermaßen zur Seite wie zur Höhe aufwächst. Danach wird eine dünne Goldschicht aufgetragen, um Oxidation zu verhindern. Optional wird als letzter Schritt die Rückseiten-Lackierung wieder entfernt, wenn der Kunde das wünscht. Nachdem eigentlichen Ni/Au-Prozess wird dann per Schablonendruck Lotpaste auf die Metallisierung aufgebracht. Der Wafer geht dann anschließend in den Ofen zum Umschmelzen, wo die Paste sich zu Lotkugeln formt. Als letzter Schritt wird der Wafer gereinigt und optisch inspiziert. Für 8“-Wafer wird als weitere Option die Vereinzelung durch Sägen angeboten.
Schnell und kostengünstig
Vorteile des Prozesses sind die Kosten und die Geschwindigkeit. Da das nasschemische Ni/Au-Verfahren ein maskenloser Prozess ist und kein Sputtern erforder-lich ist, können die Kosten für das ent-sprechende Equipment einspart werden. Außerdem verwendet der Prozess handels-übliche Chemikalien, was sich ebenfalls positiv auf die Kosten auswirkt. Insgesamt machen die Prozesskosten für den stromlosen Ni/Au-Prozess nach Angaben von Pac Tech ungefähr die Hälfte eines reinen Elektroplating-Prozesses aus. Da gleichzeitig 25 8“-Wafer in einem bzw. 50 in zwei Carriern den Prozess durchlaufen können, ist ein Durchsatz von 300 Einheiten in der Stunde möglich. Wahlweise kann auch ein Carrier für zehn 12“-Wafer eingesetzt werden, was einen Durchsatz von 60 Stück/h ergibt.
Seit knapp einem Jahr bietet die Firma den stromlosen Ni/Au-Prozess auch auf Kupfer-Pads an. „Da vor allem in den USA die Zahl der Kunden zunimmt, die danach fra-gen, haben wir den Prozess dahin gehend weiterentwickelt“, erklärt Oppert. Außerdem spielt das Thema „Bleifrei“ auch hier eine Rolle. So wird daran gearbeitet, den Schablonendruck-Prozess neben eutektischSnPb auch mit bleifreien Lotlegierungen wie SnAg oder SnAgCu anzubieten. Oppert: „Es kommen immer mehr Kunden, die das verlangen, und wir haben das in einigen Fällen auch schon umgesetzt, so dass wir das schon anbieten können.“ Ein weiteres Angebot ist das Meniskus-Bumping, ein Prozess bei dem die Wafer in ein spezielles Bad getaucht werden, wo sie kei-ne richtige Lotkugel erhalten, sondern nur eine Kappe, die 20 bis 25 µm groß ist.
Ausbau der Kapazitäten
Aufgrund der steigenden Nachfrage will Pac Tech die Kapazitäten für die Wafer-Veredelung weiter ausbauen. Am Standort Nauen, an dem im Moment eine Pacline 25 mit einer Kapazität von 160 000 Wafern im Jahr in Betrieb ist, wird gerade ein zweiter Reinraum für eine weitere Linie mit höherem Durchsatz gebaut, so dass sich dort das Fertigungsvolumen mehr als verdoppeln wird. Eine weitere Anlage wird in den USA installiert, so dass zusammen mit der in Japan laufenden Linie Ende des Jahres ein Volumen von 345 000 Wafern pro Jahr erreicht wird. Vollbetrieb aller Linien ist für Ende 2002 geplant, die Kapazität soll bis dahin auf jährlich 920 000 Wafer ansteigen. Oppert ist mit der Entwicklung zufrieden: „Am Anfang lief es etwas zögernd an, besonders was die Firmen in Europa betrifft, inzwischen haben wir auch hier Kunden mit hohen Stückzahlen.“
Solder-Ball-Bumper
Neben der dem Bereich Wafer-Bumping hat Pac Tech noch ein weiteres Standbein: die Fertigung von Maschinen zum Platzieren und Umschmelzen von Lotkugeln (Solder-Ball-Bumper). Die Maschinen sind ebenfalls am Fraunhofer IZM entwickelt worden und gehörten von Beginn an zum Lieferprogramm der Firma.
Die Solder-Ball-Bumper sind für kleine Stückzahlen und Rework bei CSPs, BGAs und Flip-Chips konzipiert und sind in voll- und halbautomatischer Ausführung lieferbar. Bei der Verarbeitung werden die vorgefertigten Lotkugeln aus einem Magazin vereinzelt und über eine Kapillare unter Stickstoff platziert. Anschließend wird durch einen Laser-Strahl, der durch eine Glasfaser in der Kapillare läuft, die Lotkugel umgeschmolzen. Die Geräte können Lotkugeln zwischen 100 und 760 µm verarbeiten, ein Bondkopf für 80-µm-Kugeln ist in der Entwicklung. Ein Vorteil der Bumper ist, dass bei einem bereits mit SMT-Bauelementen bestückten Modul nachträglich noch Kugeln an der Peripherie eines Flip-Chips platziert werden können, ohne dass das Bauteil nachher noch in den Ofen muss, da die Kugeln bereits umgeschmolzen sind. Das ganze Modul erfährt nicht noch einen zusätzlichen Umschmelzschritt.
Der Verkauf der Geräte ist laut Oppert erst in den letzte zwei drei Jahren richtig los-gegangen: „In den ersten beiden Jahren haben wir vielleicht einen Bumper pro Jahr verkauft. Wir haben uns damals noch auf den Ni/Au-Prozess als Dienstleistung konzentriert. Wir mussten erstmal bekannt werden und uns einen Namen machen. Heute können wir drei Maschinen parallel bauen, so dass wir zehn Stück in einem Zeitraum von drei Monaten fertigen können.“ Die automatische Version hat zur Zeit einen Durchsatz von 3 Kugeln/s. Neben der Möglichkeit kleinere Kugeln zu platzieren, wird auch da-ran gearbeitet, die Geschwindigkeit der Geräte zu erhöhen.
Zwei weitere Systeme befinden sich im Prototypenstatus: Zum einen ein Laserscan-System das vorgefertigte Lotkugeln nicht einzeln sondern durch eine Art Schablone auf einmal platziert. Die Kugeln werden durch ein haftendes Flussmittel fixiert und anschließend mit einem Laser umgeschmolzen, wobei das nicht für jede Lotkugel einzeln geschieht, sondern im Scanverfahren, d.h. der Laser geht Reihe für Reihe des Wafers durch. Der Vorteil ist die höhere Geschwindigkeit. Zum andern befindet sich ein zweidimensional Inspektionssystem in der Entwicklung, das zur optischen Kontrolle der Lotkugeln nach dem Lotpastendruck und Schmelzen dienen soll.
Weltweite Ausrichtung
„Wir wollten von vornherein weltweit vertreten sein. Wir haben gesehen, dass es sowohl vom Arbeitsaufwand als auch von der Verständigung und den Mentalitätsunterschieden zwischen den einzelnen Ländern – gerade was Asien betrifft – etwas problematisch wird, wenn wir direkt vor Ort agieren. Deshalb haben uns entschlossen mit Vertriebsfirmen zu kooperieren“, erklärt Oppert die Vertriebsstrategie des Unternehmens. Ende 1998 wurde daher der erste Vertrag mit ei-ner japanischen Vertriebsfirma geschlossen, 1999 folgten Taiwan und Korea, im Juli letzten Jahres kam Singapur dazu. Im September 2000 wurde mit der ja-panischen Partnerfirma das Jointventu-re-Unternehmen Alpha Bumping Technologies gegründet, um auf dem japani-schen Markt die Underbump-Metallisierung als Dienstleistung direkt anbieten zu können.
Aus dem selben Grund wurde in den USA im Silicon Valley eine eigene Tochter-firma gegründet. „Da wir sehr viele Kun-den in den USA mit hohen Stückzah-len haben und es Zeit und Geld kostet, die Wafer nach Deutschland zu schicken, war es immer unser Plan, die Wafer vor Ort zu veredeln“, erläutert Oppert die Planungen. Deshalb wurde mit der Planung eines Reinraums für eine Ni/Au-Linie begonnen, die Ende die-ses Jahres bzw. Anfang nächsten Jah-res in Betrieb gehen soll. Oppert ist trotz der eingetrübten konjunkturellen Aussichten in der Elektronikbranche mit der Auftragslage zufrieden: „Was die Dienstleistungen angeht, haben wir bis jetzt nichts von einem Rückgang bemerkt, obwohl wir in den USA einen großen Kundenkreis haben.“ (Ke)
EPP 198
Wafer-Bumping für Flip-Chip-Montage
Die einzelnen Chips auf dem Wafer besitzen für die Kontaktierung Bondpads aus Aluminium. Wegen der ungünstigen Materialeigenschaften von Aluminium wie schlechter Korrosionsbeständigkeit, hohen elektrischen Kontaktwiderstandes durch die Oxidschicht und mangelhafter Benetzbarkeit beim Löten, müssen für Löt- und Klebeverbindungen Kontakthöcker (Bumps) aufgebracht werden. Das kann z.B. über das stromlose Ni/Au-Verfahren geschehen, wodurch Bumps aus Nickel mit einer feinen Goldschicht auf den Aluminium-Pads deponiert werden. Werden auf diesen Bumps anschließend Lothöcker aufgebracht, wird ihre Funktion als Underbump-Metallisierung (UBM) bezeichnet.
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