300-mm-Technik im Griff

Datacon, Radfeld, Österreich

Ein Abschwung in der Halbleiterindustrie ist der ideale Zeitpunkt, um die Einführung neuer Techniken in den Markt vorzubereiten. Denn bei jedem Abschwung müssen die Halbleiterhersteller auf die gesunkene Nachfrage reagieren: Sie fahren zunächst ihre Investitionen herunter und verlagern bestimmte Aufgaben an Sub-Unternehmen. Gleichzeitig müssen sie ihre Produkte schneller als sonst in den Markt einführen. Dies beeinflusst die gesamte Wertschöpfungskette bis in den Backend-Bereich. Selbständige, flexible Zulieferer gewinnen damit schnell Marktanteile. Die Vorteile liegen auf der Hand: Reduzierung des Kapitalrisikos und der Gesamtkosten, außerdem bietet sich den Herstellern integrierter Schaltungen damit die Chance, ihre Aktivitäten wieder mehr auf ihre Kernkompetenzen zu konzentrieren. Auf diese Art und Weise sparen sie Geld und fördern ihre Kernkompetenz, die Produktentwicklung. Mitte der achtziger Jahre galt dies beispielsweise für das Verlagern „alter“ Packaging-Techniken vornehmlich an Zulieferer im fernöstlichen Raum.

Heute stellt sich ein ähnliches Bild dar: Halbleiteranbieter und Unternehmen ohne eigene Fertigungsstätten verlassen sich auf Dienstleister für die Montage, das Packaging und den Test von Area-Array-Packages in gleicher Weise, wie sie Dienste für ihre Frontend-Verarbeitung in Anspruch nehmen. Dabei besteht der Trend, die jeweils neueste Gehäusetechnik an Zulieferer auszulagern, während die bestehenden im Hause behalten werden. Dies gibt den Unternehmen die Möglichkeit, neue Designs zu entwickeln, die dann zum kommenden Aufschwung marktreif sind.

Am Ende werden die fortschrittlichen Sub-Unternehmer die Gewinner sein. Dies gilt insbesondere für Testhäuser. Es wird erwartet, dass innerhalb der nächsten zwei Jahre der Anteil des Outsourcings für Packaging und Assembly auf ein Drittel des Gesamtmarkts steigen wird. Marktbeobachter sehen für diesen Industriezweig im Jahre 2001 keinen Abschwung, allenfalls ein Abflachen der Erträge. Das hat aber seinen Preis: Assembly-Subcontructor müssen nämlich in der Lage sein, eine breite Gehäusevielfalt, wie CSPs (Chip-Scale-Packaging) und Mikro-BGAs (Ball-Grid-Arrays) auch mit Flip-Chip-Montage anzubieten. Dies ist eine große Herausforderung, denn heutzutage sind in der Industrie fast 1000 Gehäusetypen bekannt, das Bereitstellen einer entsprechenden Anzahl dieser Packages ist daher keine leichte Aufgabe.

Flexibilität entwickelt sich zum Schlüssel für den Erfolg der Assembly-Industrie. Dabei sind Area-Array-Packages die bevorzugte Technik, denn sie bieten viele Möglichkeiten kundenspezifischer Gehäuselösungen entsprechend den Anforderungen der IC-Roadmap. Entwickler von integrierten Bauelementen sind damit nicht länger an vorgegebene Standardgehäuse gebunden, sondern können ihrer Kreativität freien Lauf lassen. Ein Beispiel dafür sind die Möglichkeiten, die die Flip-Chip-Technik bietet: Damit lassen sich nämlich die eng stehenden I/O-Pads am Rande des ICs auf ein gröberes Anschlussraster über die gesamte Fläche des Gehäuses verteilen. Dies bedeutet insbesondere, dass sich für verschiedene Chips standardisierte I/O-Anordnungen nutzen lassen, was die Anforderungen an die Typen-Vielfalt und die Technik der Leiterplatten entschärft. Auf der anderen Seite stellt dies erhebliche Anforderungen an die Gerätehersteller: Assembly-Subcontructor benötigen für ihre breite Vielfalt an Gehäusetechniken, vor allem für kundenspezifische Versionen, eine sehr flexible Fertigungsausrüstung mit hohem Durchsatz.

Um das Risiko langfristig zu verringern, müssen Assembly-Subcontractor in flexibles Equipment investieren. Die Art und Weise, in der Chips verarbeitet werden, hängt nämlich stark von den sich ständig ändernden Marktanforderungen ab. Zu den treibenden Kräften gehören hier immer kleinere Gehäuse, steigende Leistungsanforderungen und sinkende Herstellungskosten. Dies bedeutet, dass Kosten und Durchsatz der Geräte als wichtige Vorgaben für die Entwicklung neuer Tools gelten. Darüber hinaus gewinnt das Wafer-Level-Packaging ständig an Beliebtheit. Hier stellt sich die Frage: Geht die Wafer-Verarbeitung zum Assembly-Subcontructor? Oder wandert das Packaging in die Wafer-Fertigung? In jedem Fall verflechten sich diese beiden Bereiche der Halbleiter-Wertschöpfungskette immer mehr und werden die Industrie im Lauf der Zeit maßgeblich prägen.

Ein weiteres Beispiel für steigenden Flexibilitätsbedarf stellt der wachsende Anteil der MCM (Multi-Chip-Module) dar, von denen erwartet wird, dass sie innerhalb der nächsten fünf Jahre in 10% aller Packages zu finden sind. Mit MCMs lassen sich wesentlich höhere Integrationsdichten erreichen, sie erfordern dafür aber auch besondere Sorgfalt beim Handling der Chips, um die hohen Qualitätsansprüche erfüllen zu können. Verschiedene Chips des gleichen Multichip-Moduls können nämlich unterschiedliche Platzierungs- und Montage-Techniken erfordern. Andererseits können es sich die Subcontractor heutzutage nicht leisten, für jedes neu auf den Markt kommende Gehäuse neues Equipment zur Chipmontage zu kaufen. Dies bedeutet vor allem, dass die Montage – Tools natürlich die unterschiedlichen Montage-Anforderungen für die herkömmlichen Gehäuse beherrschen müssen, zusätzlich aber auch auf neue Gehäuseformen, einschließlich MCMs, vorbereitet sein müssen.

Das ist auch der Grund, warum Equipmenthersteller flexible Bonding-Maschinen beispielsweise mit integriertrem Dispenser, Flip-Chip- und Dipping-Einheit entwickeln. Das Equipment für das Packaging muss multifunktional sein und in steigendem Maße genauer arbeiten. Dabei sollten sowohl normaler Die-Attach als auch Flip-Chip-Verbindungen, jedes mit seinen besonderen Anforderungen und entsprechendem Tool-Design, möglich sein. Deshalb werden verstärkt multichipfähige Die-Bonder auf den Markt kommen. Da die Vielfalt moderner Gehäuse und neuer Assemblierungs-Techniken in den nächsten Jahren sicher weiter steigen werden, dürften sich die Assembly-Auftragsfertiger für denjenigen Geräteanbieter entscheiden, der innovative und flexible Gesamtsysteme liefern kann.

Bei den vielfältigen Anforderungen an Advanced-Packages werden immer mehr Assembly-Linien ein großes Maß an Modularität aufweisen müssen. In vollständigen Assembly-Systemen lassen sich verschiedene Module in logischer Folge derart anordnen, dass sich entweder der Durchsatz vervielfacht oder verschiedene Aufgaben parallel ablaufen. Darüber hinaus sollte die Bedienung derartiger Geräteeinheiten während des Betriebs durch nur eine Person möglich sein. Im Idealfall ist bei einer Änderung der Anforderungen eines oder mehrerer der Module problemlos und in minimaler Stillstandzeit der Maschine zu modifizieren oder aufzurüsten. Auf lange Sicht bietet dies entscheidende Kostenvorteile, denn teure Zukäufe, kostenintensive Unterbrechungen der Produktion, aufwändige Produkt-Evaluierungen und die Ausbildung des Personals für neues Equipment sind dann kein Thema mehr.

Aber Modularität alleine reicht nicht aus. Mit der fortschreitenden Miniaturisierung der Chips, und damit auch der Gehäuse, entwickeln sich Präzisionsvorgaben zu einer echten Herausforderung. Dies gilt speziell für die Platzierung von Chips, ist besonders kritisch für kleine Chips und erfordert neue – optische – Inspektionssysteme. Jede Orientierungskorrektur, die durch das Platzierungstool ausgeführt wird, sollte unter Verwendung des Vision- und des Pattern-Recognition-Systems vorzugsweise in ein und dem selben Modul geschehen. Dies kann sich aber erheblich auf den Durchsatz auswirken.

Ein weiterer Trend, auf den sich die Industrie derzeit einstellt, ist der Übergang zu 12-Zoll-/300-mm-Wafern. Während im Jahre 1999 von einer Nachfrage nach dieser Wafer-Größe praktisch nichts zu spüren war, erwarten Marktbeobachter heute (nach Gartner-Dataquest), dass deren Anteil im Jahre 2005 auf 17 % steigen wird. Naturgemäß beeinflusst dies die gesamte Wertschöpfungskette der Halbleiterfertigung. Kurzfristig wird der Übergang auf 300-mm-Wafer als kostspielig erscheinen. Das Hauptaugenmerk muss aber in der langfristigen Perspektive liegen, die Kapazitätsanforderungen der Zukunft kosteneffizient erfüllen zu können. Herausforderungen stellen sich dabei in zweifacher Hinsicht: Integration neuer, wenig erprobter Ausrüstungen und Prozesse in Fertigungslinien als technische Kernpunkte aber auch unternehmerische Entscheidungen. Investitionen in neue Ausrüstungen werden auch technische Weichenstellungen einschließen, die der erfolgversprechenden Geschäftsstrategie folgen sollten. Da sich die Kapitalaufwändungen für das gesamte 300-mm-Wafer- verarbeitende Equipment zum doppelten Betrag der 200-mm-Versionen aufsummieren können und viele Geräte für das große Format noch nicht die volle Produktionsreife erreicht haben, sollten die Equipment-Hersteller eng in die Planung und Einrichtung neuer Produktionslinien für 300-mm-Wafer eingebunden werden.

Das gleiche gilt auch für den Assembly-Bereich. Ein Übergang auf 300-mm-Wafer betrifft auch den Assembly-Subcontructor und seine Equipmentlieferanten in starkem Maße. So müssen die Maschinen für Packaging und Assembly das große Format handhaben können, wie etwa die neue Die-Bonder-Generation 2200apm+ von Datacon. Sie basiert auf der Modularität und Flexibilität ihrer Vorgänger und basiert auf einem modularen Plattformkonzept, das größtmögliche Flexibilität und Zuverlässigkeit für die Zukunft sicherstellt: Wenn sich die Marktanforderungen ändern, muss nicht jedes Mal neues Equipment beschafft werden. Typisch für diese Flexibilität sind eine umfangreiche Multichip-Fähigkeit durch automatischen Wafer- und Tool-Wechsel, ein automatisches Multichip-Ausstechsystem sowie Die-Attach- und Flip-Chip-Möglichkeiten in einem Modul.

Der Übergang zu 300 mm großen Wafern wird einen tiefgreifenden Einfluss auf die Halbleiterindustrie haben. Ihre Einführung hat bereits begonnen, wobei sich andere Wafer-Größen noch einige Zeit halten werden. Gleichzeitig verlangen immer mehr Unternehmen das Packaging ihrer Chips in Area-Array-Packages mit verschiedenen Bond-Techniken, wie Die-Attach und Wire-Bonding sowie Flip-Chip-Montage. Die dafür notwendigen Ausrüstungen für Assembly-Linien sollten schnell und zuverlässig arbeiten, eine Vielfalt aktueller Techniken abdecken, leicht an verschiedene Standards und Assembly-Techniken anpassbar und letztlich kostengünstig zu betreiben sein.