Flussmittel sind flüssige Stoffe, die Oxide von Metalloberflächen entfernen und flüssig geschmolzenes Lot erlauben, eine starke Verbindung mit der entsprechenden Metalloberfläche einzugehen. Flussmittel werden seit vielen Jahrzehnten in einer breiten Palette von Montage- und Nacharbeitsverfahren der Elektronikindustrie verwendet, und umfassend in vielen Bereichen der Montage und Systemintegration von Halbleitern eingesetzt.
Andy C. Mackie, PhD, Indium Corporation, Milton Keynes (UK)
Bei vielen dieser Anwendungen geht die gewünschte Funktionalität des Flussmittels über die einfache Oxid-Entfernung hinaus. Beispielsweise können bestimmte rheologische und einzigartige Lötbarkeitseigenschaften vor und während der Verarbeitung erforderlich sein. Diese Eigenschaften schließen folgende Fähigkeiten ein: Komponenten oder Lotkugeln vor und nach dem Fließlötverfahren in ihrer Position zu halten; eine Schicht mit der gewünschte Dicke auf Oberflächen zu bilden und aufrechtzuerhalten, wie zum Beispiel eine Waferoberfläche oder einen Copper-Pillar-Bump; die Lötstellenbildung auf einen spezifischen Bereich einzuschränken.
Ebenfalls wichtig sind die Gesichtspunkte hinsichtlich der Zuverlässigkeit der No-clean-Flussmittel (NC) nach dem Reflowlöten, die in der Tabelle auf Seite xx aufgeführt sind. Hierbei sollte niemals vergessen werden, dass es so etwas wie ein „No-clean-Flussmittel“ gar nicht gibt. Es gibt lediglich Flussmittel, die zur Verwendung als Teil eines gut kontrollierten No-clean-Verfahrens geeignet sind, das die Festlegung eines Montageprozessfensters, die Kontrolle der Materialmengen, ein Reflow-Lötverfahren (Erhitzen/Schmelzen) und (gegebenenfalls) die Reinigung erfordert. Jedes Flussmittel oder ähnliches Material kann bei falscher Verarbeitung eine schlechte elektrische Zuverlässigkeit (einen niedrigen elektrischen Widerstand) und/oder die Bildung metallischer Dendriten zwischen angrenzenden Leitern fördern. Diese elektrischen Eigenschaften werden nach standardisierten Prüfverfahren charakterisiert, beispielsweise das SIR-Verfahren (Oberflächenisolationswiderstand) und das ECM-Verfahren (elektrochemische Migration).
Lücken in den bestehenden Flussmittel-Prüfnormen
Eines der Hauptprobleme für Lieferanten und Nutzer von Flussmittelklassen für Halbleiter besteht darin, dass die überwiegende Mehrzahl der Flussmittelprüfverfahren auf der ursprünglichen Verwendung derselben für relativ große, einfache Anwendungen beruht.
Die in vielen Materialspezifikationen angegebenen Prüfverfahren und Spezifikationen beruhen normalerweise auf der IPC[1]-Norm J-STD-004 (inzwischen in der Überarbeitung B). Bitte beachten Sie, dass diese Norm einen begrenzten Zweck besitzt, der deren Anwendung auf Flussmittel der Halbleiterklasse einschränkt: „Der Zweck dieser Norm besteht in der Klassifi- zierung … von Flussmitteln … zur Verwendung bei … Verschaltungen zur Leiterplatten-Bestückung.“ Die Tabelle verwendet das Beispiel der Überarbeitung J-STD-004B und analysiert die Relevanz dieser Prüfung hinsichtlich der Leistung eines Flip-Chip-Flussmittels der Halbleiterklasse.
SIR- und ECM-Bedenken
Die Zuverlässigkeit von Flip-Chip-Geräten ist zunehmend komplexer. Die elektrische Zuverlässigkeit ist nur ein Beispiel der Einschränkungen der IPC-Normen. Löt-Bumps und Copper-Pillar-Pitches (die Mittenabstände der Verschaltungen) werden immer kleiner, sodass die Feldstärke (Spannung/Abstand) zwischen den Verschaltungen ansteigt. Dies führt zu Bedenken hinsichtlich der Anwendbarkeit der elektrischen Zuverlässigkeitsprüfungen der IPC-Norm, darunter die der SIR-[2] und ECM-[3] Prüfungen.
Bei Reduzierung des Abstands (d) ist ein Punkt vorhanden, bei dem die Feldstärke größer als die beim SIR-/ECM-Verfahren verwendete Feldstärke ist, wie der Tabelle auf Seite xx zu entnehmen ist. Diese Prüfverfahren haben das Ende ihrer Nützlichkeit für Fine-Pitch-Flip-Chip-Geräte erreicht.
No-clean-Flussmittel bei Flip-Chip-Verfahren
Die Reinigungsfähigkeit (die Fähigkeit eines Lösungsmittels, Flussmittelrückstände unter Flip-Chip-Dies aufzulösen und zu entfernen) ist bei geringeren Pitches zunehmend schwieriger. Dies wird bei Verwendung größerer Dies, geringerer Spielräume (Die-Substrat-Abstände) und nahegelegenen passiven Komponenten auf dem Substrat noch verstärkt.
Ein im letzten Jahr neu aufgetretenes Problem ist die steigende Zerbrechlichkeit von Fine-Pitch-Flip-Chip-Baugruppen [4]. Dies ist auf die kombinierten Auswirkungen geringer Wärmedehnungskoeffizienten (CTE), dünner, farbloser Substrate (reduzierte Lagenanzahl) und dünner Dies (bis zu 50 Mikron für Logikbauelemente und weniger als 20 Mikron für viele Speicherbausteine) zurückzuführen. Obwohl Vorrichtungen verwendet werden, um die Substrate straff und flach zu halten, verursacht der zur Reinigung unter Dies mit geringen Abständen eingesetzte Düsendruck eine Verwerfung des Substrats. Selbst das anschließende Trockenverfahren kann zu einer Biegung führen. In beiden Fällen ist der Ertragsverlust aufgrund der Beschädigung der kleinen Lötverbindungen ein immer größer werdendes Problem, während die Geräte-Pitches nur noch 100 Mikron oder weniger betragen.
Für diese Geräte verwenden Kunden in China und Taiwan inzwischen rückstandsarme oder besonders rückstandsarme No-clean-Flip-Chip-Flussmittel, beispielsweise NC-826, NC-26A und NC-699. Die nach dem Fließlötverfahren verbleibenden Flussmittelrückstände müssen jedoch nachweislich elektrisch zuverlässig und sowohl mit kapillaren als auch geformten Unterfüllungen (CUF/MUF) mechanisch kompatibel sein.
Schlussfolgerung
Die Standardprüfverfahren der Industrie für Flussmittelklassen für Halbleiter werden inzwischen weit über ihre ursprünglichen Zwecke hinaus eingesetzt. Die Verwendung rückstandsarmer No-clean-Flip-Chip-Flussmittel zwingt die Industrie dazu, sich damit zu befassen, wie die Leistung dieser Materialien der Halbleiterklasse zuverlässig quantifiziert und geprüft werden kann, insbesondere an der Schwelle zur 3D-Montage in großen Stückzahlen.
Referenzen:
[1] IPC (Association Connecting Electronics Industries) http://www.ipc.org
[4] K. Lee, „Mobile platform packaging challenges“ iNEMI-Workshop, Nagoya, Japan 2009
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