Doppelter Durchsatz durch Parallelarbeit Joachim Pajonk, Datacon, Radfeld (Österreich)

Die entscheidenden Leistungsmerkmale der Flip-Chip (FC)-Technologien sorgen hier für günstige Hochfrequenzeigenschaften der Wireless Components. Außerdem erfordern steigende Taktfrequenzen ein effizientes thermisches Management, wie es die FC-Technologie bieten kann. Die Kosten schließlich lassen sich in erster Linie durch verkleinerte Chips und dann durch billigere Substrate und verringerte Substratfläche der Flip-Chip-Montage reduzieren. Formfaktor, Performance und Kosten sprechen für eine FC-Assemblierung, der damit ein überproportionales Wachstum von etwa 27% pro Jahr prognostiziert wird.

Bei den verwendeten Bump-Technologien hat in den letzten Jahren ein deutlicher Wandel stattgefunden. Während im Jahre 2000 die elektroplattierten Gold-Bumps vorne lagen, gefolgt von Solder Bumps und C4-Bumps (IBM Technologie), hat sich jetzt das Spitzenfeld neu formiert: Derzeit werden ca. 70% der FC-Assemblierungen in Solder-Bump-Technologie ausgeführt, die jährlich um 25% wachsen dürften. Für die neu aufkommenden Klebstofftechnologien (Gold Bumps) dagegen wird eine jährliche Steigerung um 10% erwartet.

Während diese High-End-Anwendungen als Schrittmacher der FC-Technologie gelten, wird in Zukunft das weitaus größere Marktvolumen im Mid-Range- und Low-End-Bereich erwartet: Ihr gemeinsamer Anteil dürfte den Umsatz der High-End-Bauteile bald um das 8fache übertreffen.

Zum Mid Range mit 75 bis 700 Pins gehören:

die bisher vorwiegend in Chip- and Wire-Technologie ausgeführt wurden. Aus Performance Gründen wird in diesem Bereich vermehrt auf die Flip-Chip-Technologie gesetzt.

Entscheidende Forderung im Low-End-Bereich mit 2 bis 75 Pins ist dagegen der Formfaktor für

Daher werden diese Bauteile zum Teil bereits in Flip-Chip-Technik, aber auch noch drahtgebondet, ausgeführt.

Bisher verhinderten der hohe Preis der Substrate sowie die aufwändige und kostenintensive Underfiller-Technologie eine stärkere Marktdurchdringung der FC-Technologie im Mid-Range- und Low-End-Bereich. Doch dies wird sich ändern.

Als zukunftsträchtiges Verfahren der Verbindungstechnik gilt die Klebstofftechnologie, bei der die Chips durch Klebstoffpaste oder Klebstofffilm mit dem Substrat verbunden werden. Anwendung von Druck und Wärme stellt die elektrische Verbindung her, und härtet den Klebstoff dauerhaft und formstabil aus. Die wesentlichen Vorteile der Klebstofftechnologie, wie niedrige Prozesstemperaturen und vollflächige mechanische Verbindung, werden für ein jährliches Wachstum von etwa 10% bis zum Jahre 2007 sorgen.

Zum Aushärten der Bauteile genügen mit ca. 150ºC wesentlich geringere Temperaturen als beim Löten, dessen Prozesstemperaturen beim Übergang vom eutektischen zum bleifreien Löten auch noch ansteigen. Für die Klebstoffmontage lassen sich damit vor allem kostengünstigere Substratmaterialien verwenden. Durch die vollflächige Benetzung mit Klebstoff entfällt auch der Underfiller, denn der Klebstoff übernimmt dessen Funktion gleich mit, und fixiert zusätzlich das Chip auf dem Substrat.

Als Montagewerkstoffe bieten sich anisotrop leitende Klebstoffe ACA (Anisotropic Conductive Adhesive), in Pastenform ACP (Anisitropic Conductive Paste) oder als Folie ACF (Anisotropic Conductive Film) sowie nichtleitende Klebstoffe NCA (Non Conductive Adhesive) an. Der isotrop leitende Klebstoff ICA (Isotropic Conductive Adhesive) kommt hier nicht in Frage, da er nicht vollflächig aufgetragen wird, und damit einen Underfiller benötigt, was den Kostenvorteil verringert.

Als relativ neue Montagetechnik ist das Chip-Kleben Gegenstand intensiver Entwicklungsarbeiten von Material- und Equipmentherstellern zur Steigerung der Zuverlässigkeit, wirtschaftlicher Fertigung von Großserien, sowie Schaffung neuer Klebstoffe und Verarbeitungsverfahren. So lässt sich der Durchsatz in der Fertigung durch paralleles Aushärten während des Bondvorgangs steigern: Dazu wird dem Bonder eine Aushärte-Station nachgeschaltet, deren Kapazität auf die Bonderleistung und die Dauer des Aushärtens abgestimmt ist. Besonders kontinuierlich arbeitende Reel-to-Reel-Anwendungen profitieren von den wirtschaftlichen Vorteilen dieser parallelen Fertigung. Neue Entwicklungen sollen Klebstoffe liefern, die auch bei einem Aushärtevorgang ohne Druck die notwendige Adhäsionskraft für eine zuverlässige Verbindung zwischen Die und Substrat aufbringen. Bei Equipmentlieferanten schließlich kommt der Trend auf, hohe Produktivität durch dedizierte Maschinenplattformen zur Flip-Chip-Montage sicherzustellen.

Als typisches Beispiel für eine hochvolumige Flip-Chip-Produktion soll hier das Chip-Card-Modul dienen, das früher drahtgebondet, und jetzt mittels Flip-Chip-Technologie produziert wird: Im Reel-to-Reel-Verfahren wird ein mit Gold Bumps bestücktes Die mit nichtleitendem Klebstoff (NCA) auf goldbeschichtete Substrat-Pads gebondet, und unter Druck und Temperatur ausgehärtet. Die Fertigung auf einer bestehenden Produktionslinie von Datacon liefert beispielsweise 7000 Bauteile pro Stunde. Mit der neu entwickelten, dedizierten Maschinenplattform zur Flip-Chip-Montage kann der Durchsatz leicht auf 8500 Bauteile pro Stunde und mehr gesteigert werden.

Insgesamt bieten die Solder-Bump- und Klebstofftechnologien dann einen deutlichen Kostenvorteil gegenüber den Drahtbond-Techniken: Dies bringt die Flip-Chip-Assemblierung im Mid-Range- und Low-End-Bereich in eine wettbewerbsfähige Position gegenüber der Montage in herkömmlicher Chip- and Wire-Technologie.

Um den zukünftigen Anforderungen des Flip-Chip-Marktes gerecht zu werden, sind neue Maschinenkonzepte gefragt, die vor allem auf Zuverlässigkeit sowie hochvolumiges und gleichzeitig hochgenaues Bonden ausgerichtet sind.

Ein tragfähiger Ansatz dazu besteht darin, die Einzelschritte des Bondens parallel auszuführen und praktisch mit einem Doppelbestücksystem in einer Maschine zu arbeiten. Dieses Konzept ist bei Datacon mit dem neuen Single Die Flip-Chip-Bonder 8800 FC realisiert worden. Für die Doppelbestückung stehen zwei Flip Module, zwei Gantries, bestückt mit je einem Bondkopf und Substratkamera sowie zwei Slide Fluxer und zwei Rückseitenkameras in einer Maschine zur Verfügung.

Damit ergibt sich für diesen dedizierten Flip-Chip-Bonder ein hochproduktiver Fertigungsablauf: Von einer Eject-Position nehmen die Tools zweier Flipeinheiten die Dies wechselweise von einem Wafer auf. Nach dem Flip-Vorgang wird das Die vom Pick&Place-Tool übernommen, im Slide Fluxer benetzt, danach relativ zum Tool von der Rückseitenkamera vermessen, und anschließend präzise auf das Substrat gebondet. Ein ausgeklügelter Kollisionsschutz „Anti Collision Arbiter“ sorgt dafür, dass jede Achse weiß, wo sich die andere befindet, und ihre Bewegung nach dieser Randbedingung steuert. Durch diese Doppelausrüstung ist ein praktisch paralleles Bestücken auf der Maschine möglich, was zu einem entsprechend hohen Durchsatz von bis zu 10.000 Einheiten pro Stunde (dry cycle) führt. Dies bedeutet eine Verdopplung des Durchsatzes bei gleichbleibenden, sicheren Prozesszeiten und hoher Genauigkeit von 10 µm bei 3 Sigma.

Im Maschinenkonzept sind moderne Verfahren, wie etwa die Chip-to-Wafer-Montage berücksichtigt, der in Zukunft hohe Wachstumsraten prognostiziert werden: Hierbei erfolgt eine Face-to-Face-Assemblierung von den vereinzelten Top-Chips auf den Bottom-Wafer, der auf einem Chuck in der Maschine fixiert ist. Dieser Chuck für die Chip-to-Wafer-Montage lässt sich leicht in die neue Maschine integrieren.

Sollten etwa kommende Flip-Chip-Prozesse ein beheiztes Bondtool erfordern, dann ist dies bereits im Maschinenkonzept berücksichtigt, und in der Entwicklungs-Roadmap verankert.

Als weiterer Vorteil dieses vielseitigen Plattformkonzeptes gilt die Integrationsmöglichkeit eines Dispensers an der Maschineneingangsseite, der unabhängig von den Bestückköpfen und damit parallel zum Bonden dispensen kann. Für die zukünftigen hochvolumigen Flip-Chip-Montageaufgaben können ACP, NCP und Solder Paste dispensiert werden. Es ist ebenfalls vorgesehen, eine Baugruppe für das Spray Fluxing zu integrieren.

Der Übergang vom klassischen X/Y/Z Einfach-Achsensystem hin zu zwei Gantries ermöglicht einen sehr großen Arbeitsbereich von 8 Zoll (bzw. 12 Zoll für Chip-to-Wafer-Bestückung) x 13 Zoll. Mit diesem lassen sich sowohl 8 Zoll breite Einzelsubstrate, Carrier oder Endlosmaterial verarbeiten, als auch 12 Zoll Wafer für FC to Wafer-Applikationen bestücken. Dabei benötigt die Maschine nur eine Standfläche von 1,2 x 1,6 m², was teure Reinraumfläche spart.

Um auch weniger erfahrenen Bedienern die Arbeit zu erleichtern und eine hohe Zuverlässigkeit zu erzielen, ist die neue Plattform mit einer grafischen, einfach anwendbaren Bedienoberfläche ausgestattet. Mit dem integrierten, vollautomatischen Kalibrierungssystem erreichen auch unterschiedlich qualifizierte Bediener eine gleichbleibende Maschineneinstellung, und damit konsistente Bondqualität.

Die Solder-Bump-Technologie wird den High-End-Bereich der Flip-Chip-Montage weiterhin beherrschen. In den am stärksten wachsenden Mid-Range- und Low-End-Bereichen dagegen werden aus Kosten- und Performance-Gründen sowohl die Solder-Bump-Technologie als auch die Klebstofftechnologie vermehrt zum Einsatz kommen. Welcher der aktuell zur Verfügung stehenden Klebstoffprozesse sich letztlich durchsetzen wird, zeichnet sich derzeit noch nicht klar ab.

Für die Anwender bedeutet dies, dass ein standardmäßiger FC-Bonder alleine nicht mehr ausreichen dürfte, um bewährte und kommende Flip-Chip-Montageaufgaben gleichermaßen zu bewältigen: Es ist vielmehr ein vielseitiger FC-Bonder empfehlenswert, der sowohl in eine Solder Bump Flip Chip- als auch in eine auf Klebstofftechnologie basierende Produktionslinie integriert werden kann. Eine solche Produktionslinie kann die folgenden Module umfassen: FC-Bonder mit integriertem Dispenser und nachfolgendem Aushärte-, Inspektions- sowie Testmodul mit Schlechtteilmarkierung.

Mit dem neuen Flip-Chip-Bonder 8800 FC hat Datacon die ideale Plattform für die zukünftige, hochvolumige FC-Produktion für Lötprozesse, Klebstoffprozesse sowie Flip-Chip-to-Wafer-Bestückung entwickelt, die sowohl für das Bestücken von Einzelsubstraten, Carriern und Wafern als auch für hochproduktive Reel-to- Reel-Applikationen wirtschaftlich vorteilhaft eingesetzt werden kann.

EPP 442