Effiziente Prozesse für Waferlevel-Packaging

Mark Whitmore, DEK Printing Machines, Weymouth

Der Sektor Auftragsmontage im Wafer-Packaging wächst ziemlich rasch, wobei die Unternehmen natürlich enorm daran interessiert sind, Fertigungslösungen zu finden, mit denen sie den Herausforderungen dieser anspruchsvollen Technik in Bezug zu den hohen Produktionsvolumen und niedrigen Kosten der Konsumelektronik adäquat begegnen können.

Der Schablonen- und Siebdruck – auch Präzisions-Mass-Imaging genannt – ist ein überaus flexibel einsetzbarer Prozess, erlaubt er doch das simultane Aufbringen von sehr vielen einzelnen Pastendepots oder auch von Schutzüberzügen für Substrat-Oberflächen (mit Drucktuch). Die Geschwindigkeit dieser Druckvorgänge ist wichtig zum Erreichen der hohen Fertigungsdurchsätze, die von Packaging-Dienstleistern erwartet werden. Die hohe Flexibilität in der Verarbeitung einer großen Palette von unterschiedlichen Materialien in der Elektronikproduktion ist auch attraktiv unter dem Gesichtspunkt der Investitions- und Betriebskosten für das Equipment.

Die Mehrzahl der Wafer-Packaging-Spezialisten führt nun den Präzisionsdruck in der Liste ihrer wichtigsten Dienstleistungen auf (Bild 1). Zudem gibt es auf dem Markt ein großes Interesse daran, die Zahl und Möglichkeiten jener Fertigungsprozesse auszuweiten, die auf Basis einer ähnlichen Technik ausgeführt werden können. Beispielsweise lassen sich mit Druckmaschinen folgende Aufgaben übernehmen: Area-Arrays mit Lotkügelchen bestücken oder auch mit Lotpaste bedrucken, einen B-Stage-Epoxy-Klebstoff für Die-Attach oder auch Schutzüberzüge auf der Wafer-Rückseite vor dem Trennen in einzelne Chips (Dicing) aufbringen.

Der Schablonen- und Siebdruck kann als eine sehr ausgereifte Technik bezeichnet werden, natürlich auch in der komplexen Elektronikfertigung. Doch mit jeder der aufeinanderfolgenden Steigerungen der Auflösung in der Drucktechnik, nötig beispielsweise für die Montage der neuesten Finepitch-Komponenten, gewinnt man den Eindruck, dass der Schablonendruck immer näher an seine Limits getrieben wird. Allerdings entwickeln auch die Anbieter von Druckern fortlaufend neue Lösungen, um Ultra-Finepitch-Strukturen und Packaging-Applikationen wie Chip-Scale-Montage sicher zu beherrschen. Die grundsätzliche Technik von Druckmaschinen ist ja bekannt und auch zu hoher Reife entwickelt, damit bewegen sich die Investitions- und Betriebskosten in einem moderaten Bereich. Die weiteren technologischen Entwicklungen an den Schnittstellen zwischen der Schablone oder Drucksieb und der Maschine selbst wirken als wichtige Brücken am Übergang von der SMT-Baugruppen-Fertigung hin zum Wafer-Level-Packaging in der Halbleiterproduktion.

Die Genauigkeit und die Charakteristiken der Öffnungen (Aperture) einer Schablone oder eines Drucksiebs haben entscheidenden Einfluss auf die Eigenschaften und die Präzision in einem Druckprozess. Lasergeschnittene Metallschablonen dominieren heute in der Fertigung von SMT-Baugruppen. Doch die Technik muss nun auch mit den gestiegenen Anforderungen von Ultra-Finepitch-Druck sowie der extrem hohen Zahl von Öffnungen, wie sie bei Wafer-Bumping-Anwendungen verlangt werden, fertig werden. Das Ergebnis zeigt sich in den weiterentwickelten Electroform-Schablonen. Dieser Prozess der Schablonenfertigung vereint die Möglichkeit, hochpräzise Öffnungen mit bester Stabilität der Dimensionen in großer Stückzahl kostengünstig herzustellen. So sind bereits elektrogeformte Schablonen mit mehr als 2 Millionen Öffnungen für die heutigen 300 mm großen Wafer erfolgreich hergestellt worden.

Die weltweit verfügbare Fertigungskapazität für Electroform-Schablonen ist in den letzten Jahren ständig angehoben worden. Dabei haben das Halbleiter-Packaging und technologisch führende Hersteller von SMT-Baugruppen den Bedarf für diese Technik forciert. Die Verfügbarkeit von solchen hochpräzisen und exakt reproduzierbaren Produktionstechniken für hohe Fertigungsvolumen bei günstigen Kosten und kurzen Durchlaufzeiten ist für Packaging-Spezialisten wesentlich. Nur damit können diese erfolgreich und effizient ihre Druckprozesse in unterschiedliche Fertigungsabläufe innerhalb des Unternehmens implementieren.

Die Anwendung von Emulsions-Drucksieben kann in einigen Fertigungsprozessen sehr vorteilhaft sein, beispielsweise wenn B-Stage-Epoxy-Klebstoff zum Die-Attach auf dem Wafer aufzubringen ist oder wenn es gilt, die Wafer-Rückseite mit einem Film aus niedrigviskosem Epoxymaterial gegen Beschädigungen zu schützen. Die Eigenschaften der fein strukturierten Siebe, einschließlich der Filament- und Gewebeparameter, ermöglichen die gleichmäßige Verteilung von Epoxymaterial über große Oberflächen bei sehr geringen Dickenabweichungen.

Die erfolgreiche und effiziente Montage von Wafer-Level-Packages (WLP) ist entscheidend abhängig vom präzisen Bumping der Wafer. Weil in der Regel auf den Wafern eine große Zahl von Kontakthöckern (Bumps) für die vielen einzelnen WLPs aufzubringen sind, ist die Druckmethode vorteilhaft in puncto Durchsatz sowie niedrigere Investitions- und Materialkosten. Die direkte Zuführung von Lotkügelchen (Solder Balls) auf die Bond-Pads eines Wafers lässt sich beispielsweise mit einem üblichen Pastendrucker vornehmen, der mit einem speziellen Dispenskopf für solche kleinen Lotkugeln sowie einer Metallschablone mit dem exakten Abbild der Pads ausgerüstet ist.

Diese Dispens-Technik hat sich als äußerst erfolgreich bei Bumphöhen von 200 Mikron und höher erwiesen. Vor dem Platzieren der Lotkügelchen wird jedoch erst auf dem Pad ein Fluxer-Depot aufgebracht, dieser Schritt kann ebenfalls mit einem Drucker erfolgen. Zum Aufbringen des Flussmittels setzt man heute typischerweise Emulsionssiebe ein. Dockt man die beiden Druckerplattformen optimal aneinander (Bild 2) lassen sich Durchsatzzeit sowie die Verunreinigungen mit Flussmittel erheblich minimieren. Beim Design der Schablone für das Ball-Placement gilt es darauf zu achten, dass keine gegenseitigen Störungen mit dem Sieb für den Fluxerauftrag auftreten können.

Wafer für Flip-Chip-Applikationen werden heute typischerweise mit Rasterabständen (Pitch) von 250 Mikron gebumpt, wobei die Bumphöhe im Bereich zwischen 60 bis 120 Mikron liegt. Die traditionelle WLP-Bumpingmethode beruht auf aufwendigen galvanischen Prozessen. Ein alternatives Verfahren mit deutlich günstigeren Kosten ist der Einsatz von Druckern für das Aufbringen der feinstdosierten Lotdepots auf jedem einzelnen Bond-Pad. Die meisten Wafer-Packaging-Spezialisten verfügen mittlerweile über das dazu nötige Equipment. Wie erwähnt sind für den alternativen Prozess nur die marktüblichen Pastendrucker nötig. Dies reduziert im Gegensatz zu den platz- und kapitalintensiven Galvanisieranlagen das Investitionsvolumen und die Betriebskosten erheblich. Tatsächlich lässt sich die Mehrzahl der Drucker, geeignet für das Waferbumping, auch auf den Pastendruck oder zum Aufbringen der Lotkügelchen komplikationslos umkonfigurieren. Damit ist Anwendern möglich, die Druckerplattformen für sehr unterschiedliche Aufgaben einzusetzen und damit auch die Nutzungsbreite der Maschinen in der Fertigung deutlich zu vergrößern.

Allerdings werden die Raster und Durchmesser der Bumps mit jeder neuen Generation von Wafer-Level- und Flip-Chip-Gehäusen reduziert. So liegen heute die technologisch anspruchsvollsten Flip-Chips bei Pitch-Rastern unter 150 Mikron. Eine große Herausforderung für Spezialisten stellt jedoch auch die Tatsache dar, dass das Flussmittel zirka 50 % des Volumens der Lotpaste beträgt und dieses sich während des Reflow-Vorgangs aus dem Lotdepot verflüchtigt. Werden Area-Arrays mit größerem Rasterabstand gebumpt, lässt sich diese Minimierung des Depot-Volumens durch ein gezieltes Überdrucken (Overprint) der Bond-Pads kompensieren. Allerdings ist das bei Rastern von 200 Mikron und darunter ein sehr kritischer Vorgang.

Forschung und Entwicklung im Bereich der Bumpvorgänge unter 200-Mikron-Abständen zeigen, dass eine ganze Reihe von Parametern einen schwerwiegenden Einfluss haben: die Designregeln der Schablone, Pasten-Charakteristik sowie natürlich die zugrunde liegende mechanische Genauigkeit der Druckerplattform. High-Performance-Druckerplattformen für Prozesse auf Waferebene weisen heute eine Abweichung von nur noch ±12,5 Mikron bei einer Reproduzierbarkeit von 6-Sigma auf. Unter Laborbedingungen haben sich Bump-Print-Prozesse für ein Pitchmaß von 150 Mikron bereits erfolgreich durchführen lassen. Allerdings sind diese Verfahren noch nicht in robuste, fertigungsgeeignete Prozesse überführt worden. Die derzeitige Arbeit konzentriert sich auf die Verbreiterung der Prozessfenster für die hochvolumigen Fertigungen.

Bringen die Halbleiterhersteller in einem Zwischenschritt B-Stage-Epoxy direkt auf der Waferrückseite für Die-Attachment auf, können sie die soweit prozessierten Scheiben zur weiteren Bearbeitung an ihre Packaging-Dienstleister übergeben und so eine höhere Produktionseffizienz erreichen. Zudem ergeben sich mit diesem Film-Auftrag auch sehr niedrige Bauteil-Profile, denn die Dicke einer Lage aus B-Stage-Epoxy liegt typisch bei nur 20 bis 25 Mikron.

Die große Herausforderung für die Wafer-Packaging-Spezialisten, neben dem Erzielen solch geringer Schichtdicken, liegt darin, eine insgesamt geringe Dickenabweichung (TTV, Total Thickness Variation) von nur ±5 Mikron sicherzustellen, um gute Koplanarität zu erreichen. Bei größeren Abweichungen besteht das Risiko, dass der Die bricht, wenn er unter Wärmeeinwirkung und Druck – nötig zum Aushärten des B-Stage-Epoxymaterials – an das Substrat gebondet wird.

Der Druck mit feinmaschigen Sieben eignet sich hervorragend für den Auftrag von B-Stage-Epoxy. Weil dieses Material äußerst eingeschränkte Fließeigenschaften aufweist, ist es sehr schwierig mit Methoden wie Dispensing die Spezifikation der maximal erlaubten Abweichung der Schichtdicke einzuhalten. Verwendet man zum Druck einen geschlossenen Printhead, ist das Epoxymaterial nicht den üblichen atmosphärischen Bedingungen ausgesetzt – und somit werden seine guten Ausgangseigenschaften im Grunde bis zum Auftrag nicht beeinträchtigt.

Der Epoxyüberzug der Wafer-Rückseite schützt gegen Beschädigungen während der Auftrennung in einzelne Dies (Dicing), zudem entsteht damit eine gute Oberfläche für Markierungen (Bild 3). Die typisch nötigen Schichtdicken liegen zwischen 40 und 80 Mikron, wobei die maximale Abweichung immer innerhalb der Spezifikation liegen muss. Im Allgemeinen verwendet man dafür unterschiedliche Epoxymaterialien. Die Materialeigenschaften wie Viskosität sind dabei unterschiedlich, wobei die Anwender die Parameter mit jenen aus den anderen Prozessen in der Fertigung in Übereinstimmung bringen müssen. Das fließfähigere (viskose) Material erbringt in der Tendenz bei Auftrag mit einer Metallschablone die besseren Ergebnisse, während niedrigviskose Materialien besser mit Drucksieb verarbeitet werden.

Wafer in den Standardgrößen bis zu 300 mm lassen sich mit Epoxymaterial für Schutzüberzüge oder mit Die-Attach-Klebstoffen bedrucken, wobei dazu im automatischen Betrieb die Druckerplattform mit einem Wafer-Loader ausgerüstet wird (Bild 4). Solche Wafer-Loader, die für Schablonendruck-Applikationen verfügbar sind, sind auch kompatibel mit anderen Wafer-Handlingsystemen wie die JEDEC-Kassetten oder die FOUPs (Front Opening Universal Pallet).

Schablonen- und Siebdrucktechniken erlauben aufgrund ihrer kurzen Zykluszeiten hohe Fertigungsdurchsätze in der hochvolumigen Montage von Halbleiter-Packages auf Waferlevel. Die jüngsten Entwicklungen gehen dahin, eine noch größere Bandbreite von Materialien zu verarbeiten, darunter Lotkügelchen, B-Stage-Epoxy und solche Materialien, die den thermischen Übergangswiderstand zwischen Die und Substrat reduzieren. Dazu werden nur die üblichen präzisen Druckmaschinenplattformen und diverses Zubehör benötigt. Allerdings nehmen die Anforderungen der darauf spezialisierten Packaging-Häuser sowie der Halbleiterhersteller ständig zu, denn die Pitch-Raster sowie die Abmessungen der Bond-Pads und neuartigen Halbleiter-Gehäuse werden fortlaufend reduziert. Deswegen sind kontinuierliche Innovationen in der Schablonentechnik sowie bei den geschlossenen Druckköpfen und den damit verbundenen Prozesstechniken nötig, auch die Designregeln für Schablonen müssen hier angepasst werden. Diese Trends werden auf absehbare Zeit die Entwicklung im Wafer-Level-Packaging weiter bestimmen.

EPP 424