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Flip-Chip-Bestückung Marina Nikeschina, Assembléon, Eindhoven (Nl) und Hans Emmen, Philips CFT

Anwendung mit isotropem, leitfähigem Kleber
Flip-Chip-Bestückung Marina Nikeschina, Assembléon, Eindhoven (Nl) und Hans Emmen, Philips CFT

Isotroper, leitfähiger Kleber (ICA) wurde als Alternative zu herkömmlichen Zinn-/Blei-Loten entwickelt. ICA hat einen hohen Füllungsgehalt (ca. 80%) und eignet sich als Ersatz von Lotpaste für Elektronikverbindungen, die hohe Löttemperaturen nicht zulassen. Zu den Vorteilen von ICA zählen: niedrige Prozesstemperaturen, ohne Blei und Flussmittel, No-Clean sowie einfache Bearbeitung. Verglichen mit der Reflow-Löttechnik steckt diese Technik noch in den Kinderschuhen, besonders für Fine-Pitch-Anwendungen und hohe Bestückungsdichte.

Wird bei ICA-Anwendungen ein Schablonendruckprozess eingesetzt, können Komponenten mit einem Pitch von bis zu 0,25 mm gehandhabt werden. Die Erfahrung hat gezeigt, dass für diesen Prozess eine Bestückgenauigkeit von 75 µm für Bauteile mit einem Pitch von 0,5 mm und 50 µm für Fine-Pitch-Komponenten mit 0,5 mm bis 0,25 mm erforderlich ist. Die jüngste Entwicklung in der ICA-Technik hat jedoch bewiesen, dass die Verbindungsdichte weiter bis auf 80 µm verbessert werden kann. In diesem Fall werden die „Bumps” der Bauteile auf dem Fine-Pitch-Bestücksystem, das mit einer Kleber-Eintaucheinheit ausgerüstet ist, in ICA getaucht. Dieses Verfahren ist möglicherweise für das Bestücken von Flip-Chips von großem Interesse.

Wenn allerdings Komponenten in ICA platziert werden, wird der Kleber von der Bauteilunterseite verdrängt. Da dieser Kleber während des Aushärtens nicht zurückfließt, richten sich die Bauteile nicht wie beim Reflowlöten automatisch aus. Diese Tatsache führte zu einer Prüfung des Prozessfensters der Bestückparameter, wie zum Beispiel Bestückgenauigkeit und Bestückkraft für Flip-Chips in ICA. Flip-Chips wurden mit einem erhöhten Versatz platziert, und der Kontaktwiderstand unmittelbar nach dem Aushärten gemessen.
Materialien, Anlagen und Prozesse
Für die Versuche wurden die Bauteile auf einer Assembléon ACM Bestückmaschine aufgenommen, ausgerichtet, in leitfähigen Kleber (ICA) getaucht und bestückt. Flip-Chip Dies mit 4 x 14 Gold legierten „Bumps” mit einem Pitch von 300 µm und einem „Bump”-Durchmesser von 80 µm wurden in Amicon 3502 Kleber getaucht und auf einem einschichtigen FR4 Substrat mit einer Stärke von 1,6 mm und NiAu-Beschichtung platziert (Die Verbindungen zwischen den Bond-Kontaktflächen eines Flip-Chips ermöglichen eine Kettenmessung, die vier Positionen pro Flip-Chip eine Vierpunkt-Messung).
Die „Bumps” des Flip-Chip-Dies wurden in dem Fluxer der ACM 200 ms und mit einer Kraft von 0,5 N in eine zirka 50 µm starke ICA-Schicht getaucht. Die Bestückkraft betrug 1,5 N. Der Kleber wurde in einem Batch-Ofen bei 150°C 15 Minuten ausgehärtet.
Optimierung des Eintauchprozesses
Da bei der ACM keine Erfahrungswerte für den ICA-Tauchprozess vorlagen, wurde zunächst die Eintauchqualität untersucht. Die Komponente wurde in die ICA-Schicht getaucht, auf die Platine bestückt und dann entfernt. Die Prüfung ergab, dass die Kleberschicht an der Anschlussfläche der Leiterplatte nicht vorhanden oder nicht ausreichend war, was nach dem Härten zu keiner oder einer mangelhaften Lötverbindung führen würde. Die mit Gold legierten „Bumps” wurden nach dem Eintauchen ebenfalls geprüft: auch hier zeigte sich, dass die vorhandene ICA-Menge nicht ausreichend war (Bild 1).
Bei der Untersuchung dieses Phänomens stellte sich heraus, dass die Z-Geschwindigkeit, mit der die Komponente aus dem ICA gezogen wird, einen bedeutenden Faktor darstellt. Wird die Düse auf Klasse 4 eingestellt, war das Ergebnis unbefriedigend; eine Reduktion der Z-Geschwindigkeit war allerdings eine Möglichkeit, das Problem zu lösen. Die Gesamtgeschwindigkeit der Maschine war auf 25% der Maximalgeschwindigkeit eingerichtet. Dies führte zu einer Z-Geschwindigkeit von 50 mm/s sowie zu einer ausreichenden ICA-Menge auf den mit Gold legierten „Bumps“. Aus diesem Grunde wurden die Versuche mit dieser Geschwindigkeitseinstellung der ACM durchgeführt.
Versuche
Flip-Chip-Komponenten wurden mit Offset-Schritten von 10 µm ab der Nennposition platziert.
Jede Seite des Flip-Chips hat 14 „Bumps”. Durch die rechteckige Anschlussfläche waren die Offset-Schritte nur in der X-Richtung möglich. Zwei Sätze mit 14 „Bumps“ verbleiben an der Anschlussfläche, zwei Sätze mit 14 „Bumps“ werden verschoben (Bild 2).
Es wurden zwei Versuchsreihen durchgeführt:
  • die Komponenten wurden mit einer Flip-Chip-Düse und einer Bestückkraft von 1,5 N platziert
  • die Komponenten wurden mit einer äußeren Düse und einer Bestückkraft von 10 N platziert
  • insgesamt wurden 220 Bauteile bestückt (15 Bauteile pro Offset-Schritt).
Messergebnisse
Nach Aushärten des ICAs wurde der Widerstand der Verbindungen bestimmt. Der gemessene Widerstand in Ohm entspricht der Summe des doppelten Widerstands des Kleberkontakts sowie des Widerstands der internen Verbindung im Flip Chip.
Jeder Flip-Chip hat vier Positionen für eine Vierpunkte-Messung. Bei zwei Positionen pro Flip-Chip blieben die „Bumps“ an der Anschlussfläche, bei zwei Positionen wurden die „Bumps“ um die definierten Offset-Schritte verschoben. Der Widerstand blieb stabil. Die durchschnittlichen Ergebnisse der „Bump“-Messungen, die an der Anschlussfläche verblieben, sind in Tabelle 1 und Bild 3 aufgeführt.
Die Ergebnisse der „Bumps”, die sich um einen größeren Offset verschoben, finden Sie in Tabelle 2 und Bild 4. Eine weitere Analyse der Daten ergab, dass der Kleber den Pad noch berührte und eine Verbindung herstellte, auch wenn der „Bump” mit einem Versatz von über 40 µm, also der Hälfte der Anschlussflächenbreite, vom Pad platziert wurde. Bei einem Kontakt zwischen ICA und Pad ist also eine elektrische Verbindung vorhanden. Der Kontaktwiderstand unterscheidet sich nur geringfügig bei bis zu 60 µm und einer Bestückkraft zwischen 1,5 N und 10 N; der letzte Wert führt allerdings zu einem etwas geringeren Kontaktwiderstand.
Ein sicherer Wert für den maximal zulässigen Offset auf Basis dieser Einstellungen liegt bei 25 µm bzw. bei ca. 30% der Spurbreite. Ist dieser Wert bekannt, können die zulässigen Offsets für unterschiedliche Pitches extrapoliert werden. Extrapolationen der Versuchsergebnisse für eine Pitchgröße von 80 µm sind in der Tabelle 3 aufgeführt. In dieser Tabelle finden Sie ebenfalls die Genauigkeit für Komponenten, die mit einem Schablonendruckverfahren in ICA bestückt werden, mit einer Gesamtübersicht der erforderlichen Präzision für Flip-Chips mit ICA-Bestückung.
Querschnitte von Flip-Chips
Bild 5 zeigt, wie die „Bumps“ mit den Anschlussflächen verbunden sind: (a) wenn sie an der Nennposition platziert werden, und (b) einen Offset von 50 µm haben. Die Kupferanschlussfläche ist nicht gerade und die Oberseite ist breiter als 80 Mikrometer. Aus diesem Grunde ist die Überlappung des mit Gold legierten „Bumps“ größer als bei einer ebenen Kupferanschlussfläche.
Schlussfolgerungen
Während des Eintauchprozesses spielt die Geschwindigkeit, mit der die „Bumps” der Komponente aus dem ICA gezogen werden, eine bedeutende Rolle. Die an den „Bumps“ verbleibende Klebermenge wird durch diese Geschwindigkeit beeinflusst. Die Bestückkraft ist kein kritischer Faktor.
Ein sicherer Wert für den maximal zulässigen Offset liegt bei 30% der Breite oder des Durchmessers der Anschlussfläche. Wird der „Bump“ neben dem Pad bestückt, kann der ICA am „Bump” den Pad noch berühren und eine elektrische Verbindung herstellen.
Alle Werte für Widerstand und Scherkräfte wurden unmittelbar nach dem Aushärten ermittelt. Zu klären bleibt noch die Zuverlässigkeit der Verbindung von Bauteilen, die mit einem Offset platziert wurden.
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