Klebstoffe für das Packaging ungehäuster Chips

Kostengünstige COBProduktionsprozesse Delo Industrie Klebstoffe, Landsberg

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In der Elektronikbranche schreitet der Trend zur Miniaturisierung immer weiter fort. In diesem Zusammenhang werden auch die eingesetzten Chips immer kleiner und damit empfindlicher. Bei ständig steigenden Stückzahlen und einem hohen Automatisierungsgrad in der Fertigung ist der Schutz der Chips zu einer prozesstechnischen Herausforderung geworden. Neben bewährten Standards setzen sich daher zunehmend auch neue Methoden im Chip-Packaging durch. Delo bietet für die unterschiedlichen Methoden, ungehäuste Chips auf der Leiterplatte zu fixieren, spezielle Klebstoffe an.

Die Produktion ungehäuster Halbleiter, in Verbindung mit der Chip-on-Board- oder der Flip-Chip-Technologie, wird heute bei den Produzenten von elektronischen Bauteilen zu den Standardverfahren gezählt. In den letzten Jahren wurden ca. 90% der Chip-to-Package-Verbindungen mit der Wire-Bond-Technik realisiert. Interessante Einsatzfelder sind Smart-Cards wie z.B. Krankenversichertenkarten, Bankkarten, etc., sowie Smart-Labels, bei denen ein Flip-Chip mit einer Antenne kontaktiert wird, und somit ein berührungsloser Informationsaustausch erfolgen kann.

Chip-on-Board-Technologie
Bei der Chip-on-Board-Technologie (COB) wird der Chip zuerst mit seiner inaktiven Seite mit einem Die-Attach-Klebstoff auf das Substrat aufgeklebt. Delo hat für den COB-Prozess im Smart-Card-Bereich die Die-Attach-Klebstoffe Monopox mit sehr hoher Zuverlässigkeit entwickelt, die ohne Silberfüllstoff optimale mechanische Eigenschaften bieten. Diese Produkte sind eine kostengünstige Alternative zu marktüblichen silbergefüllten Klebstoffen und zeichnen sich durch kurze Aushärtezeiten bei moderaten Temperaturen (bei 130 °C 3 min, bei 150 °C 1 min) aus. Durch den kationischen Aushärtungsmechanismus steigt während der max. möglichen 72 Stunden Verarbeitungszeit bei Raumtemperatur die Viskosität nicht an, das bedeutet für den Verarbeiter optimale Prozesssicherheit und minimalen Klebstoffausschuss. Im zweiten Schritt, dem Wire-Bond-Prozess, wird über Bonddrähte die Kontaktierung hergestellt. Im nächsten Schritt werden die filigranen Bonddrähte durch eine Vergussmasse vor Umwelteinflüssen und Beschädigungen geschützt.
Im Jahre 2002 wurden weltweit 2,5 bis 3 Mrd. Chipmodule an die Smart-Card-Industrie verkauft. Man geht davon aus, dass der Bedarf jährlich um 20 bis 30% zunimmt. Diese hohen Stückzahlen setzen eine Vergusstechnologie mit Aushärtezeiten im Sekundenbereich voraus. Fotoinitiierte und neue kationisch warmhärtende Klebstoffe bzw. Vergussmassen erfüllen diese Anforderungen.
Flip-Chip-Technologie
Eine Möglichkeit zur weiteren Miniaturisierung und zur Einsparung von Prozesskosten ist der Einsatz von Flip-Chips. Bei der Flip-Chip-Technologie wird der Chip mit seiner aktiven Seite auf das Substrat geklebt und gleichzeitig kontaktiert. Für die Kontaktierung von Flip-Chips werden anisotrop leitfähige Klebstoffe bzw. für Flip-Chips mit Stud-bumps nicht leitfähige No-flow-Underfiller eingesetzt (Bild 1).
Kontaktierung mit anisotrop leitfähigen Klebstoffen
Anisotrop leitfähige Klebstoffe sind mit leitfähigen Partikeln in niedriger Konzentration gefüllt, und deshalb im flüssigen Zustand nicht leitfähig. Der Klebstoff wird flächig auf die Klebefläche des Substrates aufgetragen, danach wird der Flip-Chip gesetzt und mittels einer Thermode mit Druck und Temperatur ausgehärtet. Beim Setzen des Chips werden die leitfähigen Partikel zwischen den Kontakten des Chips und des Substrates eingeklemmt, dies führt zu einer elektrischen Leitfähigkeit in Z-Richtung. Ein anschließender Flow-underfill wie bei gelöteten Flip-Chips bzw. der Verguss wie bei der Chip-on-Board-Technologie ist nicht notwendig. Typische Aushärteparameter sind bei Thermoden 6 bis 20 s bei 180 bis 230 °C im Klebstoff. Das Schliffbild in Bild 2 zeigt die verpressten Vollmetallpartikel des anisotrop leitfähigen Klebstoffes zwischen dem Goldbump des Chips und der Leiterbahn des Substrates. Ein Maß für die Zuverlässigkeit solcher Flip-Chip-Verbindungen ist der Kontaktwiderstand. Bei einer Lagerung von 85 °C und 85% Luftfeuchte über 1000 h steigt der Kontaktwiderstand um nicht mehr als 10 Milliohm an. Der quasi konstante Kontaktwiderstand ist die Grundlage für eine gute Langzeitbeständigkeit der Verklebung und damit für die Zuverlässigkeit der Bauteile.
Verklebung mit nicht leitfähigen Klebstoffen
Eine weitere Möglichkeit ist der Einsatz von nicht leitfähigen Klebstoffen in Verbindung mit Stud-bumps. Bei diesem Prozess wird die Kontaktierung durch das Einpressen der Stud-bumps des Flip-Chips in die Kontaktfläche des Substrats hergestellt, der Klebstoff hat die Aufgabe den Flip-Chip in dieser Position zu fixieren. Der Klebstoff wird zuerst als No-flow-Underfiller vor dem Setzen des Flip-Chips auf das Substrat dosiert. Im zweiten Schritt wird der Chip mit den Stud-bumps aufgesetzt, die Aushärtung des Klebstoffs erfolgt durch eine Thermode mit Wärme und Druck. Diese Technologie wird zur Herstellung von Smart-Labels eingesetzt.
Die No-flow-Underfiller Monopox zeichnen sich durch besondere Zuverlässigkeit aus. Nach Einlagerung der Smart-Labels unter Temperatur und Feuchte steigt der Kontaktwiderstand nur um wenige Milliohm an, was ein Maß für die hohe Zuverlässigkeit der Verklebung darstellt.
Die Reaktionsklebstoffe für die COB- bzw. die Flip-Chip-Technologie, für deren Wachstum neue schnelle Bondmethoden benötigt werden, sind für den Mikroelektronik- sowie den Smart-Card- und Smart-Label-Bereich eine exzellente Lösung zur Realisierung von schnellen, innovativen und kostengünstigen Produktionsprozessen.
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