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Präzision bis in die Ecken

Print-System für 300-mm-Wafer mit einem Schablonendrucker
Präzision bis in die Ecken

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Hersteller elektronischer Bauelemente, Systeme und Geräte stützen sich in zunehmenden Maße auf die technischen und wirtschaftlichen Fortschritte in der Fertigungstechnik. Hier sehen sie echte Wettbewerbsvorteile, was zu einem erheblichen Teil zum Fortbestand der Elektronikfertiger oder Halbleiter-Hersteller beiträgt. So ist zum Beispiel der Schritt zum effizienten 300-mm-Wafer-Format für sehr viele Halbleiterfertiger gerade in ihrem äußerst kostenempfindlichen Markt unvermeidbar. Doch die große Empfindlichkeit gegenüber mechanischen Belastungen aller Art sowie die hohen Kosten dieser Wafer im Überformat sorgen dafür, dass die durchgängige Automatisierung in der Fertigung, beim Handling und in der Materialfluss- und Prozess-kontrolle eine noch höherer Priorität einnimmt.

John Myers, Ekra, Bönnigheim

Ein wichtiger Faktor für Kostenreduzierung und Miniaturisierung ist das Advanced-Packaging, das erhebliche Zuwächse in der Anwendung aufweisen kann. Zwei große Trends sind hier auszumachen:
• Mit sogenannten Bumps, das sind Lotpasten-Halbkugeln, versehene Dies bzw. Flip-Chips/Ball-Grid-Arrays (BGA) ermöglichen noch kleinere Bauteilformen mit besserem thermischen Verhalten sowie geringeren Verlusten im Hochfrequenzeinsatz.
• Wafer-Level-Packaging (WLP) offeriert ein enormes Potential für Kostensenkungen, indem es die traditionellen Back-end-Prozesse wie IC-Packaging und Funktionstest näher an die Halbleiter-Fertigungsprozesse (Front-End) rückt.
Grundsätzlich beruhen beide Entwicklungstrends darauf, dass komplette Wafer mit Bumps versehen werden müssen und im Handlingprozess keine Probleme verursachen dürfen. Die zunehmende Verwendung von Wafern mit 300 mm Durchmesser in solchen Packaging-Applikationen stellt Waferfabs vor neue Aufgaben und führt in den Back-End-Prozessen zu größeren Herausforderungen. Die großen Silizium-Scheiben sind mechanisch wesentlich empfindlicher als die 200-mm-Scheiben oder die noch kleineren mit 150 mm oder gar nur 125 mm. Der Wert einer 300-mm-Scheibe kann leicht 1000 US$ weit übersteigen, je nach Prozess und Fertigungsstand. Equipment, mit dem solche großen Silizium-Substrate zu handhaben sind, muss mit großer Sorgfalt konzipiert und auf ein nahtloses Zusammenspiel hin getestet werden, damit die potentiellen Problemfelder in einer derartigen Prozess- und Fertigungslinie nicht zu großen Schwierigkeiten führen. Das betrifft nicht nur das Prozess-Equipment sondern auch alle anderen Bereiche in der Fertigungsautomatisierung und im Handling. Das wird umso dringlicher und wichtiger, je geringer der manuelle Arbeitsanteil von Mitarbeitern wird, wie es zum Beispiel in hochvolumigen Fertigungsumgebungen der Fall ist.
Unter den heute verfügbaren Bumping-Prozessen bietet das Aufdrucken der kleinen Lotdepots auf die vorbereiteten Wafer-Lotpads der einzelnen Dies (Flip-Chip/BGA, WLP) das größte Potential für Kosteneinsparungen. Man verwendet dazu Weichlot-Legierungen. Der eigentliche Print-Prozess basiert auf dem her-kömmlichen Pastendruck in der Oberflächen-Montage. Die Bumping-Prozedur besteht insgesamt aus dem Pastendruck, dem Aufschmelzen (Reflow) der Paste, bei dem erst die eigentlichen Bumps gebildet werden, sowie einer abschließenden Reinigung der Wafer. Zudem sind oft auch Inspektionsschritte der Pastenvolumen vor dem Aufschmelzen oder der danach gebildeten Lot-Halbkugeln (Bumps) vorgesehen, um den Prozess zu kontrollieren und die Ausbeute (Yield) hoch zu halten. Die Forderung nach einer kontinuierlich hohen Ausbeute in diesem Prozess ist entscheidend für die Auswahl des Fer-tigungs-Equipments. Konstruktion und Ausführung der Maschinen müssen auf höchste Zuverlässigkeit und Genauigkeit ausgelegt sein.
Ein gutes Beispiel für die Realisierung solch eines In-Line-Bumping-Systems für Wafer ist das Modell X5-WAF von Ekra. Die Linie basiert auf einem hochpräzi-sen Schablonendrucker und kompakten Wafer-Handling-Automaten sowohl für den An- als auch Abtransport der Wafer zum beziehungsweise vom Druckautomaten. Nach der kurzen Vorjustierung des Wafers aus einer der Input-Kassetten lädt der Handling-Automat einen Shuttle-Mechanismus, der den Wafer sicher zum Drucker transportiert. Ist der SchablonenDruckprozess abgeschlossen, läuft der Shuttle zum Handling-Automaten an der Auslassseite. Von dieser Position aus lässt sich dann der bedruckte Wafer entweder in den Reflow-Ofen laden oder in die Output-Kassette. Solche vollautomatisierten In-Line-Konfigurationen werden im allgemeinen in Backend-Umgebungen bei Forderungen nach hochvolumigen Durchsätzen eingesetzt.
Maschinenzellen als Bumping-Konfigurationen
Im Front-End-Bereich der Halbleiterfertigung dominieren Maschinenzellen als Standardausstattung. Solche Maschinenzellen (auch Cluster-Tools genannt) stellen eine Kombination aus Modulen für Handling, Processing sowie die nötigen Mess- und Prüfeinrichtungen dar, die zur op-timalen Realisierung des Prozessablaufs gezielt miteinander verbunden sind. Ein CIM-System (Computer Integrated Ma-nufacturing) einer Fertigung adressiert solch ein Maschinen-Cluster als eine Einheit.
Die Überwachung und das Handling des Materials (WIP) verlangt, dass jeder einzelne Wafer nach jedem Prozessschritt in einer Bearbeitungszelle wieder an den gleichen Platz (Slot) des Magazins zurückgelegt wird. Diese Handling-Strategie (Uni-Kassette) wird sehr oft beim Processing von 200-mm-Scheiben eingesetzt. Aufgrund der strikten Auflagen beim Handling von 300-mm-Wafer ist diese Handling-Strategie hier eine wesentliche Forderung im Fertigungsfluss. Die Kassetten für 300-mm-Wafer sind ein komplizierter Mechanismus, der die Scheiben über den gesamten Produktionsprozess mit seinen vielen hundert Einzelschritten begleitet. Solch ein FOUP-System (Front Opening Uniform Pod) wiegt bei voller Beladung mit 25 Wafern etwa 40 kg und ist damit für manuelles Handling zu schwer. Auch die Öffner-/Schließer-Lademechanismen für diese FOUPs sind sehr komplexe Vorrichtungen, die jedoch ein standardisiertes mechanisches Interface für ein Automated-Material-Handling-System (AMHS) darstellen.
Das neue Wafer-Print-Cell-System von Ekra umfasst in der Basisausführung neben dem Drucker einen komplexen Wafer-Handling-Automaten, die FOUP-Systeme sowie den Pre-Aligner (Vorjustier-/Ausrichteinheit). Der Handling-Automat kann innerhalb von nur neun Sekunden einen Wafer aufnehmen, zur nächsten Bearbeitungsstation transportieren und dann entladen. Nachdem ein Wafer aus dem FOUP entnommen und vorjustiert wurde, platziert der Handling-Automat die Scheibe mit hoher Genauigkeit direkt in einem stationären Print-Nest. Da es weder ein Transport- noch ein Shuttle-System gibt, ist die Konstruktion des Schablonendruckers an dieser Stelle einfach und solide, was dazu beiträgt, die Alignment-Genauigkeit hoch zu halten. Im Gegensatz zu herkömmlichen In-line-Systemen wird hier der Wafer stets von der gleichen Seite des Druckers be- und entladen. Weitere Maschinenmodule wie Ofen, automatische optische Inspektion (AOI) oder ein zweiter Drucker lassen sich an die Basis-Konfiguration leicht anfügen. Die Zykluszeit für den gesamten Bedruckvorgang eines Wafers beträgt in den meisten Fällen weniger als 1 Minute. Der Handling-Automat der Bearbeitungszelle kann innerhalb dieser Zeitspanne insgesamt etwa fünf bis sechs Arbeitsstationen fortlaufend bedienen.
Im Allgemeinen setzt man in solchen Wafer-Bumping-Prozessen Reflow-Öfen ein. Die Bearbeitungszelle lässt sich deshalb erweitern, indem man am Ofenende weitere Entlade-/Belade-Stationen anfügt oder aber einen zweiten Handling-Automaten, der auch ein AOI-System bzw. eine Reinigungsvorrichtung enthält. In diesem Fall wäre es aber unpraktisch, den Wafer anschließend stets wieder am ursprüng-lichen Platz im Magazin (Slot) zu retournieren.
Die Genauigkeit der Bedruckung von Silizium-Scheiben ist ein wichtiger Faktor im Wafer-Bumping. Momentan ist man in der Lage, Bump-Arrays bis herab zu 150 mm sauber zu drucken, wobei die nächsten Entwicklungen auf einen Bump-Pitch bis herunter auf 100 mm abzielen. Damit bei den Kontakthöckern maximale Relationen der Höhe zum Durchmesser erzielt werden, werden die Pads bzw. UBMs (Under Bump Metallisierungen) über ihre eigentliche Fläche hinaus mit Lotpaste bedruckt (Overprint). Das hat zur Folge, dass der äußere Abstand zwischen den einzelnen Pastendepots nur noch bei etwa 30 bis 50 mm liegt. Die Zuverlässigkeit des Aufschmelzprozesses wird somit erheblich von der Genauigkeit der Justierung der Druck-Pattern auf dem Wafer beeinflusst.
Der Drucker XG5 von Ekra erfüllt die hohen Anforderungen und verfügt über eine hohe Justier-Genauigkeit von w12,5 mm, die sich auf eine Druckfläche von 300 x 300 mm² bezieht (bei Cpm 2,0 bzw. 6-Sigma). Somit liegt die Wahrscheinlichkeit einer Fehljustierung zwischen Wafer und Schablone, die den Wert von w6,3 mm übersteigt, bei diesem Printer unter 2 ppb (Parts per Billion/Milliarde). Die unmittelbare Kontrolle der Druckqualität und der Schablonenöffnungen durch das integrierte Inspektionssys-tem stellt zudem das nötige Feedback sicher, um einen qualitativ hohen, konstanten und soliden Prozess zu erzielen.
Kommunikationsstandards in der Fertigungsautomatisierung
Der Übergang zu den 300-mm-Scheiben führte auch in der Fertigungsautomatisierung zu einer noch größeren Durchdringung mit einschlägigen Industriestandards. Die SEMI Organisation (Semiconductor Equipment and Materials In-ternational) hat global gültige Normen für die Produktionseinrichtungen, mechanischen Schnittstellen und die Kommunikationsprotokolle der Fertigungsmaschinen eingeführt. Die Basisstandards für die Kommunikation werden allgemein kurz als SECS/GEM bezeichnet, zu dem natürlich die Maschinen-Cluster kompatibel sein müssen. Diese Basisstandards für die Kommunikations-Kompatibilität umfassen SECSII (SEMI E-5) für den Inhalt von Datenübertragungen, HSMS-SS (SEMI-E37) für das physikalische Kommunikationsprotokoll – aufgesetzt auf lokalen Netzwerken (LAN) auf der Basis von TCP/IP – sowie GEM (SEMI-E30) zur Definition von Modellen für die Befehlsstrukturen und die Datenströme. Die von SEMI definierten Anforderungen für die Überwachung der Zuverlässigkeit und der Verfügbarkeit sind nieder-gelegt in deren ARAMS-Empfehlungen (SEMI-E58).
Mit dem zunehmenden Einsatz der 300-mm-Scheiben wird auch zusätzliches Augenmerk auf die Spezifizierung von Materialhandling und der Automatisierung in der Prozesskontrolle gelegt. Die Standards für das Prozessmanagement (SEMI-E40) und die Job-Überwachung (SEMI-E94, noch provisorisch) stellen flexibel handhabbare Richtlinien für die Kontrollen des Produktionsablaufs und die Bearbeitung der einzelnen Scheiben in der Fertigung bereit. Weiter wird der-zeit an den Empfehlungen für das Carrier-Management (SEMI-E87) sowie die Überwachung/Verfolgung der Substrate (SE-MI-E90) gearbeitet. Die Vorteile solcher Standards sind natürlich nicht allein auf die Wafer-Bearbeitung begrenzt. Die SECS/GEM-Empfehlungen hat man auch weitgehend für das Back-End bei denPackaging-Prozessen übernommen. Seit einiger Zeit sind auch Anzeichen deut-lich, die SECS/GEM-Empfehlungen in der komplexeren Oberflächenmontage (SMT) schrittweise einzuführen.
Obwohl die Roadmap der NEMI (ame-rikanische National Electronic Manufac-turing Initiative) bei der Implementierung von CIM-Systemen in der Baugruppen-Fertigung die baldige Übernahme der SECS/GEM-Standards vorsieht, sind langfristig andere Protokollnormen favori-siert. Die ebenfalls aus den USA heraus wirkende, dort gegründete Industriever-einigung IPC hat bei der Einführung von Empfehlungen für die Equipment-Kommunikation in der Oberflächenmontage (SMT) die Führung übernommen. So wurde vor zwei Jahren ein Subkomitee (Shop Floor Equipment Communications) ins Leben gerufen, das inzwischen mehrere Standards ausgearbeitet hat, die eine Plug&Play-Kompatibilität der Maschinen zum Ziel haben. Diese Empfehlungen, genannt CAMX-Serie, werden derzeit von Industrieunternehmen in der Praxis ausgetestet.
Ausblick
Die zunehmende Verwendung der 300-mm-Wafer birgt weitere Herausforderungen sowohl an die Back-End-Fertigungs-unternehmen für Wafer-Bumping als auch an Halbleiter-Hersteller, die solche Bumping-Prozesse auf effiziente Weise näher zum Front-End bringen wollen, wobei sie im Wafer-Level-Packaging den Pas-tendruck einsetzen. Für die 300-mm-Prozesse sind Maschinenzellen (Cluster-Tools) bestens geeignet, insbesondere wenn die Uni-Kassettentechnik einge-setzt wird, bei der während der gesam-ten Bearbeitung in der Waferfab die Scheiben stets wieder im gleichen Magazin-platz ablegt und daraus entnommen und transportiert werden. Ekra hat dafür ei-ne Bearbeitungszelle als In-Line-System entwickelt und auch berücksichtigt, dass beim jetzt stattfindenden Übergang zu 300-mm-Scheiben der rechnergestützten Fertigung (CIM) sowie allgemein gülti-gen Kommunikationsstandards zwischen den einzelnen Maschinen eine sehr hohe Bedeutung zukommt.
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