Wettbewerbsfähig durch Bare Die

Hover Davis, Rochester (USA)

Die Nachfrage nach immer kleineren und leichteren digitalen Konsumer-Produkten hält unvermindert an. Sie konfrontiert die Entwickler und Hersteller dieser Produkte mit hohen Anforderungen – sowohl in der Technologie wie auch im Preis. Konsumgüter sind heute die Treiber der Halbleitertechnologie und – weitaus wichtiger – auch des Packaging dieser hoch komplexen und aufs Äußerste miniaturisierten Systeme. Kein Wunder, dass die Entwicklung der Bare-Die-Technologie als heißester Trend des Packaging gilt.

Das hat gute Gründe. Denn Bare-Die-Packaging erfüllt alle genannten Kosten- und Wettbewerbs- anforderungen. Bare Die ermöglicht

Die Konsequenz ist eine rapide Umstellung der Elektronikfertigung vom Standard-Halbleitergehäuse auf Bare Die. Das ermöglicht neue Lösungen für alte Paradigmen und verändert dabei etablierte Gerätekategorien und deren Preispunkte – speziell von Bestücksystemen.

„Die Emergenz von Flip-Chip, Multi-Chip-Packaging und SIP,“ sagt John Hover, Mitbegründer des Feeder-Spezialisten Hover Davis, „hat uns zu der Einsicht gebracht, dass die Montageprozesse für Die und SMT-Komponenten konvergieren.“ Aufgrund dieser Erkenntnis initiierte das Unternehmen vor mehr als fünf Jahren die Entwicklung einer Bare-Die-Feeder-Produktlinie („Direct Die Feeding“), die sich einfach in viele bestehende und bekannte Montage-Plattformen integrieren lässt.

Auf die Frage, ob sich mit diesem Prinzip „jeder Chip-Shooter in einen Flip-Chip-Shooter, jeder beliebige SMT-Bestückautomat in eine fortschrittliche Montagelösung und jede Kunden-Plattform zur flexiblen Halbleitermontage umwandeln lässt“, antwortet Firmengründer Hover mit einem gewissen Understatement – aber grundsätzlich affirmativ: „Im Wesentlichen ja.“ Seine übergreifende Vision, sagt Hover, sei es, das „volle Potenzial“ existierender Bestückautomaten im Hinblick auf ihre Funktionalität zu nutzen. Die Plattformen für SMT-Montage, auch für Kundenlösungen, sagt Hover, haben sich so weit entwickelt, dass sie auch die Anforderungen der Halbleitermontage erfüllen. Die einzige Lücke, die es zu schließen galt, war die schnelle und hoch zuverlässige Zuführung der Komponenten.

Bare Die war, wie der bekannte US-Experte Larry Gilg ausführt (1), bereits in den 1960er Jahren im Einsatz – wenn auch nur in sehr anspruchsvollen Anwendungen, etwa in der Luft- und Raumfahrt. Dort spielen Kostengesichtspunkte traditionell eine untergeordnete Rolle gegenüber absoluter Zuverlässigkeit. Die Produkte dieser frühen Packaging-Technologie von IBM und Solid Logic Technology waren als „Hybridmodule“ bekannt, und ihre Technologie entwickelte sich kontinuierlich weiter bis in die 90er Jahre. Als BGA- und Chip-Scale-Packaging findet sie sich heute in beinahe allen elektronischen Produkten. In anderen Worten: Der gegenwärtige Rush in die breite Anwendung von Bare Die ist nur die aktuelle Version dieser klassischen Technologie – wenn auch mit hohen technologischen und ökonomischen Anforderungen im Bonding und Packaging – und jetzt auch an die Platzierung. Wirtschaftliche Bestückungslösungen sind heute die Vorbedingung für alle Fortschritte der IC-Gehäusetechnik. Kostengünstigkeit entscheidet über den Markterfolg.

Bare-Die-Verarbeitung vom Wafer wurde früher von den Halbleiterherstellern als Geheimnis gehütet. Hersteller, die Bare Die in ihre Montageprozesse integrieren wollten, waren auf eigene Tools, also auf tape und tray, zum Transfer auf ihre Bestückautomaten beschränkt. Vor einigen Jahren aber begannen die Entwickler von Placement-Maschinen und Feedern das Tape&Reel-Modell in Frage zu stellen – vor allem wegen dessen Kosten.

Denn gründliche Analysen hatten gezeigt, dass die Zuführung vom Tape fünf Cent oder mehr zu den Stückkosten einer Komponente addieren kann und außerdem die Durchlaufzeit erhöht. Bei rapider Zunahme der Integrationsdichte und der Systemfunktionalität gerieten die Gesamtkosten beim High-Volume-Packaging außer Kontrolle. Die Alternative: „virtual tape” feeding für Bare Die. Kein Wunder, dass es frühzeitig Versuche zur Abschaffung des physischen Tape und des Taping-Prozesses gab, um die Placement-Prozesse zu optimieren. Heute wird dieses Prinzip durch das Konzept des Direct Die Feeder voll realisiert: Tapeless Feeding beruht auf einem schnellen portablen Die-Ejektor, der auf dem Feeder Shelf einer Placement-Maschine positioniert ist.

Beim Direct Die Feeding wird das Die direkt vom expandierten Wafer entnommen, falls nötig gedreht („flipped“) und zum Platzieren präsentiert. Mapping und Vision liefern dabei eine zuverlässige Identifikation und Extraktion von KGD (Known Good Die). Sie kommen den Resultaten des Tape Packaging gleich oder übertreffen es sogar. Mit bis zu 6 000 Die/h (Flip Chip) hält der Bare Die Feeder leicht mit benachbarten Tape Feedern Schritt. Die selbständige Feeder-Einheit organisiert den gesamten Zuführprozess innerhalb einer Feederbreite von 80 bis 120 mm (3 Zoll). Mit einem Gewicht von 27 kg lässt sie sich leicht wie ein herkömmlicher Tape Feeder zwischen diversen Placement-Maschinen wechseln.

Trotz des weit verbreiteten Eindrucks, taping sei „kostenfrei“, können sich bei großem Produktionsvolumen die Kosten schnell aufaddieren. Das ist die Stunde von Bare-Die oder „Direct-Die-Feeding“. Mit Direct-Die-Zuführung lassen sich substanzielle laufende Kosten eliminieren. Gleichzeitig sinkt der Aufwand für die Abfallbeseitigung des tape feeding. Als Ersatz für Inhouse-taping reduziert Direct Die Feeding den Kapitalaufwand für das Equipment. Außerdem werden Fertigungsflächen frei, die sonst für Maschinen, Lager und Abfall benötigt werden. Reduktion des physischen Handling und der damit verbundene Overhead machen Direct Die Feeding zur günstigen Alternative, außerdem realisiert es weitere Vorteile durch Design und Kostenvorteil von Bare Die. Es eröffnet Geräteherstellern den Wettbewerb mit Anbietern anderer funktionsreicher Produkte, die zu geringeren Stückkosten gefertigt werden. Dies kann die allgemeine Wettbewerbsfähigkeit und die Profitabilität stärken.

„Der Wettlauf zu immer kleineren Chipflächen für ICs bedingt einen ständigen Kompromiss zwischen mehreren Kostenfaktoren“, sagt Larry Gilg. „Da die reale Nachfrage eine ultimative Größenreduktion portabler Consumergeräte bedingt, wird der Kostendruck zum eigentlichen Produkt-Differentiator.“ (2) Zu einer ähnlichen Schlussfolgerung kommt Kenny Cramer von Optek Technology: „Der Direct Die Feeder ist eine perfekte Lösung für unsere Anforderungen an Geschwindigkeit und Durchsatz. Er hat sich als zuverlässige und flexible Erweiterung unserer Siemens-Maschine erwiesen. Die feeding ist eine Kosten sparende Technologie, die schwer zu überbieten ist.“ (3)

Direct Die Feeding repräsentiert einen Paradigmenwechsel. Alle Zeichen deuten darauf hin, dass diese Technologie zum Fertigungsstandard wird. Die von Hover Davis entwickelte Lösung („DDf Ultra Direct Die Feeder“) ist kompatibel mit einem weiten Bereich von Placement-Plattformen, einschließlich Siemens, Fuji, Juki, Universal Instruments, Panasonic, Assembléon, Mydata, Samsung, Alphasem, Yamaha und anderen. Direct Die Feeder sind weltweit im Gebrauch und unterstützen Anwendungen der Automobilfertigung, in der Telekommunikation, bei der Uhrenherstellung, in medizinischen Applikationen und vielen anderen mehr.

Direct Die Feeding ist eine bedeutsame Sprunginnovation, verkürzt die Versorgungskette und eliminiert substanzielle laufende Kosten beim Einsatz von Bare Die. Zugleich werden vorhandene Bestückautomaten unterstützt, da es mit ihnen kompatibel ist. Direct Die Feeding erhält außerdem hohe Fertigungsgeschwindigkeiten und sichert die Qualitätslevel für KGD. Ergebnis: Innovative Elektronikgeräte lassen sich kostengünstiger produzieren.

SMT, Stand 7-422 & 9-634

EPP 421

(1) Larry Gilg, Challenges in Bare Die Mounting. Die Products Consortium, Austin, Texas. www.dieproducts.org/tutorials/assembly/bare_die_mounting.pdf

(2) Larry Gilg, Wafer-level Packaging and Test, Technologies and Trends. Advanced Packaging, November 2002

(3) Kenny Cramer, Equipment Development Engineer, Optek Technology, Inc.7