DE4446471C2 - Verfahren zur Montage eines Chips auf einem flexiblen Schaltungsträger - Google Patents

Verfahren zur Montage eines Chips auf einem flexiblen Schaltungsträger

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Joachim Dipl Ing Eldring
Elke Dipl Ing Zakel
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Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Montage eines Chips auf einem flexiblen Schaltungsträger.
Flexible Schaltungsträger bestehen aus einer flexiblen, dün­ nen Polymerfolie mit einer strukturierten Metallisierungs­ schicht als Leiterbahnen. Die flexiblen Schaltungsträger können sowohl ein- als auch mehrlagig sein. Bei mehrlagigen flexiblen Schaltungsträgern sind senkrecht zu den Lagen an­ geordnete Kontaktkanäle sogenannte Durchkontaktierungen, vorgesehen, die die einzelnen Ebenen elektrisch verbinden.
Flexible Schaltungsträger werden dort eingesetzt, wo mit­ einander beweglich verbundene Teile eines Systems elektrisch verbunden sind. Beispiele hierfür sind Notebooks oder Lap­ tops mit aufklappbarem Bildschirm oder zusammenklappbare Mo­ biltelephone. Im Automobilbau sind flexible Schaltungsträger notwendig, um z. B. in den Motorbereich führende elektrische Verbindungen von mechanischen Schwingungen zu entkoppeln. Bei extrem engen Platzverhältnissen in einem geometrisch komplexen Gehäuse können auf flexiblen Schaltungsträgern aufgebaute Schaltungen der Gehäuseform raumsparend angepaßt werden (3-dimensionaler Aufbau), was mit starren Leiter­ platten nicht möglich ist (2-dimensionaler Aufbau).
Eine Verbindungstechnik der ersten Ebene (First-Level-Ver­ bindungstechnik) zwischen einem oder mehreren Chips und einem flexiblen Schaltungsträger ist das sogenannte Tape- Automated-Bonding (TAB). Zur Realisierung des Vorteils von hohen Anschlußzahlen pro Chipfläche werden seit neuester Zeit auch sogenannte Flip-Chip-Technologien auf flexiblen Schaltungsträgern verwendet.
Aus der JP-04-259232 A ist bereits ein Verfahren zur Montage von Halbleiter-Chips auf einem flexiblen Schaltungsträger bekannt, bei dem auf die Elektroden des Halbleiter-Chips mittels eines Thermo­ kompresssionsverfahrens Kontakterhebungen aufgebracht werden, die in Durchgangsbohrungen des Films gesteckt wer­ den. Die Spitze der Kontakterhebungen kann als bartartiger Vor­ sprung ausgebildet sein, der zusammen mit der Spitze der Kontakterhebung in einem Schmelzverfahren nach Art einer Niete auseinandergedrückt wird, um mit der dem Chip abgewandten Seite des Schaltungsträgers Eingriff zu nehmen. Derartige Umschmelzver­ fahren sind für die Chipmontage unerwünscht.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, das eine ver­ einfachte Montage von Chips auf einem flexiblen Schal­ tungsträger ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch ein Chipmontageverfahren nach Anspruch 1 gelöst.
Die vorliegende Erfindung schafft ein Chipmontagever­ fahren, das folgende Verfahrensschritte aufweist:
  • a) Aufbringen von ersten Kontakterhebungen auf Kontakt­ elektroden des Chips;
  • b) Anordnen eines ersten flexiblen Schaltungsträgers auf dem Chip, wobei der flexible Schaltungsträger Ausneh­ mungen aufweist, die mit den Kontakterhebungen ausge­ richtet sind; und
  • c) Aufsetzen von zweiten Kontakterhebungen auf die ersten Kontakterhebungen derart, daß Kontaktbereiche auf dem ersten flexiblen Schaltungsträger mit den ersten und/oder zweiten Kontakterhebungen in Kontakt sind.
Die vorliegende Erfindung schafft eine elektronische Schal­ tung mit
  • - zumindest einem Chip mit Kontaktelektroden, auf denen erste Kontakterhebungen angeordnet sind,
  • - einem ersten flexiblen Schaltungsträger, der eine Trä­ gerfolie und einen auf dieser angeordneten Kontaktbe­ reich aufweist, mit Ausnehmungen, die mit den ersten Kontakterhebungen ausgerichtet sind, die auf dem zu­ mindest einen Chip angeordnet sind; und
  • - zweiten Kontakterhebungen, die auf den ersten Kontakt­ erhebungen derart angeordnet sind, daß der Kontaktbe­ reich des ersten flexiblen Schaltungsträgers mit den ersten und/oder zweiten Kontakterhebungen in Kontakt ist.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß eine platzsparende Kontaktierung eines Chips unter Verwen­ dung von herkömmlichen Drahtbond-Geräten ermöglicht wird.
Gemäß einem weiteren Vorteil ermöglicht die Erfindung ohne Verwendung eines Flip-Chip-Bonders bei Chips mit peripherer Elektrodenanordnung (d. h. bei solchen Chips, bei denen die Elektroden am Rand des Chips angeordnet sind) und bei Chips mit flächig angeordneter Elektrodenkonfiguration (die soge­ nannte Area Configuration) kurze Signalwege.
Ferner ermöglicht die vorliegende Erfindung mehrlagige Kon­ taktierungen ohne Verwendung eines Mehrlagensubstrats.
Wiederum ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung be­ steht darin, daß die Kontaktierung der Chips bei relativ niedrigen Temperaturen durchgeführt wird (max. 200°C, wobei solche Temperaturen beim Drahtbonden bzw. Ball-Bumping üblich sind), wobei hierbei durch den Kontaktierungsvorgang keine Kräfte auf die Trägerfolie ausgeübt werden.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen Chip, auf dem Kontakterhebungen angeordnet sind;
Fig. 2 einen Chip, auf dem ein flexibler Schaltungsträger angeordnet ist;
Fig. 3 einen gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren montierten Chip; und
Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel für die Chipkon­ taktierung gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren.
Anhand der Fig. 1 bis 3 wird im folgenden ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsge­ mäße Chipmontageverfahren näher beschrieben. In den Figuren sind einander entsprechende Elemente mit den glei­ chen Bezugszeichen versehen.
In einem ersten Schritt wird ein zu kontaktierender Chip 100 auf seinen Kontaktelektroden 102 (Pads) mit mechanisch er­ zeugten Kontakterhebungen 104 (Ball-Bumps) versehen. Die sich nach dem ersten Verfahrensschritt ergebende Struktur ist in Fig. 1 dargestellt.
Die aufgebrachten Kontakterhebungen 104 können aus Gold, Kupfer oder Palladium bestehen. Es ist offensichtlich, daß die Kontakterhebungen 104 auch aus einem Lötwerkstoff, wie z. B. PbSn, InSn, SnAg, hergestellt sein können.
Die geometrischen Abmessungen der Kontakterhebungen 104 können sowohl von der Geometrie des verwendeten Werkzeugs, mit dem die Kontakterhebungen 104 auf die Kontaktelektroden 102 aufgebracht werden, als auch von den Bond-Parametern abhängen und über diese verändert werden.
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbei­ spiel der vorliegenden Erfindung umfassen die Kontakterhe­ bungen 104 einen zylindrischen Abschnitt 106 mit einem er­ sten Durchmesser D und einer ersten Höhe h, einen kegelför­ migen Abschnitt 108 mit einem Basisdurchmesser CD und einer zweiten Höhe H-h, wobei der kegelförmige Abschnitt 108 eine Neigung a seiner Seitenflächen aufweist, und einen weiteren zylindrischen Abschnitt 110, der in einen paraboloidförmigen Abschnitt 112 übergeht, mit einem zweiten Durchmesser HD) und einer dritten Höhe h′-H-h. Die oben beschriebenen Abschnitte sind übereinander angeordnet, so daß sich die in Fig. 1 dar­ gestellte Kontakterhebung 104 ergibt.
In einem zweiten Verfahrensschritt wird ein erster flexibler Schaltungsträger 114 auf dem Chip angeordnet. Der erste fle­ xible Schaltungsträger 114 besteht aus einer Trägerfolie 116 und aus einem auf der Trägerfolie 116 angeordneten Kontakt­ bereich 118, der in der Form einer Leiterbahnmetallisierung ausgebildet ist. Die Trägerfolie weist eine Dicke d auf, und die Leiterbahnmetallisierung 118 weist eine Dicke d′-d auf.
Der flexible Schaltungsträger umfaßt Ausnehmungen 120 und 120′, die sich durch die Trägerfolie 116 und die Leiterbahn­ metallisierung 118 erstrecken und die mit den Kontakterhe­ bungen 104 des Chips 100 ausgerichtet sind.
Die sich nach dem zweiten Verfahrensschritt ergebende Struk­ tur ist in Fig. 2 dargestellt.
Wie es in Fig. 2 dargestellt ist, weisen die Ausnehmung 120 in der Trägerfolie 116 und die Ausnehmung 120′ in der Lei­ terbahnmetallisierung 118 bei diesem Ausführungsbeispiel un­ terschiedliche Durchmesser Dh, dh auf. Es ist offensicht­ lich, daß hierbei der Durchmesser der Ausnehmung 120 der Trägerfolie 116 von dem Durchmesser D des untersten Ab­ schnitts 106 der Kontakterhebung 104 abhängt und daß der Durchmesser der Ausnehmung 120′ in der Leiterbahnmetallisie­ rung 118 von dem Durchmesser CD des auf dem untersten Ab­ schnitt 106 der Kontakterhebung 104 angeordneten Abschnitts 108 abhängt. Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbei­ spiel ist die Ausnehmung 120′ der Leiterbahnmetallisierung 118 derart ausgewählt, daß sie einen Durchmesser aufweist, der dem Durchmesser des kegelförmigen Abschnitts 108 der Kontakterhebung 104 entspricht. Bei diesem Ausführungsbei­ spiel entsteht zwischen dem untersten Abschnitt 106 und dem darüber angeordneten Abschnitt 108 ein Vorsprung 122, auf dem der Umfang der Ausnehmung 120′ ruht.
Es ist für Fachleute offensichtlich, daß beispielsweise aus fertigungstechnischen Gründen (z. B. beim Stanzen der Aus­ nehmungen 120, 120′) auch gleich große Ausnehmungen herge­ stellt werden können, wobei deren Größe dann nur dem Durch­ messer D der Kontakterhebung 104 angepaßt sein muß.
Bei der Verwendung einer Kontakterhebung 104, die aus einem Lötwerkstoff besteht, muß die Leiterbahnmetallisierung 118 um die Ausnehmungen 120′ zusätzlich mit einer Lötmittelbe­ grenzung (nicht dargestellt) versehen sein.
In einem dritten Verfahrensschritt werden zweite Kontakter­ hebungen 124 auf die Kontakterhebungen 104 aufgebracht. Das Aufbringen der zweiten Kontakterhebungen 124 erfolgt derart, daß Kontaktbereiche auf dem ersten flexiblen Schaltungsträ­ ger 114, nämlich die Leiterbahnmetallisierungen 118, mit den zweiten Kontakterhebungen 124 und/oder den ersten Kontakter­ hebungen 104 in Kontakt sind.
Die sich nach diesem Verfahrensschritt ergebende Struktur ist in Fig. 3 dargestellt.
Wie es in Fig. 3 zu sehen ist, haben die zweiten Kontakter­ hebungen 124 gemäß diesem Ausführungsbeispiel im wesentli­ chen dieselbe Struktur wie die Kontakterhebungen 104. Die geometrischen Abmessungen der einzelnen zweiten Kontakter­ hebungen 124 können jedoch auch unterschiedlich sein.
Die einzige zwingende Voraussetzung beim Aufbringen der zweiten Kontakterhebungen 124 besteht darin, daß diese die Leiterbahnmetallisierungen 118 auf dem ersten flexiblen Schaltungsträger 114 mit den Kontakterhebungen 104 verbin­ den und damit eine Verbindung der Leiterbahnmetallisie­ rungen 118 zu den Kontaktelektroden 102 des Chips herge­ stellt wird.
Gemäß einem weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbei­ spiel, bei dem die Ausnehmungen 120, 120′ in der Trägerfolie 116 bzw. der Leiterbahnmetallisierung 118 derart gewählt sind, daß diese denselben Durchmesser aufweisen, ist es offensichtlich, daß die zweiten Kontakterhebungen 124 unter­ schiedliche Abmessungen derart aufweisen, daß der Durch­ messer der zweiten Kontakterhebungen 124 ausreichend groß ist, um die Ausnehmung 120 zu überspannen, so daß ein Kon­ takt zwischen der Leiterbahnmetallisierung 118, der Kon­ takterhebung 104 und der Kontaktelektrode 102 sicher herge­ stellt wird.
In Fig. 4 ist eine Struktur dargestellt, die sich gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt. Nach dem Durchführen der oben beschriebe­ nen drei Verfahrensschritte und der damit hergestellten Kon­ taktierung des flexiblen Schaltungsträgers 114 mit dem Chip 100 wird gemäß diesem weiteren Ausführungsbeispiel der zwei­ te und der dritte Schritt wiederholt, so daß eine weitere Kontaktierung eines zweiten flexiblen Schaltungsträgers auf dem bereits kontaktierten ersten Schaltungsträger 114 er­ folgt.
Wie bei dem oben beschriebenen zweiten Verfahrensschritt wird in einem weiteren Verfahrensschritt ein zweiter flexi­ bler Schaltungsträger 114′, der ebenfalls eine Trägerfolie 116′ und eine Leiterbahnmetallisierung 118′ aufweist, auf dem ersten flexiblen Schaltungsträger 114 angeordnet. Dieser zweite flexible Schaltungsträger 114′ weist ebenfalls Aus­ nehmungen 126 und 126′ auf, die mit den zweiten Kontakterhe­ bungen 124 ausgerichtet sind, so daß beim darauffolgenden Schritt, bei dem eine dritte Kontakterhebung 128 auf die zweite Kontakterhebung 124 aufgebracht wird, eine Kontaktie­ rung des ersten und des zweiten flexiblen Schaltungsträgers 114, 114′ bzw. deren Leiterbahnmetallisierungen 118, 118′ erfolgt.
Bei dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Leiterbahnmetallisierung 118′ des zweiten flexiblen Schal­ tungsträgers 114′ über die zweite Kontakterhebung 124 und die Kontakterhebung 104 mit der Kontaktelektrode 102 des Chips 100 verbunden.
Wie es aus Fig. 4 offensichtlich ist, ist es nicht notwen­ dig, daß der zweite flexible Schaltungsträger 114′ die glei­ chen Abmessungen aufweist, wie der erste flexible Schal­ tungsträger 114.
Wie es bereits anhand von Fig. 4 beschrieben wurde, sind auch die Ausnehmungen in dem zweiten flexiblen Schal­ tungsträger 114′, insbesondere die Ausnehmung 126 in der Trägerfolie 116′ und die Ausnehmung 126′ in der Leiterbahn­ metallisierung bezüglich ihren Abmessungen den gleichen Vor­ aussetzungen unterworfen, wie diese bereits anhand von Fig. 2 beschrieben wurde.
Es ist für Fachleute offensichtlich, daß das anhand von Fig. 4 beschriebene Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfin­ dung nicht auf das Aufbringen von zwei flexiblen Schaltungs­ trägern beschränkt ist, sondern daß eine beliebige Anzahl von flexiblen Schaltungsträgern übereinander angeordnet wer­ den kann, wobei dies von der erwünschten Schaltungskonfigu­ ration abhängt.
Ferner ist das anhand von Fig. 4 beschriebene Ausführungs­ beispiel nicht auf die ausschließliche Durchkontaktierung der Leiterbahnmetallisierungen mit den Kontaktelektroden des Chips beschränkt, sondern es ist zusätzlich eine Kontaktie­ rung zwischen den flexiblen Schaltungsträgern möglich, ohne daß eine Durchkontaktierung zum Chip erfolgt.
In dem letzteren Fall wird auf dem ersten flexiblen Schal­ tungsträger an einem vorbestimmten Ort eine Kontakterhebung angeordnet, und der zweite flexible Schaltungsträger weist zusätzliche Ausnehmungen auf, die mit den Kontakterhebungen auf dem ersten flexiblen Schaltungsträger ausgerichtet sind. Anschließend werden auf den zweiten Kontakterhebungen, die auf dem ersten flexiblen Schaltungsträger angeordnet sind, wiederum zweite Kontakterhebungen aufgebracht, so daß sich ein Kontakt zwischen den Leiterbahnmetallisierungen 118, 118′ des ersten flexiblen Schaltungsträgers 114 und des zweiten flexiblen Schaltungsträgers 114′ ergibt.
Es ist für Fachleute offensichtlich, daß die Trägerfolien 116, 116′ der flexiblen Schaltungsträger aus einem isolie­ renden Material bestehen, so daß ein Kurzschluß der Kontakt­ elektroden 102 auf dem Chip bzw. ein Kurzschluß der Leiter­ bahnmetallisierungen auf den verschiedenen Schaltungsträgern vermieden wird.

Claims (11)

1. Verfahren zur Montage eines Chips auf einem flexiblen Schaltungsträger, mit folgenden Verfahrensschritten:
  • a) Aufbringen von ersten Kontakterhebungen (104) auf Kontaktelektroden (102) des Chips (100); und
  • b) Anordnen eines ersten flexiblen Schaltungsträgers (114) auf dem Chip (100), wobei der flexible Schal­ tungsträger (114) Ausnehmungen (120, 120′) aufweist, die mit den Kontakterhebungen (104) ausgerichtet sind; dadurch gekennzeichnet, daß in einem auf den Schritt b) folgenden weiteren Ver­ fahrensschritt zweite Kontakterhebungen (124) auf die ersten Kontakterhebungen (104) derart aufgesetzt werden, daß Kontaktbereiche (118) auf dem ersten flexiblen Schaltungsträger (114) mit den ersten und/oder zweiten Kontakterhebungen (104, 124) in Kontakt sind.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Verfahrens­ schritte b) und c) mehrfach durchgeführt werden, so daß sich eine mehrlagige Struktur mit einer Mehrzahl von flexiblen Schaltungsträgern (114, 114′) ergibt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die ersten Kontakterhebungen (104) einen zylindrischen Abschnitt (106) mit einem Durchmesser (D) und einer ersten Höhe (h), einen kegelförmigen Abschnitt (108) mit einem Basisdurchmesser (CD) und einer zweiten Höhe (H-h), wobei der kegelförmige Abschnitt eine erste Neigung (a) seiner Seitenfläche aufweist, und einen weiteren zylin­ drischen Abschnitt (110), der in einen paraboloidförmigen Abschnitt (112) übergeht, mit einem zweiten Durchmesser (HD) und einer dritten Höhe (h′-H-h), die übereinander angeordnet sind, aufweist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die zweiten Kontakterhebungen (124) die gleiche Struktur wie die ersten Kontakterhebungen (104) haben.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der flexible Schaltungsträger (114) aus einer Trägerfolie (116) und einem auf der Trägerfolie (116) angeordneten Kontaktbereich (118) besteht.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Ausnehmungen (120, 120′) in dem flexiblen Schaltungs­ träger (114) in der Trägerfolie (116) und in den Kon­ taktbereichen (118) die gleichen Abmessungen aufweisen.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Ausnehmungen (120, 120′) in dem flexiblen Schaltungs­ träger (114) in der Trägerfolie (116) und in den Kon­ taktbereichen (118) unterschiedliche Durchmesser (Dh, dh) aufweisen, wobei die Größe der Ausnehmung (120) der Trägerfolie (116) von dem Durchmesser (D) des untersten Abschnitts (106) der Kontakterhebungen (104) abhängt, wobei die Größe der Ausnehmung (120′) in dem Kontaktbe­ reich (118) von dem Durchmesser (CD) des auf dem un­ tersten Abschnitt (106) der Kontakterhebungen (104) an­ geordneten Abschnitts (108) der Kontakterhebungen (104) abhängt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, bei dem im Verfahrensschritt c) die zweiten Kontakterhebungen (124) auch auf dem flexiblen Schaltungsträger (114) auf dessen Kontaktbereich (118) angeordnet werden, so daß beim Auf­ bringen eines zweiten flexiblen Schaltungsträgers (114′), dessen Ausnehmungen (126, 126′) mit den ersten und zweiten Kontakterhebungen (104, 124) ausgerichtet sind, und beim Aufbringen von dritten Kontakterhebungen (128) auf die zweiten Kontakterhebungen (124) eine Kon­ taktierung des ersten und des zweiten flexiblen Schal­ tungsträgers (114, 114′) erfolgt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem die Kontakterhebungen (104, 124, 128) aus Gold, Kupfer oder Palladium bestehen.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem die Kontakterhebungen (104, 124, 128) aus einem Lötmittel bestehen, und bei dem der Kontaktbereich (118, 118′) um die Ausnehmungen herum eine Lötmittelbegrenzung auf­ weisen.
11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die Lötmittel PbSn, InSn oder SnAg einschließen.
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