DE69312196T2 - Verfahren zur Vorbereitung der Montage eines Chips auf einem Substrat - Google Patents

Verfahren zur Vorbereitung der Montage eines Chips auf einem Substrat

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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Flip-chip-Montage eines Chips auf einer Fläche eines Trägersubstrats, das im allgemeinen aus einem isolierenden Keramikmaterial mit Leiterbahnen besteht. Die Flip- Chip-Montage ist bekannt, sie führt zu einem Aufbau, bei dem diejenige Seite des Chips, die die Zugänge des Chips aufweist, dem Trägersubstrat gegenüberliegt.
  • Es ist bekannt, eine Flip-Chip-Montage mit Hilfe der sogenannten "Ball-Bonding"-Technik durchzuführen, die darin besteht, elektrische Verbindungen mit Hilfe von Golddrähten herzustellen, von denen ein Ende zum Beispiel mittels eines Lichtbogens geschmolzen wurde, um eine kleine Kugel zu bilden. Bei einem Chip wird diese Kugel dann auf einen Zugang des Chips gedrückt, um einen Kontaktklotz zu bilden, der mit der gewünschten Stelle des Trägersubstrats in Kontakt gebracht wird, auf der der Chip montiert werden soll. So ist aus der PCT-Anmeldung WO/A 91/00619 bekannt, an jedem Zugang eines Chips eine Goldkugel anzuschweißen, die durch Schmelzen des Endes eines Golddrahts erhalten wurde, und dannden Draht in einem bestimmten Abstand von der Kugel abzutrennen. Der Chip hat dann an jedem seiner Zugänge eine Goldkugel und einen Golddraht, der im wesentlichen senkrecht zu der Seite des Chips angeordnet ist, die die Zugänge trägt. Der so vorbereitete Chip soll auf ein Trägersubstrat montiert werden, das mit drei metallbeschichteten Löchern versehen ist, die so angeordnet sind, daß sie je einen der Golddrähte aufnehmen, der mit den Wänden des metallbeschichteten Lochs inkontakt kommt, in das er eingeführt wird. Mit einem so hergestellten Chip ist es sehr schwierig, die Montage auf dem Trägersubstrat durchzuführen, da die Golddrähte die Neigung haben, nicht genau senkrecht zur die Zugänge tragenden. Seite zu bleiben, so daß es unmöglich wird, sie gleichzeitig in die Löcher des Trägersubstrats einzuführen.
  • Außerdem ist aus der Druckschrift IBM TDB Vol 26 Nº 3B, August 1983, Seite 1548 bekannt, eine Montage durchzuführen, bei der aufgrund der Probleme der Wärmeableitung Chips mit ihrer Rückseite auf einen Kühlkörper aufgelegt und mit ihrer Vorderseite in einem bestimmten Abstand zur Fläche eines Substrats montiert werden; jedem Zugang des Chips ist eine von einem drahtförmigen Leiter verlängerte Lötkugel zugeordnet, wobei die Länge des Leiters unter Berücksichtigung des Abstands Chip-Substrat ausreicht, um sein freies Ende an der gewünschten Stelle des Substrats auflöten zu können. Genauer gesagt, handelt es sich nicht um die Montage eines Chips auf einem Substrat, sondern um die Montage eines Chips auf einem Kühlkörper und eines Kühlkörpers auf einem Substrat. Die Anwendung dieser Technik ist schwierig, da der Kühlkörper eine starke Behinderung darstellt, wenn die freien Enden der drahtförmigen Leiter auf das Substrat gelötet werden sollen.
  • Die vorliegende Erfindung hat zum Ziel, diese Nachteile zu vermeiden oder zumindest zu verringern.
  • Dies wird dadurch erreicht, daß der Chip anders vorbereitet wird, indem die Golddrähte bei der Montage des Chips kein Hindernis mehr darstellen, sondern als Markierungen dienen, um den Chip bei seiner Montage auf einem Trägersubstrat zu positionieren.
  • Erfindungsgemäß wird dies durch das im Anspruch 1 beschriebene Montageverfahren erreicht.
  • Nachfolgend werden die vorliegende Erfindung und weitere Merkmale anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
  • Die Figuren 1 bis 6 zeigen Herstellungsstufen eines Chips mit dem Ziel seiner Montage auf einem Substrat.
  • Die Figuren 7 bis 9 zeigen Schritte der Montage eines gemäß den Herstellungsschritten der Figuren 1 bis 6 hergestellten Chips auf ein Trägersubstrat.
  • In den verschiedenen Figuren tragen gleiche Elemente gleiche Bezugszeichen. Außerdem wurden in manchen Figuren aufgrund einer besseren Sichtbarkeit und somit eines besseren Verständnisses die realen Abmessungen nicht eingehalten.
  • Figur 1 ist ein Teilschema im Schnitt einer Maschine zur Durchführung des "Ball-Bonding", das eine Drahtöse C und eine Elektrode C zeigt. Die Drahtöse wird auch Kapillare genannt aufgrund der Tatsache, daß sie ein sehr kleines Loch aufweist, das dazu dient, das Ende eines Golddrahts A in die Nähe der Elektrode E zu bringen. Dieser Golddraht A, der im beschriebenen Beispiel einen Durchmesser von 25 µm hat, kommt von einer Spule und ist mit einer der Klemmen eines nicht dargestellten Stromgenerators verbunden, dessen andere Klemme mit der Elektrode E yerbunden ist, um zwischen dem Ende des Go lddrahts und der Elektrode einen Lichtbogen zu erzeugen. Es gibt andere Maschinen für die Durchführung des "Ball-bonding", bei denen die Vorrichtung zur Erzeugung eines Lichtbogens durch einen Lötkolben ersetzt ist. Der Kopf des Lötkolbens befindet sich an der Stelle der Elektrode E und seine Flamme ist auf das Ende des Drahts A gerichtet.
  • Der Lichtbogen läßt das Ende des Drahts A schmelzen, was eine wie in Figur 2 dargestellte Kugel erzeugt. Diese Kugel hat im beschriebenen Beispiel einen Durchmesser von etwa 50 µm.
  • Die Kugel B wird dann auf einen der Zugänge eines Chips gelötet, wie es die Schnittdarstellung der Figur 3 zeigt. Zu diesem Zweck wird der Chip vorher auf einem Zwischensubstrat 5 angeordnet, das auch Werkzeugsubstrat genannt wird. Das Zwischensubstrat wird auf einer in Figur 3 nicht dargestellten Heizplatte T angeordnet, die aber in Figur 5 zu sehen ist. Die Drahtöse C wird gemäß dem Pfeil F1 abgesenkt, um die Kugel B auf die gewählte Stelle des Chips 1 zu drücken. Während der Lötvorgänge ist eine nicht dargestellte Quelle von Ultraschallwellen einstellbaren Pegels miü der Drahtöse C verbunden, um die Lötvorgänge zu erleichtern.
  • Figur 4 zeigt, daß in der Folge der Arbeitsgänge ein Teil des Golddrahts A, der fest mit der Kugel B verbunden ist, aus der Drahtöse C herausgezogen wird und daß die Drahtöse gemäß dem Pfeil F2 abgesenkt wird, um den Draht A aüf das Zwischensubstrat 5 zu pressen und seine Lötbefestigung auf der Goldschicht zu gewährleisten, die das Substrat 5 auf seiner mit dem Chip 1 in Verbindung stehenden Seite aufweist. Nach diesem Anlöten des gequetschten Drahts wird die Drahtöse angehoben, während gleichzeitig eine Zange J, die mit der Drahtöse fest verbunden ist und nur in Figur 4 zu sehen ist, sich schließt und den Draht blockiert. Dies führt zu einem Abreißen des Golddrahts am Ausgang der Drahtöse C. Es ist anzumerken, daß dieser Lötvorgang absichtlich unvollständig durchgeführt wird durch Einstellung des Quetschdrucks, des Pegels und der Dauer der Ultraschallwellen, um sie anschließend leicht "abheben" zu können.
  • Figur 5 zeigt die durch die Kugel B hergestellte Verbindung und ein Drahtsegment D zwischen dem Chip 1 und dem Zwischensubstrat 5. Es handelt sich um die Verbindung, die gemäß dem anhand der Figuren 1 bis 4 beschriebenen Verfahren erhalten wurde. Figur 5 ist eine Schnittansicht, aus der man erkennt, wie der Chip 1 und das Zwischensubstrat auf einer Heizplatte T angeordnet sind, die auf 110ºC aufgeheizt wurde, um die anhand der Figuren 3 und 4 beschriebenen Vorgänge durchzuführen: Die Heizplatte T und das Zwischensubstrat 5 besitzen je ein Loch, und die beiden Löcher sind übereinander angeordnet. Der Chip 1 ist auf dem Zwischensubstrat 5 oberhalb der beiden Löcher angeordnet. Eine Saugpumpe P, die sich unter der Platte 5 befindet und einen durch einen Pfeil V dargestellten Unterdruck erzeugt, hält die Einheit aus Chip und Zwischensubstrat auf der Heizplatte an Ort und Stelle.
  • Nachdem die Verbindungen mit jedem der Zugänge des Chips 1 hergestellt wurden, wird der Chip von seinem Zwischensubstrat getrennt und sieht aus wie in der Figur 6 dargestellt, in der sechs Einheiten aus Kugel und Drahtsegment wie z.B. die Einheit Bi-Di zu sehen sind. Diese Trennung ist möglich aufgrund der unvollkommenen Verlötung, die im in Figur 4 gezeigten Schritt des Verfahrens hergestellt wurde. Es ist anzumerken, daß die Drahtsegmente Di senkrecht zum dem Zugang am nächsten liegenden Rand angeordnet sind, an den die Kugel angelötet ist, mit der sie fest verbunden sind.
  • Da das Verfahren es ermöglichen soll, eine Flip-Chip- Montage durchzuführen, kann es mit dem Erhalt des Chips gemäß Figur 6 enden. Ein solcher Chip kann nämlich für die spätere Flip-Chip-Montage in den Handel gebracht werden. Aufgrund der Drahtsegmente Di kann man nämlich den Chip leicht auf dem Trägersubstrat positionieren und die Kugeln Bi gewährleisten eine gute Lötverbindung zwischen den Zugängen des Chips und den gegenüberliegenden Punkten des Trägersubstrats.
  • Das Verfahren kann auch in der nachfolgend beschriebenen und in den Figuren 7, 8 und 9 gezeigten Weise weitergeführt werden, um eine Flip-Chip-Montage bis zu ihrem Ende durchzuführen.
  • Durch Serigraphie mit Hilfe einer Schablone M, die durch Fotogravur hergestellt wurde, wird eine Lötpaste an den Stellen eines Trägersubstrats aufgebracht, die mit den Goldkugeln Bi des Chips 1 in Kontakt kommen sollen. Die Schablone M ist in Figur 7 ohne ihren Rahmen dargestellt; sie ermöglicht das Aufbringen der Lötpaste an den gewünschten Stellen des Trägersubstrats und besitzt zu diesem Zweck Löcher Qi, die durch Fotogravur erhalten wurden.
  • Figur 8 zeigt einen Teil eines Trägersubstrats 2, das den Chip gemäß Figur 6 aufnehmen soll und das zu diesem Zweck Leiterbahnen Hi aufweist. Auf das Substrat 2 sind kleine Flecken von Lötpaste Gi an verschiedenen Stellen seiner Oberfläche aufgebracht, was mit Hilfe der Schablone aus Figur 7 erreicht wurde. In Figur 8 sind diese Flecken durch kleine gestrichelte Flächen dargestellt. Im beschriebenen Beispiel ist die Lötpaste eine Mischung aus 88% Metall und 12% eines Bindemittel und Harz, mit 80% Indium, 15% Blei und 5% Silber im Metall.
  • Figur 9 zeigt den Chip 1 der Figur 6 in seiner Stellung auf dem Trägersubstrat 2 aus Figur 8, das selbst auf einer Heizplatte T angeordnet ist, die durch einen gestrichelten Umriß dargestellt ist, der nur einen Teil der Heizplatte bildet; diese Platte wird auf 170ºC erhitzt. Wie in dieser Figur zu sehen, bilden die Drahtsegmente Di gute Markierungen, um den Chip 1 auf seinem Trägersubstrat 2 zu positionieren. Die Heizplatte T dient dazu, die Lötpaste zu schmelzen und so Lötstellen in Höhe der Ablagerungen von Lötpaste zu bilden, d.h. da, wo die Kugeln Bi des Chips 1 und die Leiterbahnen des Trägersubstrats 2 in Kontakt sind. Die so erhaltene Montage wird ggf. mit einem Schutzharz bedeckt oder von einem versiegelten Isolierdeckel geschützt.
  • Andere, Verfahren, die nicht beansprucht werden, werden nachfolgend beschrieben. Das Zwischensubstrat ist nicht unbedingt notwendig, da der Chip gemäß Figur 6 durch Anlöten von Kugeln Bi hergestellt werden kann, an denen man die Drahtsegmente Di befestigt läßt, indem einfach der Golddraht, der von der Drahtöse der Maschine zur Durchführung des "Ball-Bonding" kommt, auf die gewünschte Länge abgeschnitten wird und indem dieses Drahtsegment gefaltet wird, um es in eine vorbestimmte Position zu bringen.
  • Auch kann das Montageverfahren durchgeführt werden, indem nur eine Kugel je Zugang des Chips aufgelötet wird, d.h. ohne Drahtsegment, aber in diesem Fall ist es schwieriger, den Chip bei der Endphase der Flip-Chip-Montage zu positionieren, und eine Maschine zur Positionierung dieses Chips wird unbedingt nötig.

Claims (3)

1. Verfahren für die Flip-Chip-Montage eines Chips auf eine Fläche eines Trägersubstrats, wobei die Seite des Chips, die di,e Zugänge des Chips trägt, vor der Fläche des Tragersubstrats liegt, und wobei gemäß diesem Verfahren zuerst an jedem Zugang des Chips eine Goldkugel (B; Bi) angelötet wird, ,die durch Schmelzen des Endes eines Golddrahts (A) erhalten wurde, indem die Gol dkugel auf den betreffenden Zugang gepreßt wird, dadurch gekennzeichnet, daß dann der Chip (1) auf einem Zwischensubstrat (5), genannt Werkzeugsubstrat, angeordnet und in unvollkommener Weise eine Verlötung zwischen einem vorbestimmten Punkt des Werkzeugsubstrats und einem Teil des Golddrahts durchgeführt wird, der sich in einem bestimmten Abstand von der betreffenden Kugel (B) befindet, daß dann der Golddraht abgetrennt wird, um nur ein Segment des Golddrahts zu behalten, wobei dieses Segment auf die Goldkugel und die unvollkommene Lötstelle begrenzt ist, und daß man den Chip (1) vom Werkzeugsubstrat (5) trennt, indem die unvollkommenen Lötstellen abgelöst werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Werkzeugsubstrat ein mit einem Loch versehenes Werkzeugsubstrat (S) verwendet wird, daß man eine mit einer Ansaugvorrichtung (P) versehene Heizplatte (T) verwendet und die Positionierung durchführt, indem das Loch des Werkzeugsubstrats oberhalb der Ansaugvorrichtung und der Chip (1) oberhalb des Lochs angeordnet wird.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf das Trägersubstrat (2) in leitenden Zonen, die mit den Zugängen des Chips in Kontakt gelangen sollen, eine Lötpaste (Gi) aufgebracht wird, daß man dann den Chip (1) auf dem Trägersubstrat positioniert, um Einheiten zu erhalten, die aus einer der Goldkugeln (Bi), Lötpaste (Gi) und einer der leitenden Zonen bestehen, und daß man schließlich in Höhe dieser Einheiten die Paste zum Schmelzen bringt.
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