Alles zur Flip-Chip-Technologie

Startseite Kolumnist Grundlagen der Elektronik Alles zur Flip-Chip-Technologie

2024-03-21 2843

Einführung in die Halbleiterverpackungstechnologie

Diejenigen, die in der Halbleiterindustrie, insbesondere in der Halbleiterverpackung, tätig sind, sind zwangsläufig mit mehreren Verpackungsprozessen vertraut, nämlich Chipbonden, Drahtbonden und Flip-Chip-Bonden.

Unter diesen sind Drahtbonden und Flip-Chip-Bonden am häufigsten. Aufgrund ihrer Einschränkungen wird die Tape Automated Bonding (TAB)-Technologie bei Verpackungen nach und nach aus dem Verkehr gezogen.

Bei der Flip-Chip-Bonding-Technologie werden Komponenten miteinander verbunden, indem die Bumps des Chips direkt nach unten auf ein Substrat, einen Träger oder eine Leiterplatte gebondet werden. Im Gegensatz dazu wird beim Drahtbonden der Chip mit der Leiterplatte verbunden, indem die Vorderseite des Chips nach oben zeigt und Drähte (meist Golddrähte) verwendet werden.

Drahtbonden, Tape Automated Bonding und Flip-Chip-Bonden haben jeweils ihre eigenen Eigenschaften. Unter anderem erfreut sich das Flip-Chip-Bonding aufgrund seiner kompakten Struktur und hohen Zuverlässigkeit in der Verpackungsindustrie immer größerer Beliebtheit.

Was ist Flip-Chip-Technologie?

Die Flip-Chip-Technologie hat ihren Ursprung bei IBM, das 1960 das Verfahren zum Erzeugen von Bumps auf Chips für das Flip-Chip-Löten entwickelte. Dabei wurden die Bumps mit 95Pb5Sn umgeben, das galvanisierte NiAu-Bumps umhüllte. Später wurden PbSn-Bumps verwendet, die die Controlled Collapse Component Connection (C4)-Technologie nutzten, die ursprünglich für ihre großen Großrechner als äußerst zuverlässige Verpackungstechnik entwickelt wurde. C4-Chips weisen hervorragende elektrische und thermische Eigenschaften auf, wobei die Lebensdauer der Verpackung um mindestens das Zehnfache verbessert wird.

Nach der erfolgreichen Anwendung der C4-Technologie durch IBM führten spätere technologische Fortschritte dazu, dass einige Halbleiterunternehmen die C4-Technologie optimierten und aktualisierten. Dazu gehört die Entwicklung von Al-Bumps durch Fairchild und die Einführung der Au-Bump-Technologie durch Amelco.

Die Halbleiterverpackungstechnologie hat sich von Quad Flat Package (QFP) über Ball Grid Array (BGA)-Verpackungen bis hin zur neuesten Chip Scale Package (CSP)-Verpackung weiterentwickelt.

Das folgende Diagramm zeigt Geräte, die mit herkömmlichen QFP-, BGA- und anderen Technologien verpackt sind.

Mit der allmählichen Verkleinerung von Halbleiterchips steigt die Nachfrage nach Chip-Packaging-Technologie und treibt die Packaging-Technologie in Richtung Wafer-Level- und Packaging-Entwicklung voran.

Beim Verpacken herkömmlicher Chips besteht der übliche Prozess darin, den Wafer in einzelne Chips zu zerteilen und anschließend jeden Chip einzeln zu verpacken. Mit der Weiterentwicklung der Verpackungstechnologie gibt es bei der neuesten Halbleiterverpackung einen Trend zur Integration von Verpackungsprozessen in Halbleiterprozesse. Dabei werden Chips einheitlich auf Wafern verpackt, bevor sie in Würfel geschnitten werden, um unabhängige Chips mit höherer Zuverlässigkeit zu erzeugen.

Mit der ausgereiften Anwendung der Flip-Chip-Technologie übersteigt der weltweite Verbrauch von Flip-Chip-Komponenten derzeit 600,000 Einheiten pro Jahr und wächst mit einer Rate von etwa 50 %. 3 % der Waferverpackung werden für die Flip-Chip-Bumping-Technologie verwendet, und es wird erwartet, dass dieser Anteil in einigen Jahren 20 % überschreiten wird.

Flip-Chip-Komponenten werden hauptsächlich in Halbleiterbauelementen verwendet. Einige Komponenten, wie passive Filter, Sensorantennen und Speichermodule, beginnen ebenfalls mit der Einführung der Flip-Chip-Technologie. Da Chips über Bumps direkt mit Substraten und Trägern verbunden sind, werden Flip-Chip-Komponenten genauer als Flip-Chip-Komponenten bezeichnet

Direct Chip Attach (DCA). Im Diagramm unten sind elektronische Produkte wie CPUs und Speichermodule die am häufigsten verwendeten Geräte, die die Flip-Chip-Technologie verwenden.

Die Abbildung zeigt die Verbindung zwischen Speicherchip und Platine in einem Speichermodul mittels Flip-Chip-Technologie, wobei der Chip mit Underfill-Kleber auf der Platine befestigt wird.

Bei typischen Flip-Chip-Gehäusen ist der Chip über 3 bis 5 Mil (1 Mil = 25 Mikrometer) dicke Löthöcker mit dem Chipträger verbunden, wobei an der Unterseite Unterfüllmaterial zum Schutz der Löthöcker dient. Das folgende Diagramm zeigt eine typische Flip-Chip-Verbindung, bei der der Chip mithilfe der Flip-Chip-Technologie mit dem darunter liegenden Substrat verbunden ist.

Bei der Flip-Chip-Verbindung in Halbleiterchips gibt es viele Vor- und Nachbearbeitungsschritte. Die folgenden Details erläutern den Prozess der Flip-Chip-Technologie:

Schritt eins: Under-Bump-Metallisierung (UBM)

Der erste Schritt bei der Flip-Chip-Verbindung besteht darin, eine Under-Bump-Metallisierung (UBM) auf der Chipoberfläche zu erzeugen. Das Wesen der Flip-Chip-Verbindung liegt in der Verbindung zwischen den Bumps auf dem Chip und den Bumps (Pads) auf dem Substrat. Es gibt mehrere Möglichkeiten, die Halbleiteroberfläche zu metallisieren:

(a) Sputtern: Durch Sputtern werden dünne Filme Schicht für Schicht auf dem Siliziumwafer abgeschieden, gefolgt von der Strukturierung des UBM-Layouts durch Fotolithographie und dem Wegätzen der nicht strukturierten Teile.

(b) Verdampfung: Unter Verwendung einer Maske werden durch Verdampfung Schichten auf dem Siliziumwafer abgeschieden. Bei dieser selektiven Abscheidung werden Masken verwendet, die der Bildung der Höcker entsprechen.

(c) Stromloses Plattieren: Nickel wird mithilfe eines stromlosen Plattierverfahrens selektiv auf Al-Lötpads plattiert. Die Al-Oberfläche wird häufig mit einem Zinksalzverfahren behandelt. Diese Methode erfordert keine Vakuum- oder Lithographieausrüstung, was zu geringeren Kosten führt. Das folgende Diagramm veranschaulicht den Prozess der Under-Bump-Metallisierung (UBM) auf Halbleiterchips.

Aufgrund der Anwesenheit einer Oxidschicht auf der Oberfläche des Aluminium-Lötpads kann die Metallbeschichtung nicht auf der oxidierten Oberfläche haften. Daher ist es notwendig, die Aluminiumoberfläche entsprechend zu behandeln, um die Oxidschicht zu entfernen.

Eine gängige Methode ist die Verzinkung des Aluminium-Lötpads, bei der eine Zinkschicht auf der Aluminiumoberfläche abgeschieden wird, um Oxidation zu verhindern. Ein Nachteil des Verzinkungsprozesses besteht darin, dass das Aluminium durch die Galvanisierungslösung auch korrodieren kann. Daher ist ein zweiter Verzinkungsprozess erforderlich, bei dem etwa 0.3–0.4 mm Aluminium korrodiert werden. Beim Verzinkungsprozess lagert sich Zink auf der Aluminiumoberfläche ab, während gleichzeitig die Aluminium- und Aluminiumoxidschicht korrodiert. Die dünne Zinkschicht schützt das Aluminium vor weiterer Oxidation.

Im Anschluss an den Verzinkungsprozess wird für die UBM-Abscheidung weiterhin eine chemische Vernickelung eingesetzt, wobei metallisches Nickel als Barriere gegen Diffusion/Verbindung dient. Nickel hat eine sehr geringe Diffusionsgeschwindigkeit und reagiert nahezu nicht mit dem Lot, was es ideal als UBM-Metall für eutektisches Lot macht. Die chemische Vernickelung kann sowohl für die UBM-Metallabscheidung als auch für die Bump-Bildung verwendet werden. Einige Flip-Chip-Bumps können vergoldet sein, was die Zuverlässigkeit aufgrund der guten Leitfähigkeit und Oxidationsbeständigkeit von Gold erhöht.

Schritt zwei: Reflow, um Unebenheiten zu bilden

Es gibt verschiedene Methoden zur Bildung von Löthöckern, darunter Verdampfen, Galvanisieren, Drucken, Stud Bumping, Ball Drop und Lotübertragung, wobei Galvanisieren und Drucken weit verbreitet sind.

Nach der Metallisierung der Bumps auf der Halbleiteroberfläche werden Reflow-Öfen verwendet, um die Flip-Chip-Bumps zu bilden.

Der allgemeine Prozess des Aufschmelzens zur Bildung von Unebenheiten ist im Diagramm unten dargestellt.

Der spezifische Prozess der Bildung von Löthöckern durch Galvanisieren wird im folgenden Diagramm veranschaulicht:

Das am häufigsten verwendete Material für Bumps ist die Pb/Sn-Legierung, da sie gute Reflow-Löteigenschaften aufweist und für die industrielle Produktion geeignet ist.

Neben der üblicherweise verwendeten Pb/Sn-Legierung werden auch andere Höckermaterialien wie Au/Ni-Legierungen verwendet. Um eine zuverlässige Verbindung zu gewährleisten, ist der Under Bump

Die Metallisierung (UBM) muss mit der für die Bumps verwendeten Legierung kompatibel sein. Ein UBM, das für einen hohen Bleigehalt geeignet ist, muss nicht unbedingt für Lot mit hohem Zinngehalt geeignet sein. Beispielsweise ist eine Cu-Benetzungsschicht für bleihaltiges Lot mit 3–5 % Zinn geeignet, nicht jedoch für Lot mit hohem Zinngehalt, da Cu schnell mit Sn reagiert und intermetallische Sn-Cu-Verbindungen bildet. Wenn das Cu vollständig verbraucht ist, benetzt das Lot den Lotbereich nicht.

Das folgende Diagramm zeigt Flip-Chip-Verbindungen mit unterschiedlichen Bump-Materialien.

Das unter einem Rasterelektronenmikroskop beobachtete Erscheinungsbild der auf der Oberfläche des Chips gebildeten Unebenheiten ist im folgenden Diagramm dargestellt:

Das linke Bild im Diagramm zeigt den Bump-Status vor dem Reflow (hohe Temperatur), während das rechte Bild den Bump-Status nach der Einwirkung hoher Temperaturen zeigt, bei dem die Bumps schmelzen und eine Kugelform bilden.

Chemische Beschichtung (UBM) und Schablonendruckverfahren sind kostengünstige Methoden zur Bump-Vorbereitung in industriellen Anwendungen.

Das Folgende ist der Prozessablauf für den Schablonendruck von Unebenheiten und das Erscheinungsbild der Unebenheiten nach der Fertigstellung.

Schritt 3: Flip-Chip-Montage

Bei diesem Prozess werden die Chips mit fertigen Bumps durch Flip-Chip-Bonding mit dem Trägersubstrat verbunden.

Die gebräuchlichste Methode zur Verbindung des Chips mit dem Träger ist die Thermokompressions-Bonding-Technik, wobei Gold das am besten geeignete Bump-Material ist.

Bumps können mit traditionellen Galvanisierungsmethoden oder durch den Einsatz von Stud-Bumping erzeugt werden, einer Technik, die üblicherweise in der Drahtbondtechnologie verwendet wird.

Für das Thermokompressionsbonden eignet sich dieses Verfahren nur für starre Substrate wie Aluminiumoxid oder Silizium, da es einen hohen Druck und eine hohe Temperatur erfordert.

Darüber hinaus muss das Substrat eine hohe Ebenheit beibehalten und der Thermokompressionskopf muss eine hohe Genauigkeit der parallelen Ausrichtung aufweisen. Um unnötige Schäden an Halbleitermaterialien zu vermeiden, sollte während des Prozesses ein gewisser Druckgradient angelegt werden.

Schritt 4: Unterfüllen und Aushärten

Nach dem Flip-Chip-Bonden wird die Verbindung zwischen Chip und Substrat hergestellt. Um die Stabilität der Flip-Chip-Baugruppe zu erhöhen, wird zwischen Chip und Substrat ein Underfill-Kleber aufgetragen. Der Underfill-Prozess ist im folgenden Diagramm dargestellt:

Das Bodenfüllmaterial zwischen Chip und Substrat verbessert die Beständigkeit gegen thermische Ermüdung erheblich, die ohne Bodenfüllung ansonsten das größte Zuverlässigkeitsproblem der Flip-Chip-Technologie darstellen würde.

(a) Das untere Füllmaterial verteilt die konzentrierte Spannung auf das Einkapselungsmaterial des Chips.

(b) Es kann das Kriechen des Lots verhindern und die Festigkeit und Steifigkeit der Flip-Chip-Verbindung erhöhen.

(d) Es ermöglicht dem Chip, mechanischen Vibrationen und Stößen standzuhalten.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Zuverlässigkeit von Flip-Chip-Verbindungen durch die Nichtübereinstimmung des Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) zwischen Substrat und Chip sowie durch die Höhe der Lötstellen und den maximalen Abstand zwischen ihnen beeinflusst wird. Risse im Verbindungsbereich entstehen typischerweise beim Abkühlen von der Verbindungstemperatur.

Aufgrund des hohen Schmelzpunkts von Gold ist es im Vergleich zum Lot weniger anfällig für Ermüdungsschäden. Daher sollte die Zuverlässigkeit kein wesentliches Problem darstellen, solange die Belastung während des Temperaturwechsels die Verbindungsfestigkeit zwischen dem Bump und dem Lötpad nicht überschreitet.

Das untere Füllmaterial zwischen Chip und Substrat verbessert die Widerstandsfähigkeit der Verbindung gegenüber thermischer Ermüdung erheblich. Ohne dieses Material wäre thermische Ermüdung das größte Zuverlässigkeitsproblem der Flip-Chip-Technologie.

Die Flip-Chip-Montage eignet sich besonders für Hochfrequenzanwendungen, da der Verbindungsweg zwischen Chip und Substrat sehr kurz ist. Die Serienimpedanz von Flip-Chip-Lötverbindungen beträgt etwa 1 mW und die Serieninduktivität beträgt 0.025 nH, viel niedriger als die 5–10 nH beim Drahtbonden.

Gerade durch diese Vorteile der Flip-Chip-Montage kann die Signalübertragungsverzögerung deutlich reduziert werden.

Vor- und Nachteile der Flip-Chip-Technologie:

Vorteile:

(a) Geringe Größe: Das kleine IC-Pin-Layout (nur 5 % der flachen Gehäuse) reduziert Höhe und Gewicht.

(b) Funktionserweiterung: Durch den Einsatz der Flip-Chip-Technologie kann die Anzahl der I/Os erhöht werden. Im Gegensatz zum Drahtbonden sind I/Os nicht auf die Peripherie des Chips beschränkt. Flächenarrays können auf kleinerem Raum mehr Verbindungen für Signale, Strom usw. unterbringen. Typische Flip-Chip-Pads können 400 erreichen.

(c) Leistungssteigerung: Kurze Verbindungsabstände reduzieren Induktivität, Widerstand und Kapazität und sorgen so für eine geringere Signalverzögerung, eine gute Hochfrequenzleistung und bessere Wärmepfade von der Rückseite des Chips.

(d) Verbesserte Zuverlässigkeit: Epoxidfüllung für große Späne sorgt für hohe Zuverlässigkeit. Flip-Chips können die Anzahl der Verbindungspins um zwei Drittel reduzieren.

(e) Verbesserte Wärmeableitung: Flip-Chips ohne Kapselung ermöglichen eine effektive Kühlung der Chiprückseite.

(f) Niedrige Kosten: Massenproduzierte Unebenheiten senken die Kosten.

Nachteile:

(a) Nackte Chips sind schwer zu testen.

(b) Begrenzte Anpassungsfähigkeit von Chips mit Stößen.

(d) Zur Erkennung unsichtbarer Lötstellen sind Röntgeninspektionsgeräte erforderlich.

(e) Schlechte Kompatibilität mit SMT-Prozessen.

(f) Schwierige Handhabung des unbestückten Chips.

(g) Erfordert eine hohe Montagegenauigkeit.

(h) Die derzeitige Verwendung der Bodenfüllung erfordert eine gewisse Aushärtezeit.

(i) Einige Substrate weisen eine geringe Zuverlässigkeit auf.

(j) Eine Reparatur ist schwierig oder unmöglich.

Damit ist die Einführung in die Flip-Chip-Technologie abgeschlossen.

Alles über Bipolar-Junction-Transistoren (BJTs)

Weiter

Fünf gängige Sensortypen im Bereich der industriellen Automatisierung