DE19504351C2 - Verfahren zur Substratfixierung von elektronischen Bauelementen - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur temporä­ ren Fixierung eines erhöhte Kontaktmetallisierungen aufweisen­ den elektronischen Bauelements auf einem mit Anschlußflächen versehenen Substrat für eine nachfolgende thermische Verbin­ dung der Kontaktmetallisierungen mit den Anschlußflächen, wo­ bei auf das Bauelement und/oder das Substrat ein Haftvermitt­ ler aufgetragen wird.

Verfahren der eingangs genannten Art werden angewandt, um bei­ spielsweise eine lösbare mechanische Vorfixierung bei der so­ genannten Flip-Chip-Kontaktierung zu erzielen. Bei diesem Kon­ taktierungsverfahren wird der Chip mit seinen erhöhten Kon­ taktmetallisierungen, die auch als Bumps bezeichnet werden, nach unten weisend auf die Anschlußflächen eines Substrats aufgesetzt. Die eigentliche Verbindung zwischen dem Chip und dem Substrat erfolgt dann über Beaufschlagung der Bumps mit thermischer Energie, mit der ein Umschmelzen der Bumps durch­ geführt wird. Um die Relativpositionierung zwischen dem Chip und dem Substrat vor dem Umschmelzen zu fixieren, ist es be­ kannt, zwischen den Bumps und den Anschlußflächen einen Flußmittelauftrag vorzusehen, der eine Haftung zwischen dem Chip und dem Substrat bewirkt, solange die Bumps noch nicht aufgeschmolzen sind. Im schmelzflüssigen Zustand der Bumps ist die fixierende Wirkung des Flußmittels aufgehoben, so daß der Chip quasi auf dem Substrat schwimmend gelagert ist. Dabei kann sich ein durch die Oberflächenspannung des Kontaktmetal­ lisierungsmaterials bewirkter Selbstausrichtungsvorgang (self­ alignment) auswirken, der für eine exakte Positionierung des Chips auf dem Substrat sorgt.

Bei dem vorstehend geschilderten Verfahren zur temporären Fi­ xierung wird diese vorteilhafte Ausnutzung des self-alignment- Effekts mit dem Nachteil erkauft, daß auch nach Fertigstellung der Verbindung zwischen dem Chip und dem Substrat anionische bzw. kationischeFlußmittelrückstände auf den umgeschmolzenen Bumps verbleiben. Dies wirkt sich häufig nachteilig auf die Zuverlässigkeit der geschaffenen Verbindung aus.

Ein anderes bekanntes Verfahren zur temporären Fixierung be­ steht darin, vor Durchführung der endgültigen Verbindung zwi­ schen dem Chip und dem Substrat eine press-Schweißverbindung zwischen den Chipbumps und den Substratanschlußflächen vorzu­ nehmen, die bei der anschließenden thermischen Verbindung wie­ der gelöst wird und somit auch in diesem Fall den vorteilhaf­ ten self-alignment-Effekt ermöglicht. Allerdings erweist sich die mit der Press-Schweißung verbundene, hohe mechanische Beanspruchung des Chips als nachteilig, da bei diesem Verfah­ ren größere Ausfallquoten durch mechanische Beschädigung der Chips zu verzeichnen sind.

Aus H.-J. Hacke: "Montage Integrierter Schaltungen", Springer Verlag, Berlin (1987), Seiten 108-117, ist ein Verfahren zur Flip-Chip-Kontaktierung bekannt, bei dem vor der Kontaktierung des Chips auf dem Substrat das Substrat mit Flußmittel be­ schichtet wird. Das Flußmittel dient dabei als Kleber.

Aus der US 50 90 609 ist ein Verfahren zur temporären Fixierung eines Chips auf einem Substrat bekannt, bei dem die erhöhten Kontaktmetallisierungen des Chips mit einer auf den Kontaktme­ tallisierungen abgeschiedenen separaten Lotmaterialschicht zur Herstellung der temporären Verbindung versehen sind.

Aus "IEEE Transactions" Bd. CHMT-15 (992), Seiten 225-230, ist ein Verfahren zur Flip-Chip-Kontaktierung bekannt, bei dem vom "Selbstausrichtungseffekt" der aufgeschmolzenen Kontaktmetalli­ sierungen Gebrauch gemacht wird.

Die DE 39 07 261 A1 beschreibt schließlich die Anwendung eines Klebstoffs zum temporären Verbinden von Stoffen.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren vorzuschlagen, das eine temporäre Fixierung von elektronischen Bauelementen, wie z. B. Chips, auf einem Sub­ strat ermöglicht, ohne daß damit die vorstehend geschilderten, nachteiligen Begleiterscheinungen verbunden sind.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird als Haftvermittler ein alkoholisches flüssiges Medium mit einem Alkohol gewählt, dessen Oberflächenspannung zur Ausbildung von Haftkräften zwi­ schen den Kontaktmetallisierungen und den Anschlußflächen ge­ nutzt wird, und dessen Siedepunkt unterhalb der Umschmelztempe­ ratur der Kontaktmetallisierung liegt.

Bei der Verwendung eines derartigen alkoholischen Mediums, das auf das Substrat oder das Bauelement teilweise oder ganzflä­ chig aufgetragen werden kann, macht man sich die Eigenschaft vieler Alkohole zunutze, daß sie, bewirkt durch ihre hohen Grenz- oder Oberflächenspannungen, entsprechend hohe Oberflä­ chenkräfte im Kontaktbereich zwischen der Kontaktmetallisie­ rung und der Anschlußfläche ausbilden, die hohe Haftkräfte be­ wirken. Darüber hinaus wird die vorteilhafte Eigenschaft des Alkohols genutzt, rückstandsfrei zu verdampfen, so daß anders als bei den konventionelle Flußmittel verwendenden Verfahren keine anionischen bzw. kationischen Rückstände auf den umge­ schmolzenen Kontaktmetallisierungen verbleiben, die die Zuverlässigkeit der Verbindung nachteilig beeinflussen. Durch die Einstellung des Siedepunktes unterhalb der Umschmelztempera­ tur der Kontaktmetallisierung ist sichergestellt, daß einer­ seits die Haftkräfte bis zum Umschmelzen der Kontaktmetalli­ sierung wirken und andererseits nach dem Umschmelzen der Kon­ taktmetallisierung der als Haftvermittler verwendete Alkohol rückstandsfrei beseitigt ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist natürlich ebenso vorteil­ haft anwendbar, wenn sich die erhöhten Kontaktmetallisierungen auf dem Substrat oder sowohl auf dem Bauelement als auch auf dem Substrat befinden.

Gemäß einer bevorzugten Variante des Verfahrens wird der Haft­ vermittler lediglich auf die erhöhten Kontaktmetallisierungen aufgetragen, wodurch eine besonders dosierte Verwendung des Haftvermittlers ermöglicht und darüber hinaus eine eventuell erforderliche Reinigung der übrigen Oberfläche des elek­ tronischen Bauelements und/oder des Substrats von etwaigen Haftvermittlerresten nach Durchführung der thermischen Verbin­ dung überflüssig wird.

Gemäß Anspruch 3 läßt sich das Verfahren bei einer sogenannten face-down-Kontaktierung des Bauelements einsetzen. Eine derar­ tige Kontaktierung wird beispielsweise bei dem bekannten Flip- Chip-Kontaktierungsverfahren durchgeführt. Wenn der Haftver­ mittler hierzu auf der Kontaktmetallisierung aufgetragen ist, kann das Verfahren ohne besondere Vorbehandlung der Substrat- Anschlußflächen durchgeführt werden.

Bei den Alkoholen, die ausreichende Oberflächenspannungen zur Ausbildung der Haftkräfte zwischen den Kontaktmetallisierungen und den Anschlußflächen aufweisen, handelt es sich in der Re­ gel um molekular langkettige und daher eher hochsiedende Alko­ hole mit einer relativ hohen Viskosität. Als besonders vor­ teilhaft erweist es sich daher, wenn der Haftvermittler neben einem relativ hochsiedenden Alkohol zur Ausbildung der vorste­ hend erläuterten Haftkräfte zwischen den Kontaktmetalli­ sierungen des Bauelements und den Anschlußflächen des Sub­ strats ein Lösungsmittel aufweist, um eine besonders dünn­ schichtige Applikation des Haftvermittlers zu ermöglichen.

Wenn als Lösungs- bzw. Verdünnungsmittel ein relativ nied­ rigsiedender Alkohol verwendet wird, ist sichergestellt, daß durch den Zusatz des Lösungsmittels die inerte Wirkung des Al­ kohols nicht negativ beeinträchtigt wird.

Als besonders geeignet zur Verwendung bei dem erfindungsge­ mäßen Verfahren erweisen sich relativ hochsiedende Alkohole, wie Glycol, Glycerin, Pyrolydol oder andere, eine entsprechend hohe Grenzflächenspannung aufweisende Alkohole.

Als besonders geeignet zur Verwendung als Lösungsmittel bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erweisen sich relativ nied­ rigsiedende Alkohole, wie Methanol, Isopropanol oder andere, eine entsprechend niedrige Grenzflächenspannung und niedrigen Siedepunkt aufweisende Alkohole.

Nachfolgend wird das Verfahren an einer beispielhaften Verfah­ rensvariante unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläu­ tert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Chip, dessen Oberfläche mit einem Haftvermittler versehen ist;

Fig. 2 die Applikation des in Fig. 1 dargestellten Chips auf einem Substrat im Flip-Chip-Verfahren;

Fig. 3 das Umschmelzen der Chip-Bumps zur Verbindung mit An­ schlußflächen des Substrats.

Fig. 1 zeigt einen Chip 10, der mehrere als sogenannte Bumps bezeichnete, erhöhte Kontaktmetallisierungen 11 aufweist. Die Kontaktmetallisierungen 11 sind mit einer Haftvermittler-Lö­ sung 12 aus hochsiedendem, lange Molekülketten aufweisenden Alkohol 13 und niedrig siedendem Alkohol 14 versehen, die bei­ spielsweise in Tropfenform auf die Kontaktmetallisierungen 11 aufgetragen werden kann.

Die in Fig. 1 auf den Kontaktmetallisierungen 11 aus dem hoch­ siedenden Alkohol 13 gebildete, filmartige Beschichtung 15 bleibt zurück, nachdem der als Lösungsmittel dienende nie­ drigsiedende Alkohol 14 bei Raumtemperatur verdampft ist.

Die in Fig. 1 dargestellten Kontaktmetallisierungen 11 können beispielsweise aus einer eutektischen Gold/Zinn-Legierung ge­ bildet sein, die eine Erstarrungstemperatur von 278°C auf­ weist. Als Auswahl für den hochsiedenden Alkohol 13, der nach Abdampfung des Lösungsmittels als Beschichtung 15 auf den Kontaktmetallisierungen 11 zurückbleibt, eignet sich Glycerin mit einem Siedepunkt von 286°C. Zur Verwendung als Lösungsmit­ tel eignet sich Methanol.

Wie Fig. 2 zeigt, wird der Chip 10 zur Kontaktierung auf einem mit Anschlußflächen 16 versehenen Substrat 17, wie im Flip- Chip-Verfahren üblich, mit den Kontaktmetallisierungen 11 nach unten weisend auf die Anschlußflächen 16 des Substrats 17 aufgesetzt. Aufgrund der Trocknung der Beschichtung 15 entste­ hen Oberflächenkräfte, die eine fixierende Haftung zwischen dem Chip 10 bzw. den Kontaktmetallisierungen 11 und dem Sub­ strat 17 bzw. den Anschlußflächen 16 bewirken.

Nach Ausbildung der Haftkräfte zwischen den Kontaktmetallisie­ rungen 11 und den Anschlußflächen 15 erfolgt eine Beheizung der Kontaktmetallisierungen 11, beispielsweise mittels Beauf­ schlagung der Kontaktmetallisierungen mit Infrarotstrahlung, auf eine Temperatur von ca. 300°C, die ein Umschmelzen der Kontaktmetallisierungen 11, wie in Fig. 3 dargestellt, be­ wirkt. Vor oder bei Erreichen der Umschmelztemperatur der Kon­ taktmetallisierung 11 erfolgt ein Verdampfen der in Fig. 2 dargestellten Beschichtung 15. Daher kann sich der Chip 10 über die in den schmelzflüssigen Kontaktmetallisierungen 11 wirkenden Oberflächenkräfte ungehindert selbsttätig ausrich­ ten, wobei die dabei erreichte Relativposition des Chips bei Erstarrung der umgeschmolzenen Kontaktmetallisierungen quasi eingefroren wird. Da die Beschichtung 15 spätestens im schmelzflüssigen Zustand der Kontaktmetallisierungen 11 ver­ dampft, ist im Vergleich zu einer konventionellen Fixierung mit einem Flußmittel die Oberfläche der Kontaktmetallisierung 11 nach der Erstarrung frei von irgendwelchen Rückständen des Haftvermittlers.

Als weitere Beispiele für geeignete Kombinationen von Kontakt­ metallisierungen und hochsiedenden Alkoholen seien hier noch erwähnt: Glycol (Siedepunkt 197°C) bei eutektischer Zinn/Blei- Legierung (Sn/Pb 63/37, Erstarrungstemperatur 183°C) und Pyro­ lidol und Glycerin bei hochbleihaltigen Kontaktmetallisierun­ gen.

Claims (7)

1. Verfahren zur temporären Fixierung eines erhöhte Kontaktmetallisierungen aufweisenden elektronischen Bau­ elements auf einem mit Anschlußflächen versehenen Sub­ strat für eine nachfolgende thermische Verbindung der Kontaktmetallisierungen mit den Anschlußflächen, wobei auf das Bauelement und/oder das Substrat ein Haftvermitt­ ler aufgetragen wird, dadurch gekennzeichnet, daß als Haftvermittler ein alkoholisches flüssiges Medium mit einem Alkohol (13) verwendet wird, dessen Oberflä­ chenspannung zur Ausbildung von Haftkräften zwischen den Kontaktmetallisierungen und den Anschlußflächen genutzt wird, und dessen Siedepunkt unterhalb oder nahe bei der Umschmelztemperatur der Kontaktmetallisierungen liegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Haftvermittler (13) lediglich auf die erhöhten Kontaktmetallisierungen (11) aufgetragen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Fixierung bei einer face-down-Kontaktierung das Bauelement (10) mit nach unten weisenden und mit dem Haftvermittler (13) beschichteten Kontaktmetallisierungen (11) auf die Anschlußflächen (15) des Substrats (16) aufgesetzt wird.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden An­ sprüche dadurch gekennzeichnet, daß der Haftvermittler neben einem relativ hochsiedenden Alkohol (13) ein Lösungsmittel zur Verdünnung des Haftvermittlers aufweist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Lösungsmittel ein relativ niedrigsiedender Alko­ hol (14) verwendet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der hochsiedende Alkohol (13) aus Glycol, Glycerin, Pyrolydol oder einem anderen eine entsprechend hohe Grenzflächenspannung aufweisenden Alkohol gebildet ist.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der niedrigsiedende Alkohol (14) aus Methanol, Iso­ propanol oder einem anderen, eine entsprechend niedrige Grenzflächenspannung aufweisenden Alkohol gebildet ist.