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DE19549635B4 - Verfahren zur Verbindung eines flexiblen Substrats mit einem Chip - Google Patents

Verfahren zur Verbindung eines flexiblen Substrats mit einem Chip Download PDF

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DE19549635B4
DE19549635B4 DE19549635A DE19549635A DE19549635B4 DE 19549635 B4 DE19549635 B4 DE 19549635B4 DE 19549635 A DE19549635 A DE 19549635A DE 19549635 A DE19549635 A DE 19549635A DE 19549635 B4 DE19549635 B4 DE 19549635B4
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Ghassem Azdasht
Elke Dr. Zakel
Herbert Reichl
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ZAKEL, ELKE, DR., 14612 FALKENSEE, DE
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Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
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Abstract

Verfahren zur thermischen Verbindung von Kontaktelementen eines flexiblen Substrats mit Kontaktmetallisierungen eines elektronischen Bauelements, wobei das flexible Substrat eine Trägerschicht aus Kunststoff aufweist und eine Energiebeaufschlagung der Kontaktelemente von deren Rückseite her durch eine Beaufschlagung mit Laserstrahlung erfolgt, wobei die Transparenz des Substrats, die Absorption der Kontaktelemente und die Wellenlänge der Laserstrahlung derart aufeinander abgestimmt sind, daß die Laserstrahlung im wesentlichen durch die Trägerschicht hindurchgeleitet und in den Kontaktelementen absorbiert wird, und wobei eine Druckbeaufschlagung des Substrats derart erfolgt, daß die Kontaktelemente des Substrats und die Kontaktmetallisierungen des Bauelements während der Beaufschlagung mit Laserstrahlung aneinander anliegen dadurch gekennzeichnet, daß die Energiebeaufschlagung mittels einer Lichtleitfaser (18) erfolgt, die sowohl zur Einleitung der Laserstrahlung (11) in das Substrat (10) als auch zur Druckbeaufschlagung dient.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Zur Verbindung von flexiblen Substraten mit einem elektronischen Bauelement, beispielsweise einem Chip, wird bislang üblicherweise das Thermokompression-Verfahren eingesetzt, bei dem eine sogenannte Thermode unter Einwirkung von Druck und Temperatur gegen Kontaktelemente des Substrats gedrückt wird, um diese mit Kontaktmetallisierungen des Chips zu verbinden. Um hierbei Beschädigungen der temperaturempfindlichen Kunststoff-Trägerschicht des Substrats, die in der Regel eine Zersetzungstemperatur aufweist, die im Bereich der zur Verbindung notwendigen Temperatur liegt, zu verhindern, ist es bei dem bekannten Verfahren erforderlich, vor Beaufschlagung der Kontaktelemente mit Druck und Temperatur die Trägerschicht und gegebenenfalls eine die Trägerschicht mit den Kontaktelementen verbindende Kleberschicht zu entfernen, so daß ein unmittelbarer Zugriff auf die Kontaktelemente des Substrats von deren Rückseite her möglich ist. Die Entfernung der Trägerschicht erweist sich in der Praxis als sehr aufwendig; in der Regel werden hierzu in einem separaten Verfahren als "windows" bezeichnete Öffnungen in die Trägerschicht des Substrats geätzt. Derart vorbereitete Substrate lassen sich dann mittels einer als "inner-lead-bonding" bezeichneten Verbindungstechnik im Rahmen eines als "tape-automated-bonding" bezeichneten, automatisierten Verbindungsverfahrens einsetzen.
  • Aus der DD 140 942 ist ein Verfahren zur Kontaktierung eines transparenten Substrats mit einem Halbleiterelement bekannt, bei dem zur Vermeidung von Spalten zwischen den Kontaktleitern des Substrats und den Kontaktleitern des Halbleiters während des Verbindungsvorgangs das starr ausgebildete Substrat und das Halbleiterelement in einer Einspannvorrichtung aufgenommen sind. Die Energiebeaufschlagung zur Durchführung des Verbindungsvorgangs erfolgt mittels eines fokussierten Laserstrahls.
  • Aus der JP 5-206 220 A ist ein Verfahren bekannt, bei dem zur Kontaktierung eines transparenten Substrats mit einem Halbleiterelement ein beheizter Druckstempel eingesetzt wird, in dem eine Lichtleitfaser angeordnet ist.
    •
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ausgehend von dem in der DD 140 942 beschriebenen Verfahren ein Verfahren zur Kontaktierung von transparenten Substraten mit Halbleiterelementen vorzuschlagen, das mit minimalem Aufwand eine Kontaktierung von flexiblen Substraten ermöglicht.
  • Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren ist eine Beaufschlagung der Kontaktelemente mit Laserstrahlung vorgesehen, wobei die Transparenz des Substrats bzw. die Absorption der Kontaktelemente genutzt wird, um mit einer entsprechend darauf abgestimmten Laserstrahlungs-Wellenlänge die Strahlung im wesentlichen durch das Substrat hindurchzuleiten und in den Kontaktelementen zu absorbieren. Weiterhin wird erfindungsgemäß der Beaufschlagung mit Laserstrahlung eine Druckbeaufschlagung überlagert, derart, daß während der Beaufschlagung mit Laserstrahlung die Kontaktelemente des Substrats und die Kontaktmetallisierung des Bauelements aneinandergedrückt werden. Erfindungsgemäß erfolgt die Energiebeaufschlagung mit einer Lichtleitfaser, die sowohl zur Einleitung der Laserstrahlung in das Substrat als auch zur Druckbeaufschlagung dient. Hierdurch wird die Verfahrensdurchführung mit einem minimalen Aufwand für die zur Durchführung des Verfahrens benötigten Vorrichtungen möglich.
  • Die Druckbeaufschlagung erweist sich als besonders wichtig, da hiermit die Ausbildung von Luftspalten zwischen den Kontaktelementen und den Kontaktmetallisierungen verhindert wird und eine sichere Wärmekopplung zwischen diesen gegeben ist. Eine unzureichende Wärmekopplung könnte zu einem Wärmestau im Bereich der Kontaktelemente führen, was wiederum eine unerwünschte Temperaturbelastung des Substrats bzw. der Trägerschicht und gegebenenfalls einer die Trägerschicht mit den Kontaktelementen verbindenden Kleberschicht bewirken würde.
  • Durch Verwendung von Laserstrahlung zur Temperaturbeaufschlagung der Kontaktelemente werden die im Normalfall beispielsweise bei einer aus Polyimid gebildeten Kunststoff-Trägerschicht gegebenen guten Transparenzeigenschaften ausgenutzt, um aufgrund der guten Absorptionseigenschaften der metallischen Kontaktelemente die für die thermische Verbindung notwendige Temperatur lediglich im Verbindungsbereich zu erzeugen.
    •
  • Anhand der Zeichnung wird nachfolgend eine Möglichkeit zur Durchführung eines Verbindungsverfahrens unter Verwendung von Laserstrahlung näher erläutert, bei dem eine Beaufschlagung eines Substrats 10 mittels einer Laserstrahlung 11 zur Verbindung mit einem Chip 12 erfolgt.
  • Das Substrat 10 weist eine Trägerschicht 13 aus Polyimid auf, die zur Ausbildung von Kontaktelementen 14, 15 mit einer bei diesem Ausführungsbeispiel des Substrats 10 etwa durch Sputtern aufgebrachten Metallisierung 16 versehen ist.
  • Der Chip 12 weist auf seiner den Kontaktelementen 14, 15 des Substrats 10 zugewandten Oberseite erhöhte, üblicherweise als Bumps bezeichnete Kontaktmetallisierungen 17 auf, die zur Verbindung mit den Kontaktelementen 14, 15 dienen.
  • Die Kontaktelemente 14, 15 des Substrats 10 bestehen im wesentlichen aus Kupfer, das mit einer dünnen Oberflächenbeschichtung aus Gold versehen ist. Die Kontaktmetallisierungen 17 des Chips bestehen bei diesem Ausführungsbeispiel aus einer Gold-/Zinn-Legierung (Au-Sn 80/20 mit einer Schmelztemperatur von etwa 280°C).
  • Die dargestellte, nachfolgend erläuterte Verbindungstechnik ist ebenso beim Tape-Automated-Bonding-Verfahren wie beim Flip-Chip-Verfahren anwendbar.
  • Zur Beaufschlagung des Substrats 10 mit Laserstrahlung 11 dient eine Lichtleitfaser 18, die auf die den Kontaktelementen 14, 15 gegenüberliegende Rückseite 19 der Trägerschicht 13 mit ihrer Faserendfläche 20 aufgesetzt wird. Die Aufsetzstelle ist dabei so gewählt, daß sich eine Überdeckung mit einem Anschlußbereich 21 des Kontaktelements 14 ergibt. Allgemein gilt, daß das Substrat 10 und der Chip 12 so zueinander positioniert sind, daß die einzelnen Anschlußbereiche 21 der Kontaktelemente 14 bzw. 15 den jeweiligen Kontaktmetallisierungen 17 des Chips 12 zugeordnet sind. Die Verbindung der einzelnen Kontaktelemente 14, 15 mit den zugeordneten Kontaktmetallisierungen 17 kann im sogenannten "single-point-bonding"-Verfahren erfolgen, bei dem nacheinander die Verbindungen zwischen den einzelnen Paarungen aus Kontaktelementen 14 bzw. 15 und Kontaktmetallisierungen 17 durchgeführt werden.
  • Zur thermischen Verbindung zwischen einem Kontaktelement 14 und einer zugeordneten Kontaktmetallisierung 17 wird das Substrat 10 mit der Faserendfläche 20 der Lichtleitfaser 18 gegen den Chip 12 gepreßt, so daß das Kontaktelement 14 und die Kontaktmetallisierung 17 spaltfrei aneinander anliegen. Die Beaufschlagung des Substrats 10 mit der Laserstrahlung 11 erfolgt über eine an die Lichtleitfaser 18 angekoppelte Laserquelle 22, für die sich bei der vorstehend angegebenen Kombination aus dem Material für die Trägerschicht 13 und dem Material für das Kontaktelement 14 besonders ein Nd:YAG-Laser eignet, der eine Laserstrahlung mit einer Wellenlänge von 1065nm emittiert. Bezogen auf diese Wellenlänge weist die Polyimid-Trägerschicht 13 eine Transmission von 88% auf. Ein erheblicher Anteil der nicht hindurchgeleiteten Strahlung wird reflektiert, so daß lediglich ein vergleichsweise geringer Strahlungsanteil absorbiert wird. Die Absorption der Laserstrahlung 11 erfolgt im wesentlichen in dem aus Kupfer gebildeten Kontaktelement 14, das sich entsprechend erwärmt. Über die vorstehend beschriebene spaltfreie Ankopplung des Kontaktelements 14 an die Kontaktmetallisierung 17 erfolgt eine im wesentlichen verlustfreie Weiterleitung der in Wärmeenergie umgesetzten Laserenergie in die Kontaktmetallisierung 17, so daß sich diese auf die erforderliche Schmelztemperatur erwärmt.
  • Um zu verhindern, daß es zu einer Überhitzung im Verbindungsbereich zwischen dem Kontaktelement 14 und der Kontaktmetallisierung 17 mit Ausbildung eines entsprechenden Wärmestaus kommt, ist es insbesondere in dem Fall, daß die Leistung der verwendeten Laserquelle noch nicht 100%ig auf die miteinander kombinierten Materialien des Substrats, der Kontaktelemente und der Kontaktmetallisierungen 17 abgestimmt ist, vorteilhaft, wenn die im Verbindungsbereich erzielte Verbindungstemperatur, insbesondere die sich daraus in der Trägerschicht 13 ergebende Temperatur, durch eine hier nicht näher dargestellte Temperaturregelung überwacht wird. Dies kann beispielsweise unter Zuhilfenahme eines Infrarot-Detektors 23 erfolgen, der die von der Trägerschicht 13 bzw. der Faserendfläche 20 reflektierte Infrarotstrahlung umgelenkt über ein Prisma 24 erfaßt und als entsprechendes Regelsignal an eine hier nicht näher dargestellte Temperaturregeleinrichtung weiterleitet.

Claims (1)

  1. Verfahren zur thermischen Verbindung von Kontaktelementen eines flexiblen Substrats mit Kontaktmetallisierungen eines elektronischen Bauelements, wobei das flexible Substrat eine Trägerschicht aus Kunststoff aufweist und eine Energiebeaufschlagung der Kontaktelemente von deren Rückseite her durch eine Beaufschlagung mit Laserstrahlung erfolgt, wobei die Transparenz des Substrats, die Absorption der Kontaktelemente und die Wellenlänge der Laserstrahlung derart aufeinander abgestimmt sind, daß die Laserstrahlung im wesentlichen durch die Trägerschicht hindurchgeleitet und in den Kontaktelementen absorbiert wird, und wobei eine Druckbeaufschlagung des Substrats derart erfolgt, daß die Kontaktelemente des Substrats und die Kontaktmetallisierungen des Bauelements während der Beaufschlagung mit Laserstrahlung aneinander anliegen dadurch gekennzeichnet, daß die Energiebeaufschlagung mittels einer Lichtleitfaser (18) erfolgt, die sowohl zur Einleitung der Laserstrahlung (11) in das Substrat (10) als auch zur Druckbeaufschlagung dient.
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