Montage Integrierter Schaltungen

220 Pages·1987·6.517 MB·German

by  Dipl.-Ing. Hans-Jürgen Hacke (auth.)

[£JD~@~[b~£m@wD~
Herausgegeben von
Walter Engl
Hans Friedrich
Hans Weinerth
Hans-JUrgen Hacke
Montage
Integ rierter Schaltu ngen
Mit 100 Abbildungen
Springer-Verlag Berlin Heidelberg NewY ork
London Paris Tokyo 1987
Dipl.-Ing. Hans-JUrgen HACKE
SiemensAG
Zentralbereich Forschung und Technik
ZFA PTE 11
Otto·Hahn-Ring·6
0-8000 Munchen 83
Herausgeber der Relhe:
Prof. Dr. rer.n at. Walter L ENG L Dr,-Ing. Hans FRIEDRICH
Institut flirTheoretische E1elctrotechnik SiemensAG,UPMEGAL
RWTHAachen Otto-Hahn-Ring 6
KopernikusstraBe 16 0-8000 Munchen 83
0·5100 Aachen
Or.-Ing. HansWEINERTH
Valvo Untemehmensbereich Bauelemente
der Philips GmbH
BurchardstraBe 19
0-2000 Hamburg 1
CIP·Kurzlitelaufnahme der Deutschen BibliolheK
HaCKe. Hans·JOrgen:
Montage inlegrierter Schaltungen I Hans·JOrgen Hacke.
Berlin; Heidelberg; New YorK; london; Paris;Tokyo: Springer,1967.
(Mikroelelctronik)
ISBN.13: 978·3-540·17624.4 e·ISBN.13: 978·3·642-48222-9
DOl: 10.1007/978·3·642-48222·9
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vielliilligung diesesWerkes odervon Teilen dieses Werkes isl auch im Eiruellall nur in den Grenzen
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9. September 1965 in derFassung Yom 24. Juni 1985zuliissig.Sie ist grundsatzlich vefljOlungspllich·
\ig. Zuwiderhandlungen unlertiegen den Siralbestimmungen des Urheberrechlsgesetzes.
o
Springer·Vertag Bertin, Heidelberg 1967
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eigenen Arbeilen die vollstl'indlgen Vorschriften oder Richtlinien in der jeweils gOltigen Fassung hin·
zuzuziehen.
Geleitwort der Herausgeber
Mikroelektronik entscheidet als Schlusseltechnologie uber den Fortschritt auf
vielen Feldern modernerTechnikund beeinfluBtdamitweite Bereichevon Produktion
und Dienstleistung.lndem sie Informations-und Kommunikationstechnik, Automati
sierungstechnik und Datenverarbeitungstechnik als Grundlage dient, ist sie gleich
zeitig die Basis einer Informationsgesellschaft, in der neben Kapital und Arbeitdie Ver
arbeitung von Daten eine zentrale Rolle einnimmt.
Angesichts der zentralen technischen und wirtschaftlichen Bedeutung der Mikro
elektronik muB es vorrangigesAnliegen sein, dievorhandenen Kenntnisse und Fahig
keiten auf diesemGebiet zu verbessern, weiterzuentwickeln und zu publizieren, urn
sie einem moglichst groBen Kreis Interessierten zuganglich zu machen.
Diesem Ziel dient die Buchreihe »Mikroelektronik«. Die Herausgeber haben sich
bemuht, fUr dieses umfassende Vorhaben ein fUr die deutsche Mikroelektronikland
schaft reprasentativesAutorenteam zu gewinnen, in dem Hochschulen, Forschungs
institute und die Industrie gleichermaBen vertreten sind.
Die Reihe behandelt aktuell und praxisnah nahezu aile Aspekte der Mikroelek
tronik, wobei neben den Grundlagen sowohl Entwurf, Fertigung und Test Integrierter
Schaltungen als auch Produkte und Anwendungen die Themenschwerpunkte sind.
Jeder Band ist einem bestimmten Einzelthema der Mikroelektronik gewidmet, wobei
Aspekte des Anwenders von Integrierten Schaltungen besonders berUcksichtigt
werden.
Walter Engl, Aachen
Hans Friedrich, Munchen
Hans Weinert, Hamburg
Gegenuber der Halbleitertechnologie mit ihrem steten Wandel und ihren
spektakul~ren Fortschritten bei Integrationsgrad und Verarbeitungsge
schwindigkeit steht die Montagetechnik oft im Hintergrund. In Abhand
lungen wird sie meist nur gestreift, sie wird als vorhanden und bekannt
angesehen. Dabei ist ohne sie eine bestimmungsgem~£e Nutzung von Halb
leiterbauelementen gar nicht mOglich. Mit deren Entwicklung mu£ auch
eine Weiterentwicklung der Montagetechnik einhergehen, wobei sich hinter
dem Begriff Montagetechnik eine Vielzahl von Einzeltechnologien ver
birgt. In dem vorliegendem Band solI der Bedeutung der Montagetechnik
Rechnung getragen werden.
Es ist ein Uberblick uber die Montage integrierter Schaltungen und be
wu£t nicht erschOpfend bis ins Detail behandelt. So wird das fachbezo
gene Wissen des Fertigungsingenieurs, der z.B. die Kontaktiertechnik
betreut, sicherlich grO£er und tiefer sein, ebenso das des Metallurgen,
des Kunststofftechnikers oder des Fachmannes fUr das Kleben. Ziel war
es, die verschiedenen Arbeitsschritte in der Montagetechnik erl~uternd
und zusammenh~ngend darzustellen und das Verst~ndnis fUr die wechsel
seitigen Abh~ngigkeiten zu vermitteln. Dazu gehOrt auch, da£ im allge
meinen nicht so bekannte Technologien, wie die Spider-, Flipchip- und
Beamleadkontaktierung, beschrieben werden. Der fachfremde Leser solI in
die Lage versetzt werden, die Arbeitsweisen zu verstehen, sich eine
eigene Meinung uber ihre MOglichkeiten sowie Vor- und Nachteile zu bil
den und sein Wissen durch die Angabe von Fachliteratur zu vertiefen, der
Fachmann solI eine Zusammenstellung seines Fachgebietes vorfinden. Die
leicht verst~ndliche Darstellung dient dazu, da£ auch technisch Gebil
dete ohne besondere fachliche Vorkenntnisse Zugang zum Thema finden.
FUr die vielen fruchtbaren Diskussionen und das Lesen des Manuskriptes
danke ich meinen Kollegen, den Herren Dr.Bednarz, Freitag, Dr.Gerling,
Dr.Roser, Dr.Schmidt, Steckhan und Wirbser; ich danke Herrn Uden, dessen
Montagebeitrag im Landolt-Bornstein manchen nUtzlichen Hinweis lieferte
und den Damen, die mit mir die Reinschrift besorgten. Dank schlieSlich
auch Freunden und Familie, die mit Verstandnis meine Arbeit unterstUtz
ten.
MUnchen, im August 1987 Hans-JUrgen Hacke
Inhaltsverzeichnis
Montage Integrierter Schaltungen
2 Beteiligte Verbindungspartner in der Montagetechnik ... . 5
2. 1 Halbleiter ............................................ . 5
2.1.1 Sche i bene berfl ache .................................... . 7
2.1.1.1 Kontaktoberflache 7
2.1.1.2 Passivierungs-und Schutzschichten ..................... . 8
2.1.1.3 RUckseitenmetallisierung .............................. . 9
2.1.2 Scheibenbearbei tung ................................... . 10
2.1. 2.1 Lappen, 1\ tzen, Schl ei fen .............................. . 10
2.1.2.2 Trennen ............................................... . 13
2.1.3 Lieferform ............................................ . 17
2.2 Substrate ............................................. . 18
2.2. 1 Systemtrager 18
2.2.1.1 Material fUr Systemtrager ............................. . 21
2.2.1.2 Oberflache von Systemtragern .......................... . 23
2.2.2 Geh1ius ebaden .......................................... . 24
2.2.2. 1 Kerami kba uformen ............................•.......... 24
2.2.2.2 Kunststoffbauformen ................................... . 26
2.2.3 Substrate fUr die Nacktchipmontage .................... . 27
2.2.3.1 Schichtschal tungen .................................... . 27
2.2.3.2 Lei terplatten ......................................... . 28
3 Verbindung Chip-Substrat .............................. . 30
3. 1 Legieren .............................................. . 30
3. 1 • 1 Verfahrensprinzip ..................................... . 30
3.1.2 Anwendungen und Voraussetzungen ....................... . 31
3.2 Laten ................................................. . 32
3.2.1 Verfahrensprinzip ..................................... . 32
3.2.2 Anwendungen, Oberflachen, Lote ........................ . 34
3.3 Kleben ................................................ . 35
3.3. 1 Verfahrensprinzip ..................................... . 35
3.3.2 Anwendungen, Oberflachen .............................. . 36
3.3.3 Kleber ................................................ . 36
VIII
3.3.4 Kleberauftragverfahren ................................ . 40
3.3.5 Kleberschichtdicke und Spannung ....................... . 41
3.4 Einrichtungen fUr die Chipbefestigung ................. . 42
3.5 ProzeB-und Qualitatskontrolle ......................... . 46
3.5.1 Zerst6rungsfreie PrUfung .............................. . 46
3.5.2 Zerst6rende PrUfung 47
4 Kontaktierverfahren ................................... . 48
4.1 Drahtkontaktierung .................................... . 50
4.1.1 Kontaktierdrahte ...................................... . 50
4.1.1.1 Golddrahte ............................................ . 51
4.1.1.2 Unedelmetalldrahte .................................... . 54
4.1.1.3 Lieferform ............................................ . 55
4.1.2 Drahtkontaktierverfahren .............................. . 56
4.1. 2.1 Thermokompressionsverfahren ......... '" ............... . 56
4.1.2.2 UI traschall verfahren .................................. . 60
4.1.2.3 Thermosonicverfahren 64
4.1.3 Einrichtungen fUr die Drahtkontaktierung .............. . 65
4.1. 3.1 Kontaktierwerkzeuge ................................... . 65
4.1.3.2 Kontaktiermaschinen ................................... . 67
4.1.4 PrUfen von Drahtverbindungen .......................... . 71
4.1.5 Metallkunde von Drahtverbindungen ..................... . 75
4.1. 5.1 Das System Gold-Aluminium ............................. . 76
4.1.5.2 Weitere Metallkombinationen ........................... . 79
4.2 Spiderkontaktierverfahren ............................. . 81
4.2.1 Hockererzeugung ....................................... . 82
4.2.2 Spiderherstellung ..................................... . 85
4.2.2.1 Einlagige Spider ...................................... . 86
4.2.2.2 Zweilagige Spider ..................................... . 87
4.2.2.3 Dreilagige Spider ..................................... . 88
4.2.2.4 Material, Spidergeometrie, Bandformate ................ . 90
4.2.3 Innenkontaktierung .................................... . 91
4.2.3.1 Kombinationen Chip-Spider .............................. 91
4.2.3.2 Innenkontaktierverfahren ............................... 93
4.2.3.3 Oberflachenschutz, elektrische PrUfung ................. 99
4.2.4 AuBenkontakt ierung ..................................... 100
4.2.4.1 AuBenkontaktierverfahren ............................... 100
4.2.4.2 Anwendungen ............................................ 105
4.3 Flipchip-Kontaktierung ................................. 108
4.3.1 Hockererzeugung ........................................ 109
4.3.2 Substrate fUr die Flipchip-Technik ..................... 113
4.3.3 Kontaktierverfahren .................................... 114
4.3.4 Weiterverarbeitung ..................................... 116
IX
4.4 Beamlead-Kontaktierung ................•........•....... 117
4.4.1 Herstellung der AnschlUsse ............................. 118
4.4.2 Herstellung der Verbindung ...............•.........•... 119
5 Schutz kontaktierter Halblei ter .......•................ 122
5.1 Abdeckung ungehauster ICs und Verschlie~en ............. 122
5.2 Umpressen mit Duroplasten .............................. 126
5.2.1 Verfahrensprinzip ...................................... 126
5.2.2 Kunststoffe fUr das Umpressen .......................... 128
5.2.2.1 Epoxidpre~massen ....................................... 131
5.2.2.2 Silikonpre~massen ............................•......... 133
5.2.2.3 Vergleich von Epoxid-und Silikonpre~massen ........••..• 134
5.3 Umspritzen mit Thermoplasten .......................... 135
6 Fertigbearbeitung umhUllter integrierter Schaltungen ... 137
6.1 Angu~-und Flashentfernung .............................. 137
6.2 Oberflachenbehandlung der AnschlUsse ................... 139
6.3 Beschneiden und Biegen der AnschlUsse ................•. 139
6.4 Kennzeichnung .......................................... 140
7 Gehausebauformen ....................................... 142
7.1 Gehause fUr die Einsteckmontage .................•...... 145
7.1.1 Standard Dual in line GeMuse (DIP) •................... 145
7.1.2 Quad in line Gehause (QUIP) ........•.....•......•...... 147
7.1.3 Single in line Gehause (SIP) .......................•.•. 148
7.1.4 Pingrid array Gehause (PGA) ...............•...........• 148
7.2 Gehause fUr die Oberflachenmontage ..................... 150
7.2.1 Flachgehause (Flatpacks) ....•...•................••.•.. 151
7.2.1.1 Dual flat Gehause (DFP) ................................ 151
7.2.1.2 Quad flat Gehause (QFP) ................................ 152
7.2.1.3 Small outline IC-Gehause (SOIC) .......•..............•. 153
7.2.1.4 TAB-Bauform ..........................................•. 154
7.2.2 Chipcarrier .............................•..•.........•. 154
7.2.2.1 Keramik-Chipcarrier ohne Anschlu~beinchen (CCC) .....•.. 15~
7.2.2.2 Keramik-Chipcarrier mit Anschlu~beinchen (CLCC) ••....•. 156
7.2.2.3 Kunststoff-Chipcarrier mit Anschlu~beinchen (PLCC) 156
8 Eigenschaften von Gehausen .....•.•••..•.•••......•..•.• 159
8.1 Thermisches Verhalten ...•....••.••...•••... : •...•.•••.. 159
8.1.1 Warmewiderstand ..•.••...•••••..•••.••••...••..•.••••••. 159
8.1.2 EinflUsse auf den Warmewiderstand ••••••..••...•.•••• ~ .. 161
8.2 Mechanisches, chemisches und elektrisches Verhalten .•.• 167
8.2.1 Spannungen im Gehause ...... , •.....•...•...•..........•. 167
8.2.2 Dichtheit und Feuchteverhalten ........•••••....••••.•.. 168
x
8.2.3 Verarbeitbarkeit .................•.••.•.•........•....• 168
8.2.4 Elektrostatische Entladung .......••••.•••...•........•• 169
8.3 PrUfungen zur Sicherstellung von Bauelementeigenschaften 173
8.3.1 Beschleunigte Alterung •..•.....•••••••••••••••••....•.. 174
8.3.2 Ubliche PrUfbedingungen ..•...•.•.........•.......•...•• 177
8.4 FUr die Montagetechnik nutzbare Analysemethoden ..••..•• 179
8.4.1 R~ntgendurchstrahlung ...........••.••....•.....•...•..• 179
8.4.2 Oberfl~chenanalyse ...............•.................•••• 181
8.4.2.1 Raster-Elektronenmikroskopie (REM) .....•..••••••••••••• 181
8.4.2.2 Augerelektronen-Spektrometrie (AES) •.......••..••••.•.. 182
8.4.2.3 Elektronenspektroskopie fUr chemische Analysen (ESCA) ••• 184
8.4.2.4 Sekundarionen-Massenspektroskopie (SIMS) .•.•.....••••.• 184
8.4.3 Thermographische Analyse •..•....••..••..••••••••••..... 185
9 Ausblick .................................••..••...••••. 186
Literaturverzeichnis ....•..........•.•.....•••..•....•........... 190
Erlauterung gebrauchlicher AbkUrzungen und Fremdw5rter ..........• 198
Sachverzeichnis ........................................•..•..••.• 207
1 Montage integrierter Schaltungen
Mit der DurchfOhrung der technologischen Prozesse, die zur Erzeugung
der elektrischen Funktionskomplexe auf der Halbleiterscheibe dienen,
ist die Halbleiterherstellung bei weitem noch nicht abgeschlossen. Auf
einer Halbleiterscheibe befinden sich, je nach Gr6ee, bis zu einige
tausend Einzelelemente, elektrisch funktionsf~hig oder unbrauchbar, die
in diesem Verbund fOr die Weiterverarbeitung durch den Anwender noch
nicht geeignet sind.
Hier beginnt das Aufgabengebiet der Montagetechnik im Ubergangsbereich
zur Scheibentechnologie mit dem DOnnschleifen, der ROckseitenmetalli
sierung und dem Trennen in Einzelelemente und geht Ober das Befestigen
und elektrische Kontaktieren dieser Chips bis hin zum UmhOllen und
Fertigbearbeiten zu Geh~usen. Dementsprechend sind die wichtigsten
Funktionen, die von der Montagetechnik erfOllt werden mUssen:
- Das Herstellen der elektrischen Verbindung zwischen den AnschlUssen
des Halbleiterelementes und den InnenanschlUssen eines weiterverdrah
tenden Elementes, z.B. eines Geh~uses oder einer Schichtschaltung.
- Das Auff~chern des feinen Anschluerasters auf dem Chip zu einem elek
trisch vollst~ndig prUfbaren und vom Anwender verarbeitbaren Aueenan
schlueraster.
- Die Bereitstellung einer mechanisch definierten Bauform, die handhab
bar und fOr das BestOcken gut geeignet ist.
- Das SchUtzen gegen UmwelteinflOsse.
- Das AbfOhren und Verteilen von ·Verlustw~rme aus dem Halbleiter.
Durch die Montage werden Halbleiterchips also fUr den Benutzer anwend
bar. Die Bedeutung dieser Technik wird an einigen Zahlen deutlich. Der
weltweite Verbrauch an gekapselten integrierten Schaltungen lag 1985 bei
etwa 26 Milliarden StOck; nimmt man die durchschnittliche Anschluezahl
mit 17 an, so ergeben sich 442 Milliarden Verbindungen. Hinzu kommt die
ebenfalls gewaltige Anzahl an Verbindungen bei diskreten Halbleitern.