QS in der Aufbau- und Verbindungstechnik
Bumps und Ball Grid Arrays
Geringer Platzbedarf, gute Wärmeableitung und kurze Leitungswege sind nur einige der Gründe, warum die Halbleiterindustrie auf Lötkugeln, sogenannte "Bumps", aller Art setzt, um verschiedene Chipebenen und ganze Bauteile untereinander oder mit einer Leiterplatte zu kontaktieren. Ball-Grid-Arrays nutzen einen vertikalen Pfad für den elektrischen Kontakt, was zu hohen Anforderungen an die Koplanarität der aufgebrachten Lotkugeln und des gesamten Bauteils führt. Die Überwachung der Bumphöhe, des Verzugs und der Koplanarität ist daher unerlässlich, um die Zuverlässigkeit des nachfolgenden Lötvorgangs zu gewährleisten. Dies gilt sowohl für gedruckte Bumps als auch für elektrochemisch aufgebrachte Kupfersäulen, sogenannte Copper-Pillars, die zusätzlich zur Lothalbkugel einen Kupferzylinder zur Überbrückung eines Höhenunterschieds nutzen.
Die ständige Miniaturisierung, wichtigster Schrittmacher in der Weiterentwicklung von Halbleiterbauelementen, betrifft auch die Verbindungen, weshalb Bumps und Copper-Pillars jeden Höhenbereich abdecken - von wenigen Mikrometern Höhe bis hin zu Lotkugeln mit einem Durchmesser im Millimeterbereich. Verbindungen mit einem Durchmesser von 20 Mikrometern oder weniger stellen immer höhere Anforderungen an die eingesetzte Messtechnik. Solarius deckt mit chromatischen, konfokalen und Triangulationssensoren alle Größenbereiche der Kontakte ab und ermöglichet eine zuverlässige 100% Prozesskontrolle von hohen Stückzahlen.
Bump Geometrie
Die Höhe, der Durchmesser und damit das Volumen der Bumps bestimmen die Menge an Lot, die für die Herstellung der Verbindung zwischen den zu integrierenden Schaltkreisen bzw. der Leiterplatte zur Verfügung steht. Um die Lotmenge zu überprüfen, ist es daher notwendig, die Höhe der Bumps im Verhältnis zur Umgebung und deren Durchmesser zu messen. Neben Fehlern in Höhe und Durchmesser kann auch das völlige Fehlen eines Bumps, das Verschmelzen zweier Lotkugeln zu sogenannten Brücken oder eine falsche Positionierung auftreten. Für eine sichere Funktion der Produkte müssen solche Fehler bereits im Prozess gefunden und die fehlerhaften Bauteile automatisch aussortiert werden. Solarius Technologie ermöglicht die Messung von komplizirten Geometrien über einen ausgedehnten Größen- und Dynamikbereich und ist damit ideal für die Messung von Bumps geeignet.
Koplanarität und Ebenheit
Nicht nur die Höhe der einzelnen Bumps ist wichtig, sondern auch ihre Höhenunterschiede in Relation. Ein mit Bumps bestücktes Bauteil liegt auf den Kopf gestellt immer auf drei Punkten, welche die sogenannte "Seating Plane" definieren. Die Höhenabweichung aller anderen Lötpunkte von der Seating Plane wird als Koplanarität bezeichnet. Ist dieser Wert zu hoch, kann ein ausreichender elektrischer Kontakt nach dem Umschmelzen nicht mehr gewährleistet werden, weshalb die Koplanaritätsüberwachung ein wesentlicher Bestandteil der Prozesskette ist. Neben der Seating Plane sind auch andere Bezugsebenen sinnvoll, wie z.B. die Globalebene, die als kleinste quadratische Ebene durch alle Bumps bestimmt wird. Diese Werte können mit Hilfe von Solarius Technologie in einer einzigen Datenaufnahme ermittelt werden.
Die Koplanaritätswerte ergeben sich aus den einzelnen Bumphöhen in Kombination mit der Ebenheit des Substrats. Diese Ebenheit wird gleichzeitig mit der Messung der Bumphöhen ermittelt und gibt Aufschluss über die vorangegangenen Produktionsprozesse.
Wire Bonds
Wenn die Herstellung eines integrierten Schaltkreises im Frontend mit dem Sägen des Wafers abgeschlossen ist, beginnt im Backend das sogenannte Packaging. Das bedeutet die Befestigung dieser Schaltkreise oder Chips auf einem Träger oder auf einem Kühlkörper, die elektrische Kontaktierung und Einbettung in ein Isolierharz sowie gegebenenfalls der Einbau in ein Gehäuse. Das Bonden der gesägten Chips auf eine Trägerplatte mit anschließender Einbettung in ein Epoxidharz ist eine kostengünstige Möglichkeit, einen prozessierten Siliziumchip in ein robustes Bauelement zu verwandeln.
Die elektrische Kontaktierung wird häufig mit Drahtbonds realisiert, die den Herstellern größtmögliche Flexibilität erlauben: Je nach Anforderung kann man zwischen verschiedenen teuren Materialien wählen. Der Durchmesser und die Form des Drahts können individuell mit einem hohen Maß an Variabilität angepasst werden, um robuste Bauteile für anspruchsvolle Umgebungen zu schaffen.
Hohe Reflektivität, kleine Abmessungen und steile Flanken erschweren das Erkennen und Messen von Bonddrähten. Hohe Stückzahlen und kurze Taktzeiten verschärfen diese Schwierigkeiten. Das breite Portfolio von Solarius hat jedoch auch auf jede dieser Herausforderungen eine passende Antwort, die es ermöglicht, selbst die komplexesten Geometrien genau, reproduzierbar und automatisch zu erfassen.
Chipposition und Loophöhe
Um einen zuverlässigen Bondingprozesss zu gewährleisten, muss der Chip in der richtigen Position mit der Grundplatte verbunden werden, einschließlich Höhe, Winkel, Drehung und Verzug. Bei unzähligen Prozessschritten in kürzester Zeit kommt es jedoch häufig zu Fehlausrichtungen. Darüber hinaus gibt die Einhaltung der Bonddrahthöhe eine Aussage über die Zuverlässigkeit des Bondprozesses. Stimmt die Bonddrahthöhe nicht, liegt die Ursache in abgerissenen Drähten oder einem falschen Verfahrweg der Kapillare. Dünne, runde und spiegelnde Drähte sind für die meisten optischen Inspektionssysteme ein schwieriges Prüfobjekt. Mit Solarius Messtechnik können Sie diese Objekte zuverlässig erkennen.
Kontaktposition, Kugelhöhe und -durchmesser
Während des extrem schnellen Bondingprozesses kann es zu einer Fehlpositionierung kommen, die das gesamte Gerät unbrauchbar macht. Durch die automatische Erkennung der Verbindungsgeometrie können Sie auf eine manuelle, arbeitsintensive Kontrolle verzichten, ohne das Risiko von Kundenreklamationen einzugehen. Der verwendete Metalldraht wird durch eine Kombination aus Wärme, Druck und Ultraschall umgeschmolzen und mit dem Pad des Chips in Kontakt gebracht. Es bildet sich eine charakteristische "Kugel", deren Form und Größe Rückschlüsse auf die Qualität des Kontakts mit dem Pad zulässt.
Epoxidharzmatrix
Neben der Herstellung der Verbindung dient das Epoxidharz dazu, vorhandene Hohlräume zu füllen und das Gerät zu versiegeln. Die exakte Einhaltung der Epoxidharzmenge ist Voraussetzung für die einwandfreie Funktion der Bauteile: Zu viel Epoxidharz kann zur Nichteinhaltung der Bauteilgeometrie führen, zu wenig ist die Ursache für eine fehlerhafte Verbindung. Mit Solarius Technologie kann dieser Prozess in der Fertigungslinie überwacht und eine zuverlässige Kontrolle der Bauteile durchgeführt werden.
