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DE19504967A1 - Verfahren zur Verbindung eines flexiblen Substrats mit einem Chip - Google Patents

Verfahren zur Verbindung eines flexiblen Substrats mit einem Chip

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DE19504967A1
DE19504967A1 DE19504967A DE19504967A DE19504967A1 DE 19504967 A1 DE19504967 A1 DE 19504967A1 DE 19504967 A DE19504967 A DE 19504967A DE 19504967 A DE19504967 A DE 19504967A DE 19504967 A1 DE19504967 A1 DE 19504967A1
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laser radiation
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DE19504967A
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DE19504967C2 (de
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Ghassem Azdasht
Elke Zakel
Herbert Reichl
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ZAKEL, ELKE, DR., 14612 FALKENSEE, DE
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur thermi­ schen Verbindung von Kontaktelementen eines flexiblen Sub­ strats mit Kontaktmetallisierungen eines elektronischen Bau­ elements, wobei das flexible Substrat eine Trägerschicht aus Kunststoff aufweist und eine Energiebeaufschlagung der Kon­ taktelemente von deren Rückseite her erfolgt.
Zur Verbindung von flexiblen Substraten mit einem elektroni­ schen Bauelement, beispielsweise ein Chip, wird bislang übli­ cherweise das Thermokompression-Verfahren eingesetzt, bei dem eine sogenannte Thermode unter Einwirkung von Druck und Tempe­ ratur 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 Zerset­ zungstemperatur aufweist, die im Bereich der zur Verbindung notwendigen Temperatur liegt, zu verhindern, ist es bei dem bekannten Verfahren erforderlich, vor Beaufschlagung der Kon­ taktelemente mit Druck und Temperatur die Trägerschicht und gegebenenfalls eine die Trägerschicht mit den Kontaktelementen verbindende Kleberschicht zu entfernen, so daß ein unmittelba­ rer 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" be­ zeichnete 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, auto­ matisierten Verbindungsverfahrens einsetzen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren vorzuschlagen, das ohne das vorstehend geschilderte separate Verfahren eine Verbindung von flexiblen Substraten mit elektronischen Bauelementen ermöglicht.
Gemäß einer ersten durch die Merkmale des Anspruchs 1 gegebe­ nen Lösung ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Beauf­ schlagung 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 erfindungsge­ mäß der Beaufschlagung mit Laserstrahlung eine Druckbeauf­ schlagung überlagert, derart, daß während der Beaufschlagung mit Laserstrahlung die Kontaktelemente des Substrats und die Kontaktmetallisierung des Bauelements aneinandergedrückt wer­ den.
Diese Druckbeaufschlagung erweist sich als besonders wichtig, da hiermit die Ausbildung von Luftspalten zwischen den Kon­ taktelementen 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 uner­ wünschte Temperaturbelastung des Substrats bzw. der Trä­ gerschicht und gegebenenfalls einer die Trägerschicht mit den Kontaktelementen verbindenden Kleberschicht bewirken würde.
Durch Verwendung von Strahlungsenergie zur Temperaturbeauf­ schlagung der Kontaktelemente werden die im Normalfall bei­ spielsweise bei einer aus Polyimid gebildeten Kunststoff- Trägerschicht gegebenen guten Transparenzeigenschaften ausge­ nutzt, um aufgrund der guten Absorptionseigenschaften der me­ tallischen Kontaktelemente die für die thermische Verbindung notwendige Temperatur lediglich im Verbindungsbereich zu er­ zeugen.
Als besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn die Energiebe­ aufschlagung mit einer Lichtleitfaser erfolgt, die sowohl zur Einleitung der Laserstrahlung in das Substrat als auch zur Druckbeaufschlagung dient. Bei Anwendung einer derartigen Va­ riante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Verfahrens­ durchführung mit einem minimalen Aufwand für die zur Durchfüh­ rung des Verfahrens benötigten Vorrichtungen möglich.
Wenn darüber hinaus zur Druckbeaufschlagung die Lichtleitfaser mit ihrer Faserendfläche unmittelbar gegen die Trägerschicht des Substrats gedrückt wird, wird noch eine weitere Vereinfa­ chung in der Durchführung des Verfahrens ermöglicht.
Gemäß weiteren vorteilhaften Ausführungen des Verfahrens be­ steht auch die Möglichkeit, die Energiebeaufschlagung mittels einer Lichtleitfaser oder einer Lichtleitoptik vorzunehmen, und zur Druckbeaufschlagung eine separate, also hiervon unabhängige, Andruckeinrichtung zu verwenden. Hierdurch ist es möglich, die Andruckeinrichtung in ihrer Ausführung den je­ weils gegebenen, aktuellen Abmessungen des Substrats bzw. des Bauelements anzupassen.
Eine Möglichkeit zur Druckbeaufschlagung besteht darin, in ei­ nem Kontaktbereich zwischen dem Substrat und dem Bauelement Unterdruck zu erzeugen.
Gemäß einer zweiten Lösung, deren Merkmale durch den Gegen­ stand des Anspruchs 6 gegeben sind, erfolgt die Verbindung des Substrats mit dem Bauelement in zwei Phasen. Erfindungsgemäß erfolgt in einer ersten Phase eine Beaufschlagung der Träger­ schicht mit Ultraschall-induzierten mechanischen Schwingungen und Druck, derart, daß ein einen Anschlußbereich eines Kon­ taktelements überdeckender Trägerschichtbereich freigelegt wird. In einer nachfolgenden zweiten Phase erfolgt eine Beaufschlagung des nunmehr im Anschlußbereich rückseitig frei­ gelegten Kontaktelements mit Druck und Temperatur und/oder Ul­ traschall-induzierten mechanischen Schwingungen zur Verbindung mit der zugeordneten Kontaktmetallisierung.
Auch dieses zweite erfindungsgemäße, zum ersten erfindungsge­ mäßen Verfahren alternative Verbindungsverfahren ermöglicht eine Kontaktierung zwischen einem Substrat und einem Bauele­ ment ohne eine getrennt vom Verbindungsvorgang und unabhängig von diesem durchgeführte Vorbehandlung des Substrats in einem separaten Verfahren. Vielmehr erfolgen gemäß der zweiten er­ findungsgemäßen Lösung die erste Phase, die zur Vorbereitung der eigentlichen Kontaktierung dient, und die zweite Phase, die eigentliche Kontaktierungsphase, miteinander kombiniert in einem Arbeitsgang. Dabei wird für die "Freilegung" der Kontaktelemente im Anschlußbereich eine Energiebeaufschlagung gewählt, die im wesentlichen durch Ultraschall-induzierte Schwingungen und Druck gekennzeichnet ist, also Energieformen, die sich für die Kunststoff-Trägerschicht als unschädlich er­ weisen, da sie nur diskret wirksam sind und nicht wie eine Temperaturbeaufschlagung der Trägerschicht zu großflächigen Zersetzungen der Trägerschicht oder zu Delaminationen zwischen den Kontaktelementen und der Trägerschicht führen. Die zur Herstellung der thermischen Verbindung notwendige Temperatur­ beaufschlagung erfolgt bei dieser zweiten erfindungsgemäßen Erfahrungsalternative übereinstimmend mit der ersten erfin­ dungsgemäßen Verfahrensalternative lediglich im Verbindungsbe­ reich zwischen den Kontaktelementen des Substrats und den Kon­ taktmetallisierungen des Bauelements.
Als besonders vorteilhaft erweist sich die vorgenannte erfin­ dungsgemäße Verfahrensalternative, wenn die Energiebeaufschla­ gung mittels einer stiftförmigen Thermode erfolgt, die während der ersten Phase zur Beaufschlagung der Trägerschicht mit Ul­ traschall und während der zweiten Phase zur Beaufschlagung des Kontaktelements mit Temperatur und/oder Ultraschall be­ aufschlagt wird. Hierdurch wird es nämlich möglich, beide Pha­ sen mit ein und demselben Werkzeug durchzuführen, so daß sich das Verfahren als besonders einfach in der Durchführung er­ weist und auch nur eine entsprechend einfach ausgebildete Vor­ richtung zu dessen Durchführung notwendig ist.
Nachfolgend werden die beiden erfindungsgemäßen Verfahrensal­ ternativen beispielhaft anhand der Zeichnungen näher erläu­ tert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Verbindungsverfahren unter Verwendung von Laser­ strahlung;
Fig. 2 ein Verbindungsverfahren unter Anwendung einer aus Ul­ traschall und Temperatur kombinierten Energiebeaufschlagung.
Fig. 1 zeigt eine Variante der ersten erfindungsgemäßen Ver­ fahrensalternative, bei der eine Beaufschlagung eines Sub­ strats 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 Sput­ tern aufgebrachten Metallisierung 16 besteht.
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 Ver­ bindung mit den Kontaktelementen 14, 15 dienen.
Die Kontaktelemente 14, 15 des Substrats 10 bestehen im we­ sentlichen aus Kupfer, das mit einer dünnen Oberflächenbe­ schichtung 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 in Fig. 1 dargestellte, nachfolgend erläuterte Verbin­ dungstechnik ist ebenso beim Tape-Automated-Bonding-Verfahren wie beim Flip-Chip-Verfahren anwendbar.
Zur Beaufschlagung des Substrats 10 mit Laserstrahlung 11 dient bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel eine Lichtleitfaser 18, die auf die den Kontaktelementen 14, 15 ge­ genüberliegende Rückseite 19 der Trägerschicht 13 mit ihrer Faserendfläche 20 aufgesetzt wird. Die Aufsetzstelle ist dabei so gewählt, daß sich eine Überdeckung mit einem Anschlußbe­ reich 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 Kontaktele­ mente 14 bzw. 15 den jeweiligen Kontaktmetallisierungen 17 des Chips 12 zugeordnet sind. Die Verbindung der einzelnen Kon­ taktelemente 14, 15 mit den zugeordneten Kontaktmetallisierun­ gen 17 kann im sogenannten "single-point-bonding"-Verfahren erfolgen, bei dem nacheinander die Verbindungen zwischen den einzelnen Paarungen aus Kontaktelementen 14 bzw. 15 und Kon­ taktmetallisierungen 17 durchgeführt werden.
Zur thermischen Verbindung zwischen einem Kontaktelement 14 und einer zugeordneten Kontaktmetallisierung 17 wird das Sub­ strat 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 er­ folgt über eine an die Lichtleitfaser 18 angekoppelte Laser­ quelle 22, für die sich bei der vorstehend angegebenen Kombi­ nation aus dem Material für die Trägerschicht 13 und dem Mate­ rial für das Kontaktelement 14 besonders ein Nd:YAG-Laser eignet, der eine Laserstrahlung mit einer Wellenlänge von 1065 nm emittiert. Bezogen auf diese Wellenlänge weist die Po­ lyimid-Trägerschicht 13 eine Transmission von 88% auf. Ein er­ heblicher Anteil der nicht hindurchgeleiteten Strahlung wird reflektiert, so daß lediglich ein vergleichsweise geringer Strahlungsanteil absorbiert wird. Die Absorption der Laser­ strahlung 11 erfolgt im wesentlichen in dem aus Kupfer gebil­ deten Kontaktelement 14, das sich entsprechend erwärmt. Über die vorstehend beschriebene spaltfreie Ankopplung des Kontakt­ elements 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 er­ wärmt.
Um zu verhindern, daß es zu einer Überhitzung im Verbindungs­ bereich zwischen dem Kontaktelement 14 und der Kontaktmetalli­ sierung 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 Materialen 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 Tempera­ turregelung überwacht wird. Dies kann beispielsweise unter Zu­ hilfenahme 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 darge­ stellte Temperaturregeleinrichtung weiterleitet.
Fig. 2 erläutert eine Variante einer weiteren erfindungsgemä­ ßen Verfahrensalternative, bei der die Energiebeaufschlagung eines Substrats 25 mittels einer Thermode 26 erfolgt.
Das Substrat 25 unterscheidet sich von dem Substrat 10 darin, daß die Kontaktelemente 14, 15 nicht unmittelbar auf die Trä­ gerschicht 13 aufgebracht sind, sondern zwischenliegend eine Kleberschicht 27 zur Verbindung der Kontaktelemente 14, 15 mit der Trägerschicht 13 vorgesehen ist. Bei einem derartig ausge­ bildeten Substrat können die Kontaktelemente aus einer auf die Trägerschicht auf laminierten Kupferfolie herausgearbeitet sein. Es wird betont, daß die Ausbildung des Substrats 10 bzw. 25 keinen wesentlichen Einfluß auf die Anwendbarkeit des in Fig. 1 und in Fig. 2 dargestellten Verfahrens hat. Vielmehr könnten die hier beispielhaft dargestellten Substrate 10 oder 25 auch gegeneinander ausgetauscht werden.
Bei der in Fig. 2 dargestellten Verfahrensvariante wird die Thermode 26 mit ihrem stiftförmigen Thermodenkopf 28, der im Durchmesser in etwa mit der in Fig. 1 dargestellten Lichtleit­ faser 18 übereinstimmt, gegen die Rückseite 19 der Träger­ schicht 13 gefahren. Der Thermodenkopf 28 wird in einer ersten Phase des Verbindungsvorgangs gegen den Anschlußbereich 21 des Kontaktelements 14 bewegt. Hierzu wird im wesentlichen durch Ultraschall-induzierte mechanische Mikroschwingungen der Ther­ mode 26 bzw. des Thermodenkopfs 28 unter gleichzeitiger Druckeinwirkung bzw. einer Vorschubbewegung die Trägerschicht 13 sowie die Kleberschicht 27 im Trägerschichtbereich 29 ent­ fernt. Erst wenn der Thermodenkopf 28 im Anschlußbereich 21 rückwärtig am Kontaktelement 14 anliegt, erfolgt in der zwei­ ten Phase eine zum Aufschmelzen der Kontaktmetallisierung 17 ausreichende Energiebeaufschlagung der Thermode 26, wobei gleichzeitig zur Sicherstellung einer guten Wärmekopplung die Thermode 26 gegen das Kontaktelement 14 gedrückt wird.
Die Art der Energiebeaufschlagung wird im wesentlichen durch die miteinander zu verbindenden Materialien der Kontaktele­ mente bzw. der Kontaktmetallisierungen bestimmt. Bei einer Gold/Gold-Kontaktierung erfolgt beispielsweise in der zweiten Phase eine Beaufschlagung mit Ultraschall, Temperatur und ge­ genüber der ersten Phase erhöhtem Druck, um die Materialien durch eine Preßschweißung miteinander zu verbinden. Bei einer Gold/Zinn-Kontaktierung ist es vorteilhaft für die zweite Phase eine Beaufschlagung mit Temperatur und einem im Ver­ gleich zum vorhergehenden Beispiel geringeren Druck zu wählen, um die Materialien in einem Lötvorgang miteinander zu verbin­ den.
Die zum Aufschmelzen der Kontaktmetallisierung 17 und zur Ver­ bindung der Kontaktmetallisierung 17 mit dem Kontaktelement 14 notwendige Temperatur liegt bei etwa 400°C. Diese Temperatur liegt im Bereich der Zersetzungstemperatur von Polyimid (etwa 400°C), so daß deutlich wird, daß eine unmittelbare Beauf­ schlagung der Trägerschicht 13, also ohne vorhergehende Ent­ fernung des Trägerschichtbereichs 29, eine Beschädigung der Trägerschicht 13 zur Folge hätte.

Claims (7)

1. Verfahren zur thermischen Verbindung von Kontaktelementen eines flexiblen Substrats mit Kontaktmetallisierungen ei­ nes elektronischen Bauelements, wobei das flexible Sub­ strat eine Trägerschicht aus Kunststoff aufweist und eine Energiebeaufschlagung der Kontaktelemente von deren Rück­ seite her erfolgt, gekennzeichnet durch
eine Beaufschlagung mit Laserstrahlung (11), wobei die Transparenz des Substrats (10), die Absorption der Kon­ taktelemente (14, 15) und die Wellenlänge der Laserstrah­ lung (11) derart aufeinander abgestimmt sind, daß die La­ serstrahlung im wesentlichen durch die Trägerschicht (13) hindurchgeleitet und in den Kontaktelementen (14, 15) ab­ sorbiert wird, und
eine Druckbeaufschlagung des Substrats (19) derart, daß die Kontaktelemente (14, 15) des Substrats (10) und die Kontaktmetallisierungen (17) des Bauelements (12) während der Beaufschlagung mit Laserstrahlung (11) aneinander an­ liegen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Energiebeaufschlagung mittels einer Lichtleitfa­ ser (18) erfolgt, die sowohl zur Einleitung der Laser­ strahlung (11) in das Substrat (10) als auch zur Druckbe­ aufschlagung dient.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleitfaser (18) zur Druckbeaufschlagung mit ihrer Faserendfläche (20) unmittelbar gegen die Träger­ schicht (13) des Substrats (10) gedrückt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Energiebeaufschlagung mittels einer Lichtleitfa­ ser (18) oder einer Lichtleitoptik erfolgt, und zur Druckbeaufschlagung eine hiervon unabhängige Andruckeinrichtung eingesetzt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Druckbeaufschlagung in einem Kontaktbereich zwi­ schen dem Substrat (10) und dem Bauelement (12) Unter­ druck erzeugt wird.
6. Verfahren zur thermischen Verbindung von Kontaktelementen eines flexiblen Substrats mit Kontaktmetallisierungen ei­ nes elektronischen Bauelements, wobei das flexible Sub­ strat eine Trägerschicht aus Kunststoff aufweist und eine Energiebeaufschlagung der Kontaktelemente von deren Rück­ seite her erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß in einer ersten Phase eine Beaufschlagung der Träger­ schicht (13) mit Ultraschall-induzierten mechanischen Schwingungen und Druck erfolgt, derart, daß ein einen An­ schlußbereich (21) eines Kontaktelements (14, 15) über­ deckender Trägerschichtbereich (29) freigelegt wird, und in einer zweiten Phase eine Beaufschlagung des Kontaktelements (14, 15) mit Druck und Temperatur und/oder Ultraschall-induzierten mechanischen Schwingun­ gen zur Verbindung mit der zugeordneten Kontaktmetalli­ sierung (17) erfolgt.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Energiebeaufschlagung mittels einer stiftförmigen Thermode (26) erfolgt, wobei die Thermode (26) während der ersten Phase zur Beaufschlagung der Trägerschicht (13) mit Ultraschall und während der zweiten Phase zur Beaufschlagung des Kontaktelements (14, 15) mit Tempera­ tur und/oder Ultraschall beaufschlagt wird.
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