MIKROELEKTRONIK KONSULT AB

MIKROELEKTRONIK KONSULT AB Anslutning av halvledarchips innehåll: 1.Trådförbindning Au kontra Al-bondning 2.Bondning för höga strömmar 3.Anslutning via bumpar dvs Flip Chip -teknik Hägergatan 79, 692 36 Kumla,Sweden Phone:+46-19-581890 Fax:+46-19-581802 Email:hans.danielsson@mbox301.swipnet.se

MIKROELEKTRONIK KONSULT AB OLIKA SÄTT ATT ANSLUTA (FÖRBINDA) IC-CHIPS TILL SUBSTRAT/LAMINAT A) Trådförbindning dvs Au- eller Al-bondning IC-chip Lim B) Flip Chip-teknik.Här måste man först tillverka ”bumpar” på wafern,vilket kan ske på olika sätt IC-chip Hägergatan 79, 692 36 Kumla,Sweden Phone:+46-19-581890 Fax:+46-19-581802 Email:hans.danielsson@mbox301.swipnet.se

MIKROELEKTRONIK KONSULT AB Sågning av standardwafer Bumpning och sågning av wafer Trådbondning Flip Chip Montering av Flip Chip (tryck värmeförbindning) Deponering av lim på substrat/laminat Montering av chip Eltest Kapsling (Om så krävs) Härdning av lim Bondning av n st trådar Antal tillverkningssteg för att montera ett trådbondat chip och ett Flip Chip Eltest Kapsling Hägergatan 79, 692 36 Kumla,Sweden Phone:+46-19-581890 Fax:+46-19-581802 Email:hans.danielsson@mbox301.swipnet.se

MIKROELEKTRONIK KONSULT AB Au-ball bond Hägergatan 79, 692 36 Kumla,Sweden Phone:+46-19-581890 Fax:+46-19-581802 Email:hans.danielsson@mbox301.swipnet.se

MIKROELEKTRONIK KONSULT AB Al-wedge bond(Denna typ av bondmaskin kan även bonda Au-tråd) Hägergatan 79, 692 36 Kumla,Sweden Phone:+46-19-581890 Fax:+46-19-581802 Email:hans.danielsson@mbox301.swipnet.se

MIKROELEKTRONIK KONSULT AB Au-ball bonding Eftersom Au-tråden kommer vertikalt genom ett hål och kapillären är symmetrisk,innebär detta att man efter att ha bondat 1:a bonden på chipet kan röra kapillären åt vilket håll som helst (eg substratet) Al-wedge bonding Eftersom Al-tråden går genom ett hål i kapilären måste man ”rikta upp” substratet så att man först bondar en bond på chipet och sedan kan föra substratet ”i Al-trådens riktning” innan bond 2 på substratet kan bondas B (Om A bondas först och sedan B bondas på substratet,måste substratet med chip vridas 90 ° och förflyttas i sidled innan man kan bonda C och D A C D Hägergatan 79, 692 36 Kumla,Sweden Phone:+46-19-581890 Fax:+46-19-581802 Email:hans.danielsson@mbox301.swipnet.se

MIKROELEKTRONIK KONSULT AB Hägergatan 79, 692 36 Kumla,Sweden Phone:+46-19-581890 Fax:+46-19-581802 Email:hans.danielsson@mbox301.swipnet.se

MIKROELEKTRONIK KONSULT AB Sannolikhet för en bra bond här=(1- dc) Sannolikhet för en bra bond här=(1-ds) dc och ds anges i ppm ,part per million=10-6 Hägergatan 79, 692 36 Kumla,Sweden Phone:+46-19-581890 Fax:+46-19-581802 Email:hans.danielsson@mbox301.swipnet.se

MIKROELEKTRONIK KONSULT AB De två vänstra bilderna visar en ”spotty bond” efter åldring Bilden längst till höger visar de olika inter- under 1 timma vid 300 °C.Denna bond hade < 0,1 gram i metallerna hos en ”bra” bond efter åldring. Bondstyrka Notera att den porösa intermetallen hamnar En vänstra bilden ovan visar hur Al-padden på chipet ser ut. längst ut under Au-kulan vilket ger låg lyftkraft Notera den porösa intermetallen AuAl2 tack vareAu-kulans krökning. Den mittersta bilden visar den korresponderande Au-kulan där man ser kratrar där Au har bildat intermetall med Al. Hägergatan 79, 692 36 Kumla,Sweden Phone:+46-19-581890 Fax:+46-19-581802 Email:hans.danielsson@mbox301.swipnet.se

MIKROELEKTRONIK KONSULT AB Au-tråd bondad mot Al på chip åldrad i 43000 timmar Resistansändringar vid åldring vid 200 °C för olika vid 200 °C (4,9 år) Al-tjocklekar med eller utan Si-inblandning Hägergatan 79, 692 36 Kumla,Sweden Phone:+46-19-581890 Fax:+46-19-581802 Email:hans.danielsson@mbox301.swipnet.se

MIKROELEKTRONIK KONSULT AB Bilden till vänster visar att med Au-bondning mot ledare av tjockfilmsguld ökar medelvärdet på bondstyrkan från 6,5 till 8 gram efter åldring 1 timme vid 290 °C (ESA-krav) Viktigare är dock att medelvärdet M -3 s ökar med 50 % från 4 till 6 gram.De svagaste bondarna har alltså blivit 50 % starkare! Vid Al-bondning mot ledare av tjockfilmsguld minskar medelvärdet av bondstyrkan från 12 gram till 3,5 gram. M-3s minskar från 8 gram till ca 1 gram Vid fallprov från 1,5 m höjd (alt 1 m höjd) är det lätt att visa att om en krets med Au-tråd klarar fallprovet då kretsen är nytillverkad,klarar den också provet då den varit i drift under 20 års tid! Vid Al-tråd är det svårt att argumentera! Hägergatan 79, 692 36 Kumla,Sweden Phone:+46-19-581890 Fax:+46-19-581802 Email:hans.danielsson@mbox301.swipnet.se

MIKROELEKTRONIK KONSULT AB • Fördelar med Au-ball bond • 2-4 gånger snabbare än Al-bondmaskiner • 99% av alla världens IC bondas med Au- ball bond maskiner • Kan användas för att göra ”Stud Bump”Flip Chip • Minsta pitch i produktion 60 µm • Nackdelar med Au-ball bond • Måste bondas med substratet/laminatet > 100 °C • Fördelar med Al-wedge bond • Kan bondas på billiga laminat eftersom bondningen kan ske vid rumstemperatur • Al-wedge-bond används ALLTID vid bondning till effekthalvledare eftersom grova trådar krävs • Al-tråd används ibland för applikationer med höga g-krafter • Minsta pitch i produktion 60 µm • Nackdelar med Al-wedge bond • Långtidstillförlitlighet i svår miljö Hägergatan 79, 692 36 Kumla,Sweden Phone:+46-19-581890 Fax:+46-19-581802 Email:hans.danielsson@mbox301.swipnet.se

MIKROELEKTRONIK KONSULT AB • Bondning av effektkomponenter dvs trådar där stora strömmar flyter • För höga strömmar används oftast Al-tråd (Av kostnadsskäl) • Vanligaste Al-trådarna har en diameter större än 70 µm • Viktigt att Al-trådar bondas med en korda enligt följande figur dvs H0 skall vara minst 25 % av avståndet mellan bondpunkterna! • Bilden ovan visar hur Al-tråden utvidgas (Al=24 ppm/°C) då höga strömmar löper genom den.Om Al-tråden är dragen med för liten korda H0 blir påfrestningarna för stora vid Al-trådens två bondpynkter (Utmattning) Hägergatan 79, 692 36 Kumla,Sweden Phone:+46-19-581890 Fax:+46-19-581802 Email:hans.danielsson@mbox301.swipnet.se

MIKROELEKTRONIK KONSULT AB Varför är det så viktigt att då man bondar på mönsterkortmaterial ha ett lager Nioch tunt Au på mönsterkortets bondpaddar? 1)Studera två bondpaddar A och B på bilden nedan A B Bondpad A ligger på ett tjockt lager epoxy medan bondpad B ligger praktiskt taget på glasfiberväven.Detta ger olika betingelser för bondningen och olika tillförlitlighet på bondarna.Ett Ni-lager ca 4-5 µm tjockt styvar upp bondpaddarna avsevärt och ger avsevärt bättre reproducerbarhet på bondarnas tillförlitlighet.Au-skiktet är till för att förhindra att Ni-lagret oxiderar Hägergatan 79, 692 36 Kumla,Sweden Phone:+46-19-581890 Fax:+46-19-581802 Email:hans.danielsson@mbox301.swipnet.se

MIKROELEKTRONIK KONSULT AB Vilka metaller kan man bonda mot utan att få tillförlitlighetsproblem efter lång tid i drift? Au-tråd kan bondas mot: Au,Ag,Pd(om på mönsterkort krävs Ni under Pd),Au+Ni Au-tråd bör INTE bondas mot: Cu, Al-tråd kan bondas mot: Au+Ni,Al,Ni (oxider måste tas bort innan) ,Tjockfilms-Au under vissa förutsättningar Al-tråd bör INTE bondas mot: Cu (bör ha Ni+Aupå ledaren),Absolut inte mot Ag Hägergatan 79, 692 36 Kumla,Sweden Phone:+46-19-581890 Fax:+46-19-581802 Email:hans.danielsson@mbox301.swipnet.se

MIKROELEKTRONIK KONSULT AB Kallas ofta UBM-lager (Under Bump Metallization) • Oftast sker bumpning direkt på en wafer dvs innan man har sågat wafern i individuella chip.Det finns dock ett par tekniker där man kan bumpa en del av en wafer och t.o.m. enstakachips.Sådana bumpningstekniker är • Stud Bump-teknik • Electroless Ni+Au.teknik Hägergatan 79, 692 36 Kumla,Sweden Phone:+46-19-581890 Fax:+46-19-581802 Email:hans.danielsson@mbox301.swipnet.se

MIKROELEKTRONIK KONSULT AB Au-ball STUD Bumping • Det finns automatiska Au-ball bondmaskiner som kan: • Bumpa 18 bumpar per sekund • Minsta pitch = 70 µm för 3 sigma i produktion(60 µm på gång) • Flexibel teknik,inga fotomasker krävs,ny chiplayout medför bara omprogrammerinf av bondutrustningen Det finns 2 olika sätt att ansluta Flip Chip med Stud Bump till substrat/laminat: 1) Tryck/värmeförbindning (thermocompression) -Man vänder chipet med bumparna nedåtmot substratet,Under tryck(40 gf/bump) och vid 380°C kan bondning ske på 10 sekunder. Lämpligt för MMIC-kretsar (GaAs) med få bumpar.Man måste använda KERAMISKA substrat eftersom temperaturen är så hög! 2) Limma med ledande lim(vanligen Ag-lim) -Man doppar chipets bumpar i ett tunt lager Ag-lim som ligger på en plan glasskiva -Man monterar sedan chipet på ett mönsterkort eller keramiskt laminat OBS!Kräver Au-pläterade ytor på mönsterkortet (Ni+Au exvis) -Då limmet är härdat kan elektrisk test göras och ev inbränning ske.Felaktiga chips byts lättt!Denna teknik är lämplig för korta serier med moduler som har > 3 -4 chips.Underfill måste göras då test OK Hägergatan 79, 692 36 Kumla,Sweden Phone:+46-19-581890 Fax:+46-19-581802 Email:hans.danielsson@mbox301.swipnet.se

MIKROELEKTRONIK KONSULT AB Stud Bumps monterade med icke ledande lim (Non Conductive Adhesive) • Metoden är ekonomiskt mycket gynnsam eftersom ”epoxyn” inte innehåller några metallpartiklar och man samtidigt som limmet härdar erhåller underfill. • Används i dag i produktion med 1 chip per substrat • Med flera chips per substrat kan problem uppstå om olika tjocklek på chipen och vågighet på laminatet vilket medför olika mekaniskt tryck på chipen.Detta är dock sannolikt lösbart. • Metoden troligen mycket användbar med flexibla substrat Hägergatan 79, 692 36 Kumla,Sweden Phone:+46-19-581890 Fax:+46-19-581802 Email:hans.danielsson@mbox301.swipnet.se

MIKROELEKTRONIK KONSULT AB Electroless Ni+Au bumps • Metoden kräver inga fotomasker • Metoden kan arbeta med hela wafers ned till enstaka chips • Metoden kapslar in de ”känsliga Al-paddarna i Ni vilket ökar tillförlitligheten i svår miljö • Metoden ger 5-ca 20 µm höga bumpar • Metoden utmärkt för ACA (Anisotropic Conductive Adhesive) • Metoden används ofta (5 µm höga bumpar) som underlag för att trycka lodpasta på wafers • Metoden utvecklad i Finland (PicoPac) men största ”utvecklaren” är i Tyskland (PacTech) Hägergatan 79, 692 36 Kumla,Sweden Phone:+46-19-581890 Fax:+46-19-581802 Email:hans.danielsson@mbox301.swipnet.se

MIKROELEKTRONIK KONSULT AB Olika metoder för att göra lodbumpar genom tryckning av lodpasta på wafers Tryckning av lodpasta genom metallstencil Ta bort fotoresist resp metallstencil Lodpastans volym efter omsmältningslödning är kxV där V=volymen lodpasta efter tryckning (k ca 0,5 beror på lodpastan)Bl a av denna anledning blir minsta pitch och bumphöjd begränsade med dessa tryckningsmetoder Omsmältningslödning i N2 Tryckning av lodpasta genom tjock fotoresist OBS!Med dessa metoder kan man trycka exvis SnAgCu-pasta dvs blyfri pasta! Hägergatan 79, 692 36 Kumla,Sweden Phone:+46-19-581890 Fax:+46-19-581802 Email:hans.danielsson@mbox301.swipnet.se

MIKROELEKTRONIK KONSULT AB Elektropläterade bumpar Tjock fotoresist 50-100 µm Groddlager som kortsluter samtliga paddar på wafern(måste tas bort innan wafern delas) UBM (Under Bump Metallization) Al-pad • Pläterad bump.Kan vara: • Au • Cu • PbSn (OBS ej blyfritt får ej användas i mobila sammanhang) • Denna typ av bump tillåter den minsta pitchen samtidigt som bumparnas höjd kan vara relativt hög, vilket dock kostar (processtid) • Au-bumparna kan doppas i ledande lim (kräver Au-plätering på mönsterkortet) för reparerbarhet vilket krävs för komplexa moduler med dyra processorchip t.ex Hägergatan 79, 692 36 Kumla,Sweden Phone:+46-19-581890 Fax:+46-19-581802 Email:hans.danielsson@mbox301.swipnet.se

MIKROELEKTRONIK KONSULT AB Anisotropical Conductive Paste (ACP) or Film (ACF) • ACP har fördelar över ACF pga: • Pasta kan tryckas och dispenseras etc på flera ställen av ett substrat ”samtidigt” • ACP är billigare än ACF • ACF måste delas upp i olika stora filmer,en för varje chipstorlek,dessa måste utplaceras och förmonteras innan Flip Chipen kan monteras Däremot kan ACF ha en fördel om man skall montera chips med extremt liten pitch Hägergatan 79, 692 36 Kumla,Sweden Phone:+46-19-581890 Fax:+46-19-581802 Email:hans.danielsson@mbox301.swipnet.se

MIKROELEKTRONIK KONSULT AB