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01200690.4
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein das Gebiet von Halbleiterbauelementen
bzw. -vorrichtungen und -prozessen und insbesondere den Entwurf und die Herstellung
eines Land-grid-array-Gehäuses bzw. eines Ball-grid-array-Gehäuses auf der Grundlage
einer Flip-Chip-Montage im Allgemeinen mikromechanischer Vorrichtungen und
insbesondere digitaler Mikrospiegelvorrichtungen.
BESCHREIBUNG DES STANDS DER TECHNIK
Mikromechanische Vorrichtungen umfassen Stellglieder, Motoren, Sensoren,
räumliche
Lichtmodulatoren
(SLM),
digitale
Mikrospiegelvorrichtungen
oder
verformbare Spiegelvorrichtungen (DMD) und andere. Das technische Potential dieser
Vorrichtungen ist besonders augenfällig, wenn die Vorrichtungen unter Verwendung der
Miniaturisierungsfähigkeit
der
Halbleitertechnologie
mit
Halbleiter-Schaltungs-
anordnungen integriert werden.
SLM sind Wandler, welche einfallendes Licht entsprechend einer elektrischen oder
anderen Eingabe in einem speziellen Muster modulieren. Das einfallende Licht kann in der
Phase, der Intensität, der Polarisation oder der Richtung moduliert werden. SLM der
Klasse
verformbarer
Spiegel
umfassen
mikromechanische
Felder
elektronisch
adressierbarer Spiegelelemente oder Pixel, welche selektiv bewegbar oder verformbar
sind. Jedes Spiegelelement ist ansprechend auf eine elektrische Eingabe in eine integrierte
Adressierungsschaltung, die mit den adressierbaren Spiegelelementen monolithisch in
einem gemeinsamen Substrat ausgebildet ist, bewegbar. Einfallendes Licht wird durch
Reflexion von jedem Element in der Richtung und/oder der Phase moduliert.
Wie in weiteren Einzelheiten in dem am 29. Oktober 1991 erteilten, auf den Erwerber
der vorliegenden Erfindung übertragenen US-Patent US-A-5 061 049 (Hornbeck, "Spatial
Light Modulator and Method") dargelegt ist, werden SLM mit verformbaren Spiegeln
häufig in drei allgemeinen Kategorien, nämlich der elastometrischen Kategorie, der
Membrankategorie und der Auslegerkategorie, als DMD bezeichnet. Die letztgenannte
Kategorie umfasst Torsionsausleger-DMD, DMD mit freitragenden Auslegern und
-2-
Biegeausleger-DMD.
Jedes
bewegbare
Spiegelelement
aller
drei
Typen
von
Ausleger-DMD weist einen verhältnismäßig dicken Metallreflektor auf, der in einer
normalen, nicht ausgelenkten Position durch einen integralen, verhältnismäßig dünnen
Metallausleger getragen wird. In der normalen Position ist der Reflektor von einer durch
das Substrat getragenen darunter liegenden Steuerelektrode beabstandet, welche eine
Spannung aufweisen kann, die durch die Adressierungsschaltung selektiv daran angelegt
wird.
Wenn die Steuerelektrode eine geeignete Spannung aufweist, wird der Reflektor
elektrostatisch von dieser angezogen und bewegt sich aus der normalen Position zur
Steuerelektrode und zum Substrat hin oder wird aus der normalen Position zur
Steuerelektrode und zum Substrat hin ausgelenkt. Diese Bewegung oder Auslenkung des
Reflektors bewirkt eine Verformung seines tragenden Auslegers, worin potentielle
Energie gespeichert ist, welche dazu neigt, den Reflektor in seine normale Position
zurückzuführen, wenn die Energie der Steuerelektrode fortgenommen wird. Die
Verformung eines freitragenden Auslegers schließt das Biegen um eine zur Achse des
Auslegers senkrechte Achse ein. Die Verformung eines Torsionsauslegers schließt eine
Verformung durch Verdrehen um eine zur Auslegerachse parallele Achse ein. Die
Verformung eines Biegeauslegers, der ein verhältnismäßig langer freitragender Ausleger
ist, welcher durch einen verhältnismäßig kurzen Torsionsausleger mit dem Reflektor
verbunden ist, weist beide Verformungstypen auf, wodurch ermöglicht wird, dass sich der
Reflektor kolbenartig bewegt.
Eine typische DMD weist ein Feld zahlreicher Pixel auf, wobei die Reflektoren von
jedem von diesen selektiv positioniert werden, um Licht zu einer gewünschten Stelle zu
reflektieren oder nicht. Um ein versehentliches Eingreifen eines Reflektors und seiner
Steuerelektrode zu vermeiden, kann eine Aufsetzelektrode für jeden Reflektor hinzugefügt
werden. Es wurde jedoch herausgefunden, dass ein ausgelenkter Reflektor manchmal an
seiner Aufsetzelektrode haftet. Es wurde behauptet, dass dieses Haften durch eine
intermolekulare Anziehung zwischen dem Reflektor und der Aufsetzelektrode oder durch
Substanzen mit einer hohen Oberflächenenergie, die an der Oberfläche der
Aufsetzelektrode und/oder an dem Abschnitt des Reflektors, der die Aufsetzelektrode
-3-
berührt, adsorbiert sind, hervorgerufen wird. Substanzen, die der Reflektor-Aufsetzelektroden-Grenzfläche eine so hohe Oberflächenenergie verleihen können, umfassen
Wasserdampf oder andere Gase aus der Umgebung (beispielsweise Kohlenmonoxid,
Kohlendioxid, Sauerstoff, Stickstoff) sowie Gase und organische Verbindungen, die sich
durch die Herstellung der DMD ergeben oder von dieser zurückgelassen werden. Ein
geeignetes DMD-Gehäuse ist in dem am 8. März 1994 erteilten auf den Erwerber der
vorliegenden Erfindung übertragenen US-Patent US-A-5 293 511 (Poradish u.a.,
"Package for a Semiconductor Device") offenbart.
Das Haften des Reflektors an der Aufsetzelektrode wurde durch Anlegen ausgewählter
Anzahlen, Dauern, Formen und Beträge von Spannungsimpulsen an die Steuerelektrode
gelöst. Einzelheiten können dem am 17. März 1992 erteilten US-Patent US-A-5 096 279
(Hornbeck u.a., "Spatial Light Modulator and Method") entnommen werden. Eine weitere
Verbesserung des Problems des Anhaftens ist in dem am 19. Juli 1994 erteilten, auf den
Erwerber der vorliegenden Erfindung übertragenen US-Patent US-A-5 331 454 offenbart
(Hornbeck, "Low Reset Voltage Process for DMD"). Dieses Patent beschreibt eine
Technik zum Passivieren oder Lubrifizieren des Abschnitts des Aufsetzelektrode, der in
Eingriff mit dem verformten Reflektor gelangt, und/oder des Abschnitts des verformten
Reflektors, der in Eingriff mit der Aufsetzelektrode gelangt. Die Passivierung wird durch
Absenken der Oberflächenenergie der Aufsetzelektrode und/oder des Reflektors bewirkt,
was wiederum durch durch chemische Dampfabscheidung erfolgendes Aufbringen einer
Monoschicht einer langkettigen aliphatischen halogenierten polaren Verbindung, wie
Perfluoralkylsäure, auf die eingriffsfähigen Oberflächen bewirkt wird. Objekte haften
nicht leicht, falls überhaupt, an Oberflächen mit einer niedrigen Energie, und es wird
gewöhnlich auch erwartet, dass sie für eine Sorption eine hohe Oberflächenenergie
verleihender Substanzen, wie Wasserdampf, widerstandsfähig sind.
Verfeinerungen
des
Passivierungsverfahrens
sind
in
den
US-Patenten
US-A-5 939 785, erteilt am 17. August 1999 (Klonis u.a., "Micromechanical Device
including Time-release Passivant") und US-A-5 936 758, erteilt am 10. August 1999
(Fisher u.a., "Method of Passivating a Micromechanical Device within a Hermetic
Package")
offenbart.
Das
Verfahren
umfasst
ein
zeitliches
Abgeben
eines
-4-
Passivierungsmaterials, vorzugsweise eines Molekularsiebs oder Bindemittels, das mit
dem Passivierungsmaterial imprägniert ist, von einer Quelle. Überdies gibt das Verfahren
eine vorgegebene Menge des Passivierungsmaterials in dem Gehäuse gleich nach der
Aktivierung der Vorrichtung ab und schweißt dann sofort eine hermetische Abdeckung
(die während des Schweißprozesses von dem Passivierungsmaterial frei ist) an das
Gehäuse an.
In der internationalen Patentanmeldung WO 98/05935 ist ein Verfahren zum
Verpacken von Sensoren und insbesondere ein Verfahren zum Verpacken und Schützen
von Mikrosensoren beschrieben, wobei eine oder mehrere Schichten von Schutzbeschichtungen auf eine oder beide Seiten des Sensorgehäuses aufgebracht werden, um
vor der Betriebsumgebung zu schützen. In der europäischen Patentanmeldung
EP-A-0 675 536 ist ein Prozess zum Herstellen einer integrierten Schaltung beschrieben,
wobei das Substrat mit einem Material beschichtet wird, das in Wasser verhältnismäßig
unlöslich ist.
Die beschriebene Empfindlichkeit der meisten mikromechanischen Vorrichtungen
würde es sehr wünschenswert machen, sie während aller Prozessschritte, die an der
Montage und dem Verpacken der Vorrichtung beteiligt sind, vor Staub, Teilchen, Gasen,
Feuchtigkeit und anderen Umgebungseinflüssen zu schützen. Es ist daher besonders
ungünstig, dass die herkömmliche Montage unter Verwendung eines Golddrahtbondens
nicht die Entfernung von Schutzmaterial von den mikromechanischen Vorrichtungen nach
Abschluss des Drahtbondens ermöglicht, so dass die Vorrichtungen während dieser
Prozessschritte ungeschützt bleiben müssen. Folglich ist ein Ausbeuteverlust fast
unvermeidbar.
Überdies sind die heutige Gesamtgehäusestruktur für mikromechanische Vorrichtungen auf der Grundlage von Mehrniveaumetallisierungs-Keramikmaterialien und
das Herstellungsverfahren kostspielig. Diese Tatsache steht in Widerspruch zu der
Anforderung des Marktes für viele Anwendungen mikromechanischer Vorrichtungen,
welche niedrige Vorrichtungskosten und damit niedrige Gehäusekosten fordern.
-5-
Es ist daher ein dringender Bedarf an einem kohärenten, kostengünstigen Verfahren
zum Verkapseln mikromechanischer Chips und einer kostengünstigen, zuverlässigen
Gehäusestruktur entstanden. Die Struktur sollte flexibel genug sein, um sie für
verschiedene mikromechanische Produktfamilien und ein breites Spektrum von Entwurfsund Prozessvariationen anwenden zu können. Vorzugsweise sollten diese Innovationen
erreicht werden, während die Herstellungszykluszeit verkürzt wird und der Durchsatz
vergrößert wird.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein kostengünstiges Keramikgehäuse in einer
Land-grid-array- oder Ball-grid-array-Konfiguration für mikromechanische Komponenten
hergestellt, indem der gesamte Wafer mit integrierten Schaltungen mit einem
Schutzmaterial beschichtet wird, die Beschichtung für die Lötkügelchenbefestigung
selektiv geätzt wird, die Chips isoliert werden, ein Chip durch Flip-Chip-Montage auf die
Öffnung eines Keramiksubstrats montiert wird, die Zwischenräume zwischen den
Lötverbindungen mit einer Polymerverkapselung unterfüllt werden, das Schutzmaterial
von den Komponenten entfernt wird und eine Abdeckung an dem Substrat befestigt wird,
um das Gehäuse zu dichten.
Das Verfahren zum Herstellen von Land-grid-array-Vorrichtungen für Halbleiterchips
weist die in Anspruch 1 angeführten Schritte auf.
Die offenbarte Gehäusestruktur ist in Bezug auf die Löt- und Unterfüllungsmaterialien
und geometrische Einzelheiten, wie den Speicherplatz für chemische Verbindungen
innerhalb des eingeschlossenen Hohlraums des Gehäuses, flexibel.
Die vorliegende Erfindung ist auf eine Vielzahl verschiedener mikromechanischer
Halbleitervorrichtungen, beispielsweise Stellglieder, Motoren, Sensoren, räumliche
Lichtmodulatoren und Vorrichtungen mit verformbaren Spiegeln, anwendbar. Bei allen
Anwendungen erreicht die Erfindung technische Vorteile sowie eine erhebliche
Kostenverringerung und Ertragserhöhung.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die mikromechanischen Komponenten Mikrospiegel für eine digitale Spiegelvorrichtung. In diesem
-6-
Fall ist die Abdeckung eine Platte aus Glas oder einem anderen für Licht transparenten
Material,
und
das
schützende
Material
ist
ein
Photoresist,
welcher
bei
photolithographischen Prozessen verwendet wird.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, dass die empfindlichen mikromechanischen
Komponenten bis zur endgültigen Befestigung der Abdeckung sicher geschützt werden,
was zu einer erheblich höheren Montage- und Prozessausbeute und zu einer erhöhten
Qualität und Zuverlässigkeit der Vorrichtungen führt.
Die Verwendung der vorliegenden Erfindung mit gut gesteuerten Prozessen zur
Befestigung von Lötkügelchen und zur Lötverbindungsunterfüllung stellt ein Gehäuse mit
niedrigen mechanischen Spannungen und die notwendige Steuerung zum Bereitstellen
von Planaritätsanforderungen bereit.
Die Erfindung ist auch auf Einzelniveau-Metallkeramiksubstrate anwendbar, welche
kostengünstig hergestellt werden können.
Die Erfindung macht Montage- und Verpackungsentwürfe und -prozesse zur
Erzeugung von Land-grid-array- oder Ball-grid-array-Gehäusen flexibel.
Diese Vorteile wurden durch die Lehren der Anmeldung erreicht, welche die Struktur
und Verfahren, welche für die Massenproduktion geeignet sind, betreffen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
Die technischen Fortschritte, die durch die Erfindung erreicht werden, werden anhand
der folgenden Beschreibung der bevorzugten und als Beispiel dienenden Ausführungsformen der Erfindung in Zusammenhang mit der anliegenden Zeichnung verständlich
werden. Es zeigen:
- Figur 1A eine schematische Draufsicht eines Halbleiterwafers, der mehrere
integrierte Schaltungen mit mikromechanischen Komponenten aufweist,
- die Figuren 1B bis 10 Flip-Chip-Montage-Prozessschritte zum Herstellen eines
Land-grid-array-Gehäuses und eines Ball-grid-array-Gehäuses für einen Chip mit
mikromechanischen Komponenten,
-7-
- Figur 1B einen schematischen Querschnitt eines Abschnitts des Halbleiterwafers in
Figur 1A, wobei die Schnittansicht mehrere mikromechanische Komponenten zeigt,
welche von einem Schutzmaterial beschichtet sind,
- Figur 2 einen schematischen Querschnitt des in Figur 1B dargestellten Abschnitts des
Halbleiterwafers nach dem selektiven Ätzen der Schutzbeschichtung,
- Figur 3 einen schematischen Querschnitt des in Figur 2 dargestellten Abschnitts des
Halbleiterwafers nach dem Aufbringen der Lötkügelchen,
- Figur 4 einen schematischen Querschnitt eines diskreten Chips mit mikromechanischen Komponenten und Lötkügelchen nach dem Abtrennen von dem in Figur 3
dargestellten zusammengesetzten Wafer,
- Figur 5 eine schematische Draufsicht des isolierenden Substrats, seiner zentralen
Öffnung und zweier Anzahlen metallischer Kontaktstellen,
- Figur 6 einen schematischen Querschnitt des in Figur 5 dargestellten Substrats nach
dem Montieren des in Figur 4 dargestellten Chips,
- Figur 7 einen schematischen Querschnitt des in Figur 6 dargestellten montierten
Chips nach dem Füllen des Zwischenraums, der den Chip und das Substrat beabstandet,
mit einer Polymerverkapselung,
- Figur 8 einen schematischen Querschnitt des in Figur 7 dargestellten zusammengesetzten Chips nach dem Entfernen des Schutzmaterials von den mikromechanischen
Komponenten,
- Figur 9 einen schematischen Querschnitt des in Figur 8 dargestellten zusammengesetzten
Chips
nach
dem
Befestigen
der
Abdeckung,
wodurch
das
Land-grid-array-Gehäuse fertig gestellt wird, und
- Figur 10 einen schematischen Querschnitt der fertig gestellten Vorrichtung aus
Figur 9 nach dem Befestigen mehrerer Lötkügelchen an dem Substrat und dem Erzeugen
eines Ball-grid-array-Gehäuses.
-8-
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORMEN
Figur 1A zeigt schematisch einen im Allgemeinen mit 100 bezeichneten
Halbleiterwafer (gewöhnlich einen Siliciumwafer) mit mehreren Vorrichtungen 101, die
noch nicht von dem Wafer vereinzelt worden sind. Ein Querschnitt entlang einer Linie
A – A ist in Figur 1B in schematischer und vereinfachter Weise teilweise wiedergegeben.
Wie Figur 1B angibt, trägt das Halbleiter-Grundmaterial (Silicium) 102 eine Anzahl
von Vorrichtungen mit einer Länge 104. Jede Vorrichtung besteht aus einer integrierten
Schaltung (in Figur 1B nicht dargestellt) und mehreren mikromechanischen Komponenten
103. Die mehreren Komponenten 103 belegen eine Länge 105 im Mittelabschnitt der
Gesamtlänge 104 der Vorrichtung. Überdies sind die mehreren Komponenten 103 in einer
Ebene konfiguriert. In den Randabschnitten jeder Vorrichtung gibt es mehrere metallische
Anschlüsse 106, welche als elektrische Ein-/Ausgänge der integrierten Schaltung und der
mikromechanischen Komponenten dienen. Die Anschlüsse 106 sind typischerweise
metallisch, wobei üblicherweise verwendete Metalle in der Halbleiterindustrie
Aluminium, Kupfer und Gold sind. Häufig werden Refraktärmetalle, wie Chrom,
Molybdän, Titan oder Titan-Wolfram-Legierung, über Nickel, Kupfer oder Gold
verwendet, wobei sie eine Oberflächenschicht aus einem lötmaterialkompatiblen Metall,
wie Palladium oder Platin, aufweisen können.
Die in Figur 1B mit "B" bezeichneten gestrichelten Linien geben die Stellen an, an
denen die sich drehenden Sägen schließlich jede Vorrichtung vor der Montage in einem
Vereinzelungsschritt von dem Wafer trennen.
Die mikromechanischen Komponenten 103 können Stellglieder, Motoren, Sensoren,
räumliche Lichtmodulatoren und verformbare Spiegelvorrichtungen einschließen. Als
Beispiel und zu Erläuterungszwecken sind die mikromechanischen Komponenten 103
digitale Mikrospiegelvorrichtungen (DMD), welche von Texas Instruments Incorporated,
Dallas, Texas, USA hergestellt werden.
-9-
Das Halbleiter-Grundmaterial ist gewöhnlich Silicium in einkristalliner Form. Das
Material
kann
auch
Silicium-Germanium,
Galliumarsenid
oder
ein
anderes
Halbleitermaterial, das für die Herstellung von Bauelementen verwendet wird, sein.
Die Schritte des Herstellungsprozessablaufs der bevorzugten Ausführungsform sind in
den Figuren 1B bis 9 und 10 dargestellt.
* Prozessschritt 1: Beschichten der Waferoberfläche.
Um die vorliegende Erfindung voll ausnutzen zu können, ist es entscheidend, dass die
Oberfläche des gesamten Wafers, einschließlich der mehreren mikromechanischen
Komponenten 103, mit einem schützenden Material 107 beschichtet wird, wie in Figur 1B
dargestellt ist. Beispielsweise kann das Material 107 eine Schicht aus Photoresistmaterial
sein, welches bei photolithographischen Halbleiterprozessen verwendet wird. Diese
Schicht kann die erhöhten Temperaturen aushalten, die später beim Wiederaufschmelzen
des Lötmaterials und beim Härten der Unterfüllung verwendet werden. Die Schutzschicht
verhindert jegliche Abscheidung von Staub oder Teilchen aus der Umgebung auf den
mikromechanischen
Vorrichtungen,
und
sie
schützt
die
Vorrichtungen
vor
prozessbezogenen Beschädigungen (wie Kratzern), bis alle Prozessschritte abgeschlossen
sind. Folglich trägt die Schutzschicht in erheblichem Maße dazu bei, die Ausbeute des
Prozesses und die Qualität der Vorrichtungen zu verbessern.
* Prozessschritt 2: selektives Ätzen.
Wie in Figur 2 dargestellt ist, wird die Schutzschicht 107 selektiv geätzt, um die
Anschlüsse 106 jeder Vorrichtung freizulegen. Die Abschnitte 107a der schützenden
Beschichtung müssen jedoch über den mehreren mikromechanischen Komponenten 103
jeder Vorrichtung bleiben.
* Prozessschritt 3: Aufbringen von Lötkügelchen.
In dem in Figur 3 dargestellten nächsten Prozessschritt werden Lötkügelchen 301 auf
die freigelegten Anschlüsse 106 aufgebracht, so dass ein Lötkügelchen auf jeden
Anschluss aufgebracht wird.
- 10 -
Hier bringt der Begriff "Lötkügelchen" nicht unbedingt mit sich, dass die Lötkontakte
kugelförmig sind, sondern sie können verschiedene Formen, wie jene einer Halbkugel,
einer Halbkuppel, eines abgeschnittenen Kegels oder allgemein eines Höckers oder eines
Zylinders mit geraden, konkaven oder konvexen Umrissen, aufweisen. Die genaue Form
ist eine Funktion der Abscheidungstechnik (wie Aufdampfen, Plattieren oder vorgefertigte
Einheiten) und der Aufschmelztechnik (beispielsweise durch Infrarotlicht oder durch
Strahlungswärme) und der Materialzusammensetzung. Im Allgemeinen wird eine
Mischung von Blei und Zinn verwendet, wobei andere Materialien Indium, Legierungen
von Zinn und Indium, Zinnsilber, Zinn/Wismut oder leitfähige Klebstoffmischungen
einschließen.
Die
Schmelztemperatur
der
Lötkügelchen
301
kann
von
der
Schmelztemperatur der Lötkügelchen, die zum Verbinden der Vorrichtung mit dem
Außenbereich verwendet werden, verschieden sein (gewöhnlich höher).
Es sind mehrere Verfahren verfügbar, um eine Konsistenz der geometrischen Form
durch Steuern der Materialmenge und der Gleichmäßigkeit der Aufschmelztemperatur zu
erreichen. Typischerweise reicht der Durchmesser der Lötkügelchen von 0,1 bis 0,5 mm,
er kann jedoch auch erheblich größer sein. Kommerzielle Lieferanten für vorgefertigte
Lötkügelchen sind beispielsweise Indium Metals, Utica, N.Y., USA, Alpha Metals, Jersey
City, N.J., USA.
Weitere technische Einzelheiten zum Aufbringen von Lötkügelchen auf einen ganzen
Wafer, ohne dass ein Kügelchen doppelt aufgebracht wird oder ausgelassen wird, können
beispielsweise in den veröffentlichten europäischen Patentanmeldungen 0 918 354
(Heinen u.a., "Wafer-Scale Assembly of Chip-Size Packages") und 0 955 676 (Amador
u.a., "Wafer-Scale Assembly of Chip-Size Packages"), worauf sich die vorliegende
Erfindung bezieht, vorgefunden werden.
* Prozessschritt 4: Trennen der Verbundstruktur.
Die Linien 302 in Figur 3 erstrecken sich durch Oberflächenabschnitte, die von der
schützenden Beschichtung befreit sind, sie geben jedoch die gleichen Positionen an wie
die Linien "B" in Figur 1B. Die sich drehenden Sägen, welche sich entlang den
- 11 -
Sägestraßen (oder "Ritzstraßen") des Halbleiterwafers bewegen, trennen jeden Chip
entlang der Linie 302 vom ursprünglichen Wafer ab.
Ein solcher vereinzelter Chip ist in dem Querschnitt aus Figur 4 schematisch
dargestellt. Die mehreren mikromechanischen Komponenten 103, die von der
Beschichtung 107 geschützt sind, sind in einer Ebene im Mittelabschnitt des Chips
konfiguriert. Die mehreren Anschlüsse 106 mit angebrachten Lötkügelchen 301 sind in
Randabschnitten des Chips konfiguriert. Der Chip mit den mikromechanischen
Vorrichtungen ist auf diese Weise für die Montage auf dem Substrat unter Verwendung
der so genannten "Flip-Chip-Technologie" vorbereitet.
* Prozessschritt 5: Bereitstellen des Substrats.
Die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet ein
kostengünstiges elektrisch isolierendes Substrat aus Keramik mit einer ersten und einer
zweiten Fläche, einer zentralen Öffnung und einer Einzelniveaumetallisierung.
Beispielsweise zeigt Figur 5 die schematische Draufsicht eines allgemein mit 500
bezeichneten Substrats mit einem quadratischen Umriss 501 und einer zentralen Öffnung
502 mit einem quadratischen Umriss 503. Die Ansicht aus Figur 5 liegt auf der ersten
Fläche 504 des Substrats.
Die erste Fläche 504 weist die Einzelniveaumetallisierung des Substrats auf. Diese
Metallisierung stellt mehrere erste Kontaktstellen 505 in der Nähe des Umrisses 503 der
Öffnung bereit. Diese Kontaktstellen 505 sind in Figur 5 beispielhaft mit einer runden
Form dargestellt. Sie können jedoch auch eine quadratische oder eine andere Form
aufweisen. Die Kontaktstellen sind mit einem Netzwerk von Verbindungsleitungen
verbunden, das mit dem Substrat und auch mit einem Teil der Einzelniveaumetallisierung
verbunden ist, wenngleich dies in Figur 5 nicht dargestellt ist.
Weiterhin weist die erste Fläche 504 mehrere zweite Kontaktstellen 506 auf, die fern
von der Öffnung 502 sind. In Figur 5 sind die Kontaktstellen 506 in quadratischer Form
dargestellt, welche in Feldern von Kontaktflecken angeordnet sind, welche entlang dem
Umriss 501 des Substrats 500 angeordnet sind. Es sind verschiedene geometrische Formen
und Anordnungen akzeptierbar. Die Kontaktstellen 506 sind auch elektrisch mit den
- 12 -
Verbindungsleitungen (in Figur 5 nicht dargestellt) verbunden. Üblicherweise verwendete
Metalle für beide Kontaktstellen 505 und 506 umfassen Nickel, Kupfer und Gold. Sie
haben eine Oberflächenschicht aus einem lötmaterialkompatiblen Metall, wie Palladium
oder Platin.
Figur 6 zeigt eine Schnittansicht des Substrats 500 entlang Linien C – C in Figur 5. Der
Querschnitt durch das Keramikmaterial ist mit 601 bezeichnet. Zusätzlich zur ersten
Substratfläche 504 zeigt Figur 6 die zweite Fläche 602. Die erste Fläche 504 und die
zweite Fläche 602 sind im Wesentlichen parallel zueinander. Überdies sind in Figur 6
Querschnitte durch die mehreren ersten Kontaktstellen 505 und die mehreren zweiten
Kontaktstellen 506 dargestellt.
* Prozessschritt 6: Ausrichten des Chips und des Substrats.
Ein einzelner Chip mit Lötkügelchen 301, wie in Figur 4 dargestellt ist, wird
umgedreht und mit den mehreren ersten Kontaktstellen 505 des Substrats 500 ausgerichtet.
Weil die Konfiguration der Lötkügelchen 301 die Konfiguration der Kontaktstellen 505
spiegelt, kann jedes Lötkügelchen 301 in vertikaler Ausrichtung mit seiner jeweiligen
Kontaktstelle 505 angeordnet werden. Zwei Kameras liefern das Sichtsystem für die
Ausrichtung, so dass die Ausrichtung automatisch ausgeführt werden kann, es kann jedoch
ersetzend ein Mikroskop für die Sichtinspektion verwendet werden. Die Ausrichtung kann
beispielsweise durch Drehen und Verschieben des Chips erreicht werden. Die
Flip-Chip-Ausrichtung auf Substrate wird in der Industrie routinemäßig ausgeführt.
Weitere Einzelheiten zu Ausrichtungstechniken können beispielsweise den vorstehend
zitierten US-Patentanmeldungen entnommen werden.
* Prozessschritt 7: Bilden von Lötverbindungen.
Wie in Figur 6 dargestellt ist, wird ein Chip 610 mit Lötkügelchen 301 in Kontakt mit
dem Substrat 601 gebracht, welches Kontaktstellen 505 aufweist, so dass die
Lötkügelchen 301 gegen ihre jeweiligen Kontaktstellen 505 auf dem Substrat drücken. Als
nächstes wird Wärmeenergie auf den Chip und das Substrat angewendet, wobei es sich
vorzugsweise um schnell geregelte Strahlungswärme handelt. Der Erwärmungsschritt
kann beispielsweise in einer Inertgasumgebung, beispielsweise trockenem Stickstoff oder
- 13 -
gefilterten
Gasen,
ausgeführt
werden,
um
eine
zusätzliche
Prozesssteuerung
bereitzustellen und zu verhindern, dass sich überschüssige Teilchen an der Chipoberfläche
absetzen. Kontaktfreie oder kontaktierende Thermoelemente mit einer geschlossenen
Regelschleife zu der Wärmequelle können die Temperatur sowohl auf dem Chip als auch
auf dem Substrat überwachen.
Für manche mikromechanische Vorrichtungen, wie Mikrospiegel, kann es wichtig
sein, den Prozessschritt des Aufschmelzens des Lötmaterials unter Verwendung von
Steuermerkmalen auszuführen, wie in den vorstehend zitierten veröffentlichten
europäischen Patentanmeldungen 0 918 354 und 0 955 676 beschrieben ist. Ein wichtiges
Merkmal besteht darin, die Ausrichtungs- und Erwärmungsschritte in einer einzigen
Vorrichtung und in einem einzigen Vorgang auszuführen, ohne dass eine Bewegung
vorgenommen wird und ohne dass das Risiko auftritt, die Ausrichtung zu verlieren, was
bei einem herkömmlichen Erwärmungsvorgang in einem Kettenofen leicht auftreten
könnte. Es folgt der Erwärmungsschritt, und er wird mit dem Ausrichtungsschritt
kombiniert und stellt nicht lediglich das Erwärmen vormontierter Teile dar. Zusätzlich
ermöglicht die Verwendung von Strahlungsenergiequellen im Gegensatz zu Öfen eine
schnelle rampenförmige Temperaturänderung oder -profilierung und auch gleichmäßigere
und leichter steuerbare Erwärmungs- und Kühlzyklen. Die Strahlungserwärmung
ermöglicht einen glatten Übergang von der Umgebungstemperatur zu der gewünschten
heißen Temperatur und ein schnelles thermisches Ansprechen. Die Strahlungsenergie wird
vorzugsweise durch eine optische Wärmequelle in der Art von Glühlampen
(Halogenlampen mit einem Wolframfaden und einer Xenonfüllung) bereitgestellt, welche
nahes Infrarotlicht emittiert.
Überdies kann durch die Verwendung ausgewählter reflektierender Oberflächen auf
nicht aktiven Bereichen, die dem nahen Infrarotlicht ausgesetzt sind, die Baugruppe aus
dem Chip und dem Substrat erwärmt werden, während der Rest der Oberflächen bei einer
viel niedrigeren Temperatur bleibt. Folglich wird die Baugruppe schnell auf eine
Temperatur aufgeheizt, bei der die Lötkügelchen 301 zu schmelzen oder aufzuschmelzen
beginnen. Diese Temperatur beträgt typischerweise etwa 183 C. Während des
- 14 -
Aufschmelzens bildet das Lötmaterial eine metallurgische Bindung (eine so genannte
"Lötverbindung") mit dem oberen Metall der Kontaktstellen 505.
Ein anderes Steuermerkmal, das für mikromechanische Vorrichtungen, wie
Mikrospiegel, besonders wichtig ist, betrifft die Gleichmäßigkeit der Höhe der
geschmolzenen Lötkügelchen. Es ist vorteilhaft, Steuerungen ähnlich den Mechanismen
zu verwenden, die in der vorstehend zitierten veröffentlichten europäischen
Patentanmeldung 0 955 676 beschrieben sind. Bei dieser Vorrichtung sind drei äußerst
präzise unabhängige Z-Achsen 120 getrennt angeordnet, und sie steuern gemeinsam die
Z-Höhe, den Nickwinkel und den Rollwinkel des Substrats. Der erste Schritt besteht darin,
das Substrat unter Verwendung aller drei Achsen zu den festen Lötkügelchen hin zu
bewegen, bis das Substrat Kontakt mit den Kügelchen herstellt. Die Koplanarität (der
Nickwinkel und der Rollwinkel) des Wafers mit den Kügelchen wird erhalten, indem
ermöglicht wird, dass sich jeder der Z-Motoren unabhängig gegen die Ebene der
Lötkügelchen absenkt. Das "Aufsetzen" des Wafers auf die Kügelchen kann an der
Z-Motorsteuerung als eine plötzliche Änderung der Abstiegsgeschwindigkeit der Achse
erfasst werden. Als nächstes wird das vorbestimmte Temperaturprofil ausgeführt.
Während des Profils wird zu der Zeit, zu der alle Lötkügelchen geschmolzen sein sollten,
die Z-Achsenposition auf eine Höhe verringert, die gleich dem Kügelchendurchmesser
minus der bekannten Variation der Kügelchendurchmesser ist. Dieser Vorgang garantiert,
dass selbst das kleinste Kügelchen in Kontakt mit dem Wafer steht. Der Durchmesser des
kleinsten Kügelchens ist in der statistischen Änderung und der Konsistenz des
Durchmessers der vom Verkäufer gelieferten Kügelchen enthalten. Sobald festgestellt
wurde, dass alle Kügelchen in Kontakt mit dem Wafer stehen und ausreichend Zeit
verstrichen ist, so dass alle Kügelchen geschmolzen sein sollten, wird die Z-Höhe auf das
Niveau angehoben, bei dem sich die Lötkügelchen verfestigen sollen, wobei es sich um die
endgültige Kügelchenabstandshöhe handelt. Bei dieser Höhe wird die Temperatur bis
unter die Aufschmelztemperatur des Lötmaterials verringert, und die Lötkügelchen
verfestigen sich alle. Die Höhe aller Lötkügelchen ist nun, unabhängig von der Form und
dem Volumen der Kügelchen, gleich. Die bevorzugte Höhe der verfestigten Löthöcker
liegt zwischen 25 und 150 m , häufig bei etwa 100 m .
- 15 -
Als Folge der gleichmäßigen Höhe der Lötverbindungen wird das Substrat 601 in
Figur 6 in einer Ebene parallel zur Ebene der mikromechanischen Komponenten 103
positioniert. Insbesondere liegt die zweite Fläche 602 des Substrats 601 in einer zur
Komponentenebene parallelen Ebene.
Als weitere Konsequenz der gleichmäßigen Höhe der Lötkügelchen beabstandet ein
Spalt den Chip 610 und das Substrat 601. Die Höhe des Spalts gleicht der Höhe der
Lötkügelchen, und die Breite des Spalts gleicht dem Abstand zwischen den Lötkügelchen.
* Prozessschritt 8: Füllen des Spalts.
Um einen zusammenhängenden Materialrahmen um den Umkreis der Öffnung 502 des
Substrats zu bilden, muss der Spalt, der den Chip 610 und das Substrat 601 beabstandet,
gefüllt werden. Wie in Figur 7 dargestellt ist, wird das Füllen durch eine
Polymerverkapselung 701 erreicht, die gemeinhin als das "Unterfüllungsmaterial"
bezeichnet wird. In dem bevorzugten Prozess wird sorgfältig vorgegangen, um nicht nur
einen zusammenhängenden Materialrahmen herzustellen, sondern gleichzeitig die
mechanische Spannung an den Lötverbindungen zu verringern. Beispielsweise kann ein
Prozess verwendet werden, der in der veröffentlichten europäischen Patentanmeldung
0 977 253 (Thomas, "Low Stress Method and Apparatus of Underfilling Flip-Chip
Electronic Devices") und in den US-Patentanmeldungen 09/302 728 und 60/084 472
(Amador u.a., "Low Stress Method and Apparatus of Underfilling Flip-Chip Electronic
Devices"), worauf sich die vorliegende Erfindung bezieht, beschrieben ist.
In dem bevorzugten Prozess wird die Schmelztemperatur von 183 C für die
eutektische Blei/Zinn-Mischung kurzzeitig auf etwa 220 C erhöht (während etwa 60 bis
120 s innerhalb der 20 Minuten des Lötmaterial-Aufschmelzzeitraums). Für alternative
Lötmaterialauswahlen werden die Zeiten und Temperaturen geeignet modifiziert.
Während des Wiederaufschmelzens liegt die Spannung in der Lötverbindung auf dem
Nullniveau. Während des folgenden Abkühlens verfestigt sich das Lötmaterial, die
Baugruppe wird jedoch bei einer erhöhten Temperatur zwischen 80 und 140 C,
vorzugsweise zwischen 90 und 100 C, gehalten. In diesem Zeitraum nimmt die Spannung
leicht von ihrem Nullniveau auf einen nicht kritischen Wert zu, der deutlich unter einem
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Niveau liegt, das ein Risiko für strukturell schwache dielektrische Schichten des Chips
oder für die Lötverbindungen darstellen könnte.
Es ist entscheidend, dass nicht zugelassen wird, dass der Kühlprozess der Baugruppe
bis zur Umgebungstemperatur fortgesetzt wird, sondern dass sie während des gesamten
Unterfüllungszeitraums, der bis zu 20 Minuten dauern kann, auf einer konstanten erhöhten
Temperatur gehalten wird. Beim Unterfüllungsprozess wird die Polymervorstufe auf die
erste Fläche 504 des Substrats 601 angrenzend an den Umkreis des Chips 610 abgegeben.
Die Kraft der Oberflächenspannung zieht das viskose Polymer in die Räume zwischen den
verfestigten Löthöckern, welche die Öffnung 502 umgeben, und bildet den Meniskus 701a
zur Öffnung hin und den Mechanismus 701b zum Feld der Kontaktstellen 506 hin (siehe
Figur 7).
Geeignete Polymervorstufen werden aus einem Material gebildet, das durch Wärmeoder Strahlungsenergie härtbar ist, und sie bestehen vorzugsweise aus einem
Anhydrid-gehärteten Vorpolymer in der Art eines Epoxidharzes. Sie enthalten gewöhnlich
einen Katalysator in der Art einer Aminverbindung und Füllstoffe, wie Silika oder
Aluminiumoxid. Polymervorstufen sind im Handel erhältlich, beispielsweise von Dexter
Hysol Corporation, USA unter dem Markennamen FP 4527.
Nach Abschluss des Unterfüllungsprozesses geht die Baugruppe direkt von der
vorstehend erwähnten angehobenen Temperatur zu der für das Polymerisieren ("Härten")
der Unterfüllungsvorstufe benötigten erhöhten Temperatur über. Während dieser
Zeitspanne (etwa 60 bis 120 Minuten) fallen die Spannungen auf sehr niedrige Niveaus ab.
Nachdem das Verkapselungsmaterial vollständig gehärtet ist, wird die Temperatur
während des Abkühlzeitraums auf die Umgebungstemperatur abfallen gelassen, während
die Spannungen nur leicht zunehmen, wobei sie erheblich unterhalb eines Werts liegen, bei
dem ein Risiko einer Beschädigung strukturell schwacher dielektrischer Filme oder
Lötverbindungen auftreten würde. Wie beabsichtigt ist, werden die Spannungen in der
gesamten Baugruppe in etwa gleichmäßig verteilt und zum größten Teil durch das
Verkapselungsmaterial absorbiert.
* Prozessschritt 9: Entfernen des Schutzmaterials.
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Wie in Figur 7 dargestellt ist, verbleibt das Schutzmaterial 107 während des
Unterfüllungsprozesses noch über der Oberfläche der mikromechanischen Komponenten.
Nachdem die Umgebungstemperatur erreicht wurde, kann dieses Schutzmaterial sicher
entfernt werden (siehe Figur 8), so dass die Oberflächen 103a der Komponenten 103
freigelegt werden. Wenn das Schutzmaterial aus Photoresist besteht, der in der
Halbleitertechnologie gemeinhin verwendet wird, umfasst der Entfernungsschritt das
Lösen der Photoresistschicht in üblicher Weise.
Im Fall von Mikrospiegelkomponenten besteht dieser Prozessschritt auch aus dem
Entfernen des Photoresists unter den Mikrospiegeln und dem Aktivieren der Komponenten
unter
Verwendung
eines
Plasmaätzens
oder
einer
Kombination
eines
Plasmaätz-/UV-Härtungsprozesses zum Entfernen restlicher Verunreinigungen von den
Spiegeloberflächen.
* Prozessschritt 10: Einfügen eines Passivierungsmaterials.
Für manche mikromechanische Vorrichtungen, wie Mikrospiegel, ist es vorteilhaft,
dass in der Nähe der Komponenten gratartige Vorsprünge in dem Keramiksubstrat
ausgebildet werden (in den Figuren 6 bis 10 nicht dargestellt). Diese Vorsprünge dienen
dem Zweck des Speicherns chemischer Verbindungen, die nach dem Schließen durch die
Abdeckung in dem Gehäusevolumen bleiben sollen. Diese Chemikalien werden
typischerweise als Pillen oder körniges Material zugeführt und sind dafür geeignet,
während der Lebensdauer der Vorrichtung fortlaufend Passivierungsmaterialien
freizugeben, um alle sich berührenden Flächen der mikromechanischen Vorrichtungen zu
beschichten. Weitere Einzelheiten über die Zusammensetzung, den Betrieb und das
Verfahren der dosierten Abscheidung können in den vorstehend erwähnten US-Patenten
US-A-5 939 785 und US-A-5 936 758 vorgefunden werden.
* Prozessschritt 11: Anbringen der Abdeckung.
Gleich nach dem Aufbringen jeder chemischen Verbindung wird eine Abdeckung 901
angebracht, um das Gehäuse zu schließen, wie in Figur 9 dargestellt ist. Typischerweise
muss die Abdeckung 901 durch Ausheizen in einer Umgebung unter einem verringerten
Druck vor der Anbringung von Verunreinigungen gereinigt und dehydriert werden.
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Anschließend wird sie an der zweiten Fläche 602 des Substrats 601, vorzugsweise unter
Verwendung eines Epoxidklebstoffs, angebracht. Die Temperatur und die Zeit, die
erforderlich sind, um den Klebstoff zu polymerisieren, dienen auch dazu, einen Teil des
Passivierungsmaterials innerhalb des Gehäuses zu sublimieren, so dass die aktiven
Oberflächen der mikromechanischen Komponenten mit mindestens einer Monoschicht
des Passivierungsmaterials beschichtet werden.
Für Mikrospiegelvorrichtungen ist die Abdeckung 901 eine Platte aus Glas oder einem
anderen Material, das für Licht im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums
transparent ist. Anforderungen für die optische Flachheit der Platte sind im erwähnten
US-Patent US-A-5 939 785 beschrieben. Es muss dafür gesorgt werden, dass die
befestigte Abdeckung 901 in einer Ebene parallel zur Ebene der mehreren Mikrospiegel
103 liegt.
Durch das Befestigen der Abdeckung 901 wird das zweite Niveau der Öffnung 502
geschlossen. Das erste Niveau der Öffnung wird durch den Chip 610 befestigendes
Lötmaterial geschlossen, und alle Seiten der Öffnung werden durch die Rahmen der
Löthöcker und das Unterfüllungsmaterial geschlossen. Die mikromechanischen
Komponenten befinden sich demgemäß in einem vollkommen geschlossenen Gehäuse.
* Prozessschritt 12: Markieren.
Die eingeschlossenen mikromechanischen Vorrichtungen werden mit einer
Identifikation in der Art des Vorrichtungstyps und der Vorrichtungsnummer,
Herstellungsinformationen, dem Ursprungsland usw., markiert.
* Prozessschritt 13: Befestigen von Lötkügelchen.
Das in Figur 9 dargestellte Gehäuse ist ein so genanntes "Land-grid array"-Gehäuse
mit Kontaktstellen 506, die für Druckkontakte ausgelegt sind, welche vielen
Kundenbedürfnissen dienen. Falls ein so genanntes "Ball-grid array"-Gehäuse erwünscht
ist, können "Lötkügelchen" 1001 an den Substratanschlüssen 506 in Figur 10 befestigt
werden. Die Lötkügelchen können aus einer herkömmlichen Blei/Zinn-Legierung oder
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einer bleifreien Mischung, wie vorstehend beschrieben wurde, bestehen. Der Durchmesser
kann in weiten Bereichen variieren, wobei typische Größen von 0,5 bis 1,5 mm reichen.
Nach
dem
elektrischen
Testen
der
Land-grid-array-Vorrichtung
bzw.
der
Ball-grid-array-Vorrichtung ist die fertige mikromechanische Vorrichtung für das
Verpacken und Versenden fertig.
Wenngleich diese Erfindung mit Bezug auf der Erläuterung dienende Ausführungsformen beschrieben wurde, sollte diese Beschreibung nicht einschränkend ausgelegt
werden. Verschiedene Modifikationen und Kombinationen der der Erläuterung dienenden
Ausführungsformen sowie andere Ausführungsformen der Erfindung werden Fachleuten
beim Lesen der Beschreibung einfallen. Beispielsweise können die Dicke des Substrats
und der Abdeckung sowie die Höhe, die von der Flip-Chip-Anordnung eingenommen
wird, minimiert werden, um die Gesamtdicke der Vorrichtung zu verringern, wie es für
spezifische Anwendungen erforderlich ist. In einem anderen Beispiel kann die Erfindung
auf eine Stapelverarbeitung ausgedehnt werden, wodurch die Verpackungskosten weiter
verringert werden. In einem anderen Beispiel kann der Ort der Substratkontakte zur
"Außenwelt" von der Chipbefestigungsfläche zur Abdeckungsbefestigungsfläche des
Substrats gewechselt werden.
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01200690.4
Patentansprüche
1. Verfahren zum Herstellen von Land-grid-Array-Vorrichtungen für Halbleiterchips
(610) mit einer integrierten Schaltung, die mehrere mikromechanische Komponenten
(103), die in einer Ebene im Mittelabschnitt des Chips (610) konfiguriert sind, und
mehrere metallische Anschlüsse (106), die in den Chip (610) umgebenden
Randabschnitten angeordnet sind, aufweist, mit folgenden Schritten:
Bereitstellen eines Wafers (100) mit einer Oberfläche, die mehrere der Chips (610)
aufweist,
Beschichten der Waferoberfläche mit einem Schutzmaterial (107),
selektives Ätzen der Schutzbeschichtung, wodurch die Anschlüsse (106) von jedem
der Chips (610) freigelegt werden,
Aufbringen eines Lötkügelchens (301) auf jeden der freigelegten Anschlüsse (106),
Zerlegen der sich ergebenden Verbundstruktur in diskrete Chips (610),
Bereitstellen eines elektrisch isolierenden Substrats mit einer ersten und einer zweiten
Fläche (504, 602) und einer Öffnung (502), wobei die Flächen (504, 602) im Wesentlichen
parallel zueinander sind, mehreren ersten metallischen Kontaktstellen (505), die auf der
ersten Fläche in der Nähe der Öffnung (502) angeordnet sind, und mehreren zweiten
metallischen Kontaktstellen (506), die auf der von der Öffnung (502) fernen ersten Fläche
angeordnet sind,
Montieren von einem der diskreten Chips (610) auf den mehreren ersten
Substratkontaktstellen (505) durch Bilden von Lötverbindungen, die durch einen
Zwischenraum beabstandet sind, wodurch ein Niveau der Öffnung geschlossen wird,
Steuern der Höhe der Lötverbindungen, um die Gleichmäßigkeit beizubehalten,
wodurch das Substrat in einer zu der Komponentenebene parallelen Ebene positioniert
wird,
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Füllen des Zwischenraums mit einer Polymerverkapselung (701), wodurch die
Öffnung durch einen zusammenhängenden Rahmen des Verkapselungsmaterials umgeben
wird,
Entfernen des Schutzmaterials (107), wodurch die Oberflächen der Komponenten
freigelegt werden, und
Befestigen einer Abdeckung (901) an der zweiten Substratfläche (602), wodurch die
Abdeckung (901) in einer Ebene positioniert wird, die zu der Ebene der Komponenten
parallel ist, wobei die Abdeckung (901) aus einem Material besteht, das für Licht im
sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums transparent ist, wodurch ein
zweites Niveau der Öffnung geschlossen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Schritte des Montierens, Steuerns und
Füllens folgende Schritte aufweisen:
Ausrichten von einem der diskreten Chips (610), welche die Lötkügelchen (301)
aufweisen, mit den mehreren ersten Substratkontaktstellen (505), so dass jedes der
Kügelchen (301) in Ausrichtung mit einer der Kontaktstellen (505) angeordnet wird,
Kontaktieren der Kügelchen (301) und der Kontaktstellen (505),
Zuführen von Wärmeenergie zu dem Chip (610) und dem Substrat (500), wodurch das
Lötmaterial aufgeschmolzen wird, um Lötverbindungen zu bilden, und der Chip (610)
durch einen Zwischenraum beabstandet an dem Substrat (500) montiert wird, wodurch
eine Baugruppe gebildet wird,
Steuern der Höhe der Lötverbindungen, um die Gleichmäßigkeit beizubehalten,
wodurch das Substrat (500) in einer Ebene positioniert wird, die zu der Komponentenebene parallel ist,
Abkühlen der Baugruppe von der Aufschmelztemperatur bis auf eine Temperatur, die
noch erhöht ist und über der Umgebungstemperatur liegt, und Halten der erhöhten
Temperatur auf einem im wesentlichen konstanten Niveau,
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Füllen des Zwischenraums mit einer Polymervorstufe bei der erhöhten Temperatur,
wodurch die Öffnung (502) von einem zusammenhängenden Rahmen aus der Vorstufe
umgeben wird,
Zuführen zusätzlicher Wärmeenergie zum Härten der Polymervorstufe, wodurch eine
Polymerverkapselung (701) gebildet wird, und
Abkühlen der Baugruppe bis auf die Umgebungstemperatur.
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die erhöhte Temperatur zwischen 90 und
130 C liegt.
4. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die erhöhte Temperatur etwa 100 C beträgt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Schritt des Steuerns der
Höhe der Lötverbindungen folgende Schritte aufweist:
Anwenden von Strahlungsenergie, um einen flüssigen Zustand der Lötkügelchen zu
erreichen,
Kontaktieren des kleinsten Kügelchens,
Abwarten bis eine metallurgische Wechselwirkung aufgetreten ist,
Einrichten der gewünschten Verbindungshöhe und
Entfernen der Strahlungsenergie.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem weiter mehrere
Lötkügelchen (301) auf die mehreren zweiten Kontaktstellen (506) aufgebracht werden,
wodurch
die
Land-grid-Array-Vorrichtung
in
eine
Ball-grid-Array-Vorrichtung
umgeformt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem weiter chemische
Verbindungen aufgebracht werden, bevor die Abdeckung (901) an der zweiten
Substratoberfläche (601) befestigt wird.
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8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Schutzmaterial (107) eine
Schicht aus Photoresistmaterial ist, wie es bei photolithographischen Halbleiterprozessen
verwendet wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei in dem Schritt des selektiven
Ätzens entsprechend den Eigenschaften des verwendeten Photoresistmaterials maskiert,
belichtet und selektiv geätzt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei in dem Schritt des Zerlegens
der Verbundstruktur gesägt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei in dem Schritt des Entfernens
des Schutzmaterials (107) die Schicht aus Photoresistmaterial aufgelöst wird.
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