CHIP

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur thermi¬ schen Verbindung von Kontaktelementen eines flexiblen Fil sub- strats mit Kontaktmetallisierungen eines elektronischen Bau- elements gemäß den Ansprüchen 1, 5 und 7.

Zur Verbindung von flexiblen Filmsubstraten mit einem elektro¬ nischen Bauelement, beispielsweise ein Chip, wird bislang üblicherweise das Thermokompression-Verfahren eingesetzt, bei dem eine sogenannte Thermode unter Einwirkung von Druck und Temperatur gegen Kontaktelemente des Substrats gedrückt wird, um diese mit Kontaktmetallisierungen des Chips zu verbinden. Um hierbei Beschädigungen der temperaturempfindlichen Kunst- stoff-Trägerschicht des Substrats, die in der Regel eine Zer- setzungstemperatur 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.

Beispielhaft für den derzeitigen Entwicklungsstand von Verfah¬ ren zur thermischen Verbindung von Kontaktelementen eines fle- xiblen Filmsubstrats mit Kontaktelementen eines elektronischen Bauelements wird auf die US 4,970,365 verwiesen. Aus dieser Druckschrift ist ein Verfahren bekannt, bei dem die Kontakte¬ lemente eines Filmsubstrats aus Polyimid zur Verbindung mit Kontaktmetallisierungen eines Bauelements rückwärtig mit La- serstrahlung beaufschlagt werden. Dabei findet die Beaufschla¬ gung der freiliegenden Kontaktelemente abseits der dünnen Polyimid-Trägerschicht des Filmsubstrats statt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren vorzuschlagen, das ohne die Notwendigkeit, in einem vorhergehenden Verfahren die Kontaktelemente freizulegen, eine Verbindung der Kontaktelemente flexibler Filmsubstrate mit den Kontaktmetallisierungen elektronischer Bauelemente 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 über eine Lichtleitfaser vorgesehen, wobei eine transparente Träger¬ schicht bzw. die Absorption der Kontaktelemente genutzt wird, um mit einer entsprechend darauf abgestimmten Laserstrahlungs- Wellenlänge die Strahlung im wesentlichen durch die Träger- schicht hindurchzuleiten und in den Kontaktelementen zu absor¬ bieren. Weiterhin wird erfindungsgemäß der Beaufschlagung mit Laserstrahlung eine Druckbeaufschlagung überlagert, derart, daß während der Beaufschlagung mit Laserstrahlung die Kontakt¬ elemente des Substrats und die Kontaktmetallisierung des Bau- elements im Bereich einer Aufsetzstelle der Lichtleitfaser an- einandergedrückt werden und mittels der Laserstrahlung mit Temperatur beaufschlagt werden. Bei derartigen Bauelementen kann es sich beispielsweise um Chips, aber auch allgemein um mit Anschlußflächen versehene Substrate handeln. Auch können zwei Filmsubstrate auf die erfindungsgemäße Art und Weise miteinander verbunden werden.

Diese Druckbeaufschlagung verhindert die Ausbildung von Luft¬ spalten zwischen den Kontaktelementen und den Kontaktmetalli¬ sierungen, wodurch eine sichere Wärmekopplung zwischen diesen gegeben ist. Eine unzureichende Wärmekopplung könnte zu einem Wärmestau im Bereich der Kontaktelemente führen, was wiederum eine unerwünschte Temperaturbelastung des Substrats bzw. der Trägerschicht 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.

Die Verwendung von Strahlungsenergie zur Temperaturbeaufschla¬ gung von Kontaktelementen ist grundsätzlich auch aus der DD 140 942 für die thermische Verbindung der Kontaktelemente ei¬ nes transparenten Substrats mit den Kontaktmetallisierungen eines Halbleiters bekannt. Das aus der DD 190 942 bekannte Substrat weist jedoch einen relativ dicken, steifen Substrat¬ körper auf, der aufgrund seiner Materialeigenschaften dazu ge- eignet ist, den zur Herstellung der thermischen Verbindung zwischen den Kontaktelementen und den Kontaktmetallisierungen notwendigen Anpreßdruck, der über eine Einspannvorrichtung aufgebracht wird, zu übertragen. Darüber hinaus ist bei dem bekannten Verfahren zur Einleitung der Strahlungsenergie in die Kontaktelemente eine aufwendige optische Einrichtung not¬ wendig, die eine Fokussierung der Strahlungsenergie entspre¬ chend der Lage der Kontaktelemente ermöglicht.

Im Gegensatz zu dem aus der DD 190 942 bekannten Substratmate¬ rial handelt es sich bei dem Substrat, auf das das erfindungs- gemäße Verfahren Anwendung findet, um ein flexibles Filmsub¬ strat, das schon aufgrund seiner relativ geringen Stärke

sowohl thermisch als auch mechanisch wesentlich weniger be¬ lastbar ist. In dieser Hinsicht weist das erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil auf, daß sowohl bezüglich des notwendi¬ gen Anpreßdrucks als auch bezüglich der zur Herstellung der Verbindung notwendigen Temperatur eine diskrete oder punktu- elle Beaufschlagung des Filmsubstrats im Bereich der Aufsetz¬ stelle der Lichtleitfaser gegeben ist. Dabei kann zudem auf eine aufwendige Fokussierungsoptik verzichtet werden, was den zur Durchführung des Verfahrens notwendigen apparativen Aufbau im Vergleich zu dem aus der DD 140 942 bekannten Verfahren we¬ sentlich vereinfacht.

Zwar ist die diskrete Beaufschlagung einer Kontaktstelle zweier zu verbindender Kontaktelemente mittels einer Licht¬ leitfaser, die sowohl zur Druckeinleitung als auch zur Einlei- tung der zur Verbindung notwendigen Energie dient, aus der DE 42 00 492 AI bekannt. Bei diesem bekannten Verfahren befindet sich jedoch die Lichtleitfaser in unmittelbarem Kontakt mit einem der beiden zu verbindenden Kontaktelemente.

Wenn zur Druckbeaufschlagung die Lichtleitfaser mit ihrer Fa- serendfläche unmittelbar gegen die Trägerschicht des Substrats gedrückt wird, wird die Durchführung des Verfahrens mit einem minimalen Vorrichtungsaufwand möglich.

Darüber hinaus besteht auch die Möglichkeit, die Energiebeauf¬ schlagung mittels einer Lichtleitfaser oder einer Lichtleitop- tik vorzunehmen, und zur Druckbeaufschlagung eine separate, also hiervon unabhängige, Andruckeinrichtung zu verwenden. Hierdurch ist es möglich, die Andruckeinrichtung in ihrer Aus¬ führung den jeweils gegebenen, aktuellen Abmessungen des Sub¬ strats 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 4 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 Kon- taktelemente im Anschlußbereich eine Energiebeaufschlagung ge¬ wählt, 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 Verfahrensalternative 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 beauf¬ schlagt wird. Hierdurch wird es nämlich möglich, beide Phasen mit ein und demselben Werkzeug durchzuführen, so daß sich das Verfahren als besonders einfach in der Durchführung erweist und auch nur eine entsprechend einfach ausgebildete Vorrich¬ tung zu dessen Durchführung notwendig ist.

Gemäß einer v/eiteren Lösung, deren Merkmale durch den Gegen¬ stand des Anspruchs 6 gegeben sind, erfolgt die Verbindung des Substrats mit dem Bauelement ebenfalls in zwei Phasen, jedoch mit dem Unterschied, daß während der ersten Phase keine Frei¬ legung des Kontaktelements erfolgt, sondern eine Beaufschla¬ gung der Trägerschicht mit ultraschall-induzierten mechani¬ schen Schwingungen und Druck, derart, daß ein einen Anschluß- bereich eines Kontaktelements überdeckender Trägerschichtbe¬ reich komprimiert wird, der dann in einer zweiten Phase zur Übertragung der durch Ultraschall induzierten mechanischen Schwingungen auf das Kontaktelement dient. Hierbei macht man sich den Effekt zunutze, daß eine an sich aufgrund ihrer Fle- xibilität nur unzureichend Ultraschallschwingungen übertra¬ gende Trägerschicht im Zustand starker Verdichtung relativ starr und somit zu einem guten Schwingungsleiter wird.

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 1065nm 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 auflaminierten 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 Druck- einwirkung 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 erhöhten 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 einen im Ver¬ gleich zum vorhergehenden Beispiel geringen 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.