Mühlbauer AG 28. Juli 2006

Werner von Siemens Straße 3 MBR01 -069-WOPT

HA/nh/ts D-93426 Roding

Thermodenvorrichtung für eine Vielzahl von Halbleiterbauelementen

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Thermodenvorrichtung zum Verbinden und/oder elektrischen Kontaktieren einer Vielzahl an ersten Halbleiterbauelementen mit mindestens einem Trägerelement und/oder einer Vielzahl an zweiten Halbleiterbauelementen mittels Erwärmung eines Klebstoffes unter Druckbeaufschlagung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Zur Herstellung von mikroelektronischen Baugruppen werden Halbleiterbauelemente, wie beispielsweise Silizium-Chips, die auch als Flip-Chips aufgebracht werden können, auf Trägersubstrate, die eine Antenne aufweisen können, oder auf weitere Halbleiterbauelemente, die wiederum Silizium-Chips sein können, montiert. Für eine derartige Montage der Halbleiterbauelemente werden häufig Kontaktklebstoffe verwendet, um neben der Fixierung des Halbleiterbauelements zugleich einen elektrischen Kontakt zwischen Anschlussstellen des Chips und des Trägersubstrates bzw. eines weiteren Chips herzustellen. Die hierfür verwendeten Kontaktklebstoffe oder Lote werden in der Regel mittels Thermodeneinheiten bei erhöhter Temperatur unter Druckbeaufschlagung ausgehärtet.

Herkömmlicherweise weisen hierfür verwendete Thermodenvorrichtungen, wie es beispielsweise aus US 4,736,882 bekannt ist, einen unterseitigen Heizkörper auf, der entlang der Vertikalen nach unten und nach oben verschoben werden kann, um die zu verbindenden Bauteile und die dazwischen angeordneten Klebstoffe während eines Wärmeübertragungsvorganges mit Druck zu beaufschlagen oder freizugeben. Derartige eine einzelne Thermode aufweisende Thermodenvorrichtungen sind häufig auf einem Druckstempel angeordnet. Die

HANNKE & PARTNER M BR01 -069-WO PT

- 2 -

Thermoden müssen dann einzeln mit individuellen Druck- und Temperaturgrößen beaufschlagt werden. Eine derartige auf eine Einzelthermode ausgerichtete Ansteuerung erfordert einen aufwendigen Aufbau, der kostenintensiv in seiner Herstellung ist, sofern eine Vielzahl derartiger Thermoden in einer gemeinsamen Verbindungseinrichtung angeordnet sind.

Derartige zu einer Verbindungseinrichtung zusammengefasste Einzelthermodenvorrichtun- gen können nebeneinander mit einem Minimumabstand zueinander angeordnet werden, welcher durch die Abmaße von Führungselementen, welche die Einzelthermoden bzw. die Heizelemente, die darin verschiebbar angeordnet sind, aufnehmen, festgelegt ist. Da derarti- ge Einzelthermodenvorrichtungen jeweils eine eigene Heizeinrichtung aufweisen, sind die Außenabmessungen einer derartigen Einzelthermodenvorrichtung derartig groß, dass sich eine Nebeneinanderanordnung dieser Einzelthermodenvorrichtungen mit paralleler Ausrichtung bei einem Abstand von beispielsweise weniger als 10 mm nicht realisieren lässt.

Als Alternative sind Thermodenvorrichtungen bekannt, die sich dadurch auszeichnen, dass an der Unterseite einer gemeinsamen Platte eine Vielzahl an Thermoden angeordnet sind, wobei derartige Thermoden nicht individuell in ihrem Druck einstellbar sind. Hierdurch ergibt sich zwingend die Notwendigkeit, dass die Platte auf beispielsweise ein Trägersubstrat mit einer Vielzahl von Halbleiterbauelementen, die mit dem Trägersubstrat verbunden werden sollen, ohne Verkantung oder Neigung aufgesetzt wird, um die Zerstörung derjenigen Halbleiterbauelemente, die bei einer geneigten Platte zuerst durch eine Thermode kontaktiert werden, zu vermeiden.

Grundsätzlich ist mit zunehmender Miniaturisierung der zu montierenden Halbleiterbauele- mente während der durch einen Grundkörper durchgeführten Druckbeaufschlagung eine zunehmende Gefahr der Zerstörung derartig kleiner Halbleiterbauelemente gegeben. Dies führt zu Funktionsstörungen der montierten Halbleiterbauelemente.

Demzufolge liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Thermodenvorrich- tung für das Verbinden und/oder das elektrische Kontaktieren einer Vielzahl von Halbleiterbauelementen mit mindestens einem Trägerelement und/oder einer Vielzahl weiterer Halbleiterbauelemente zur Verfügung zu stellen, welche das gleichzeitige Aushärten von verwendeten Klebstoffteilen bei mehreren Halbleiterbauelementen selbst dann ermöglicht, wenn diese einen geringen Abstand zueinander aufweisen.

HANNKE & PARTNER M BR01 -069-WO PT

- 3 -

Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.

Kerngedanke der Erfindung ist es, eine Thermodenvorrichtung zum Verbinden und/oder e- lektrischen Kontaktieren einer Vielzahl an ersten Halbleiterbauelementen mit mindestens einem Trägerelement und/oder einer Vielzahl von zweiten Halbleiterbauelementen mittels Erwärmung eines Klebstoffes unter Druckbeaufschlagung derart auszubilden, dass ein Grundkörper unterseitig eine Mehrzahl von vertikal ausgerichteten und nebeneinander angeordneten Heizplatten aufweist, wobei jede Heizplatte an ihrer Stirn- und Unterseite eine Mehrzahl an herausfahrbaren Heizelementen aufweist, wovon jedes unterseitig jeweils einem ersten Halbleiterbauelement zugeordnet ist. Auf diese Weise ist die gleichzeitige Druckbeaufschlagung mehrerer eng nebeneinander angeordneter erster Halbleiterbauelemente möglich, ohne das dies mit einer ungleichen Erwärmung einzelner Klebstoffe und einer ungleichen Druckbeaufschlagung einzelner erster Halbleiterbauelemente einhergeht. Vielmehr wird aufgrund der Anordnung mehrerer Heizplatten eine gleichmäßige Erwärmung einzelner aus jeweils diesen Heizplatten herausragenden Heizelemente, die als zylinderförmige Stifte ausgebildet sein können, sichergestellt.

Wenn diese zylinderförmigen Stifte innerhalb komplementär ausgebildeter zylinderförmiger Kanäle innerhalb des Grundkörpers auf- und abfahrbar derart angeordnet sind, dass sie rückseitig, also an ihrer Oberseite, mittels eines Federelements mit einer Federkraft beaufschlagt sind und diese Federkraft mittels eines Stellelements, wie einer Stellschraube, einstellbar ist, können individuelle Federkräfte für verschiedene erste Halbleiterbauelemente eingestellt werden. Auf diese Weise kann in Abhängigkeit von der Verwendung verschiede- ner Klebstoffe oder unterschiedlich hoher Halbleiterbauelemente die Federkraft individuell auf einfache Weise eingestellt werden, selbst dann, wenn die ersten Halbleiterbauelemente einen Abstand von weniger als 10 mm, oder sogar weniger als 4 mm aufweisen.

Alternativ zu der Verwendung eines Federelements kann auch ein Luftpolster angeordnet werden, um dämpfend auf die Verschiebebewegungen der zylinderförmigen Stifte zu wirken.

Durch eine derartige Anordnung der zylinderförmigen Stifte können Höhenunterschiede zwischen dem Trägersubstrat und den ersten Halbleiterbauelementen ausgeglichen werden.

HANNKE & PARTNER M BR01 -069-WO PT

_ 4 _

Dies ist insbesondere dann relevant, wenn eine Vielzahl von ersten Halbleiterbauelementen nebeneinander auf einem gemeinsamen Trägersubstrat angeordnet ist.

Innerhalb einer jeden Heizplatte ist mindestens ein Heizdraht, vorzugsweise schlangenför- mig, zum Erhitzen der Heizplatte mittels elektrischer Energie angeordnet. Dies führt zu einer gleichmäßigen Erwärmung einer jeden Heizplatte und somit zu einer gleichmäßigen Erwärmung sämtlicher in dieser Heizplatte angeordneten zylinderförmigen Stifte, welche die Wärme auf die darunterliegenden ersten Halbleiterbauelemente und die unter den ersten Halbleiterbauelementen angeordneten Klebstoffteile weitergeben.

Die gleichmäßige Erwärmung einer jeden Heizplatte wird vorzugsweise durch einen draht- förmigen Temperaturfühler, der ebenso innerhalb dieser Heizplatten angeordnet ist, kontrolliert und mittels einer Steuereinheit gesteuert und mittels einer Regeleinheit geregelt.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Vorteile und Zweckmäßigkeiten sind der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung zu entnehmen. Hierbei zeigen:

Fig. 1 in einer perspektivischen Darstellung von schräg unten eine Thermodenvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 in einer perspektivischen Querschnittsdarstellung entlang der Breitenseite die in Fig. 1 gezeigte Thermodenvorrichtung;

Fig. 3 in einer perspektivischen Querschnittsdarstellung entlang der Längsseite der in Fig. 1 dargestellten Thermodenvorrichtung die Thermodenvorrichtung gemäß der Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 4 in einer perspektivischen Querschnittsdarstellung entlang der Längsseite der in Fig. 1 gezeigten Thermodenvorrichtung die Thermodenvorrichtung mit integrierten Heizdrähten und

Fig. 5 in einer perspektivischen Explosionsdarstellung die Thermodenvorrichtung gemäß

HANNKE & PARTNER M BR01 -069-WO PT

- 5 -

der Ausführungsform der Erfindung.

In Fig. 1 wird in einer perspektivischen Darstellung von schräg unten eine Thermoden- vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Die Thermoden- Vorrichtung 1 umfasst einen Grundkörper, welcher sich aus den drei Grund körperteilen 2, 3 und 4 zusammensetzt.

In dem Grundkörperteil 2 sind mehrere Heizplatten 5 mit vertikaler Ausrichtung derart nebeneinander angeordnet, dass deren größte Oberflächen bzw. ihre Grundflächen aneinan- derliegen.

Die Heizplatten 5 weisen eine Stirn- und Unterseite 5a auf, an welcher eine Vielzahl von öffnungen 6 angeordnet sind, welche die öffnungen von zylinderförmigen, parallel zueinander angeordneten Kanälen darstellen.

In jeder oder auch in nur ausgewählten zylinderförmigen Kanälen ist jeweils ein zylinderförmiger Stift 7 verschiebbar angeordnet. Der zylinderförmige Stift 7 kann unterseitig aus der Stirn- und Unterseite 5a der Heizplatten 5 herausgefahren werden.

Ein Abstand zwischen den zylinderförmigen Stiften 7 und damit der zylinderförmigen Kanäle liegt vorzugsweise in einem Größenbereich von weniger als 4 mm, welcher dem Abstand von hier nicht näher dargestellten ersten Halbleiterbauelementen entspricht, die mit einem Trägerelement oder zweiten Halbleiterbauelementen verbunden werden sollen.

In Fig. 2 wird in einer perspektivischen Schnittdarstellung entlang der Breitenrichtung die Thermodenvorrichtung gemäß Fig. 1 gezeigt. Gleiche und gleichbedeutende Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Der in Fig. 2 dargestellten Schnittdarstellung ist deutlich zu entnehmen, dass der Grundkör- per mit seinen Grundkörperteilen 2, 3 und 4 von unten nach oben komplett durchlaufende zylinderförmige Kanäle 9 aufweist, die oberseitig mit öffnungen 10 enden.

In Fig. 3 kann in einer perspektivischen Schnittdarstellung entlang der Längsseite der Thermodenvorrichtung 1 die Anordnung des zylinderförmigen Stiftes 7 innerhalb des zylinderför-

HANNKE & PARTNER M BR01 -069-WO PT

- 6 -

migen Kanals 9 gesehen werden. Oberhalb des zylinderförmigen Stiftes 7 ist eine Feder 12 angeordnet, die über eine Stellschraube 13 mit einer Vorspannkraft beaufschlagt wird. Die Feder dient dem Kraftausgleich während eines Nachuntenfahrens des Grundkörpers 2, 3, 4 zur Druckbeaufschlagung einzelner erster Halbleiterbauelemente während des Klebstoffer- wärmungsvorganges. Ein derartiger Kraftausgleich dient dazu, einzelne Chips oder Flip- Chips nicht durch eine zu hohe Kraftbeaufschlagung zu zerstören.

Aufgrund eines derartig ausgebildeten Thermodenfeldes mit einer Vielzahl der zylinderförmigen Stifte, die die einzelnen Thermoden darstellen, können viele Flip-Chips bzw. Chips gleichzeitig unter Druckbeaufschlagung erwärmt werden, wobei jede einzelne Thermode bzw. Thermodennadel 7 durch die sich in dem einen Block darstellenden Grundkörper 2, 3, 4 befindliche Feder 12 regulieren lässt. Dies ermöglicht selbst bei geringen Beabstandungen der einzelnen Halbleiterchips zueinander eine zuverlässige Befestigung derjenigen auf einem Trägersubstrat durch Erwärmung der Thermodennadeln. Folglich ist mit einem derartig ausgebildeten Final-Bonder ein höherer Durchsatz innerhalb einer Vorrichtung, die beispielsweise Smart-Labels herstellt, bei welchen die Chips mit Antennen verbunden werden, möglich.

Die Thermodennadel bzw. der zylinderförmige Stift 7 weist oberseitig ein breiteres Kopf- ende 11 auf, welches sicherstellt, dass der Stift 7 nicht nach unten durch den Kanal 9 hindurchfällt.

In Fig. 4 wird in einer perspektivischen Schnittdarstellung entlang der Längsseite der Ther- modenvorrichtung 1 ein weiterer Querschnitt der Heizplatte 5 in einem Bereich, in dem Heiz- drahte 14 mit drahtförmigen Temperaturfühlern 15 angeordnet sind, dargestellt. Die Heizdrähte 14 sind vorzugsweise schlangenförmig angeordnet, um eine gleichmäßige Erwärmung der Heizplatte 5 und somit eine gleichmäßige Erwärmung sämtlicher Stifte 7 sicherzustellen. Dies wird mittels dem Temperaturfühler 15 kontrolliert und gegebenenfalls über ein Ausgangssignal an eine hier nicht näher dargestellte Steuereinheit mittels einem Rückkopp- lungsvorganges an die Heizdrähte 14 als neu zu regelnden Temperaturvorgang weitergegeben.

In Fig. 5 werden in einer perspektivischen Explosionsdarstellung die Einzelteile der erfindungsgemäßen Thermodenvorrichtung wiedergegeben. Dieser Darstellung ist deutlich zu

HANNKE & PARTNER M BR01 -069-WO PT

- 7 -

entnehmen, dass die Teile mittels Stifte 16 oder Schrauben, die durch öffnungen der Teile hindurchgesteckt werden, zusammengehalten werden.

Sämtliche in den Anmeldungsunterlagen offenbarten Merkmale werden als erfindungswe- sentlich beansprucht, sofern sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.

Bezugszeichenliste

1 Thermodenvorrichtung

2, 3, 4 Grundkörperteile

5 Heizplatten

5a Stirn- und Unterseiten der Heizplatten

6 untere öffnungen

7 zylinderförmiger Stift

8 Abstand

9 zylinderförmige Kanäle

10 obere öffnungen

11 breites Kopfende

12 Federelement

13 Stellschraube

14 Heizdrähte

15 Temperaturfühler

16 Stifte, Schrauben