Flip Chip
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Flip Chip ist nicht nur eine Montageform integrierter Schaltkreise. Darunter versteht man vielmehr ein Montageverfahren aus dem Bereich der Aufbau- und Verbindungstechnik (AVT) in der Mikroelektronik zu Kontaktierung von ungehäusten Halbleiter (Bare Die, Halbleiter-Mikrochips, IC in ungehäuster Form) mittels Bumps. Dabei wird der Chip direkt, ohne weitere Anschlussdrähte, mit der aktiven Kontaktierungsseite nach unten zum Substrat/Schaltungsträger hin montiert. Dies führt zu besonders geringen Abmessungen des Packages und kurzen Leiterlängen. Bei sehr komplexen Schaltkreisen bietet diese Technologie oft die einzige sinnvolle Verbindungsmöglichkeit an, weil z.T. mehrere tausend Kontakte realisiert werden müssen. So kann man die gesamte Fläche des Dies für viele Verbindungen nutzen. Beim Drahtbonden geht dies nicht oder nur sehr begrenzt, weil sich die Drähte kreuzen und sehr wahrscheinlich miteinander in Berührung kommen würden. Weiterhin werden beim Drahtbonden die Verbindungen nacheinander hergestellt. Bei der Flip Chip Technik erfolgt die Verbindung aller Kontakte gleichzeitig. Das spart Zeit.
Der Name Flip Chip (engl. „to flip“ heißt „umdrehen“) kommt daher, dass für diese Bauweise der Chip mit seiner funktionellen Seite nach unten auf die Leiterplatte gesetzt wird.
Um die Chips zu bonden, werden neben beschriebenen Prozessen Löten und leitfähigem Kleben (s. unten) auch Pressschweißen (thermode bonding) als Fügeverfahren angewendet.
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[Bearbeiten] C4-Technologie
C4 steht für die Zusammenfassung der Anfangsbuchstaben der Begriffe „Controlled Collapsed Chip Connection“ (=CCCC=C4).
Die C4-Flipchip-Technologie wurde 1964 von IBM eingeführt und erfuhr seitdem mehrere Modifikationen. Diese Technik wird z.B. bei der Herstellung komplexer Mikroprozessoren verwendet. Man kann sich die Herstellung wie folgt vorstellen: Der Wafer wird ganzflächig mit einem Metall beschichtet. Man nutzt hierfür z.B. das Sputtern. Nun erfolgt das Aufbringen einer Lackmaske mit definierten Öffnungen. Mittels Galvanik wird ein Metall oder Metallgemisch, das Lot, abgeschieden. Die Lackmaske wird entfernt. Dadurch entstehen tausende von zylindrischen Lotkörpern, wie von der Lackmaske vorgegeben. Diese Lotzylinder befinden sich jeweils exakt auf den Kontaktpunkten, welche die Verbindung zu den Schaltungsstrukturen in den tieferen Schichten des Wafers bzw. jedes einzelnen Dies herstellen. Mit einem selektiven Ätzverfahren wird die übrige, nicht vom abgeschiedenen Lot abgedeckte Metallschicht entfernt. Die Lotzylinder werden anschließend zu kleinen Lotkugeln aufgeschmolzen (Reflow). Diese Lotkugeln nennt man in der Fachsprache „Bumps“. Erst jetzt erfolgt das Sägen und Vereinzeln der Wafer. Es entstehen die einzelnen Silizium-Chips. Die Chips werden nun mit einem Flussmittel benetzt. Anschließend wird der Aufbau erwärmt, so dass das Lot aufschmilzt und eine elektrische Verbindung zwischen den Kontaktflächen des Chips und den Kontakten des Substrates (Gehäuse, "Package") herstellt ("Reflow-Löten").
Eine weitere Methode, um einen Wafer mit den Bumps zu versehen, ist der Schablonendruck. Der Wafer wird, nachdem er mittels Galvanik eine lötbare Oberfläche an den Pads erhalten hat, in einem Schablonendrucker mit Lotpaste bedruckt. Danach wird der Wafer auch hier einem Reflowprozess unterzogen, die Lotpaste schmilzt um und es entstehen Bumps. Anschließend kann der Wafer gereinigt werden, um überflüssige Flussmittelreste zu entfernen, falls dies notwendig sein sollte. Es folgt die Vereinzelung der Chips und die Verarbeitung nach dem Benetzen mit Flussmittel im SMD-Fertigungsprozess.
Nach dem Löten auf das Substrat (Gehäuse, "Package") oder der Leiterplatte benötigt der Aufbau einen sogenannten Underfill (ein elastischer, temperaturbeständiger Kunststoff), damit die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizenten von Chip und Substrat (Gehäuse, "Package") den Aufbau nicht zerstören.
Nach dem Underfillprozess sieht der Flip Chip wie folgt aus:
[Bearbeiten] Kleben mit nicht leitfähigen Kleber
Hier sind die Kontakte des Chips mit sogenannten Bumps versehen. Die Bumps bestehen aus Aluminium- oder Golddraht. Sie werden im Drahtbondverfahren aufgebracht und dann direkt an der Bondstelle abgerissen. Auf das Substrat wird Kleber aufgebracht und der Chip wird gebondet. Wichtig für eine sichere Verbindung ist, das der Kleber beim Trocknen schrumpft, so dass die Bumps auf die Kontaktflächen das Substrats gezogen werden und ein elektrischer Kontakt entsteht.
[Bearbeiten] Kleben mit isotrop leitfähigem Kleber
Auf die Kontakte des Substrates wird leitfähiger Kleber aufgebracht. Dann wird der Chip mit seinen Kontakten auf die Klebepunkte gesetzt. Der Kleber wird thermisch oder mittels UV-Strahlung gehärtet und stellt so eine mechanische und elektrische Verbindung her. Diese Art der Kontaktierung ist auf wenige und große Kontakte beschränkt, da sich der Kleber nicht beliebig fein auftragen lässt und außerdem beim Aufsetzen des Chips verläuft.
[Bearbeiten] Kleben mit anisotrop leitfähigem Kleber
Anisotrop leitfähiger Kleber besteht aus einem Kleber der schwach mit leitfähigen Partikeln gleicher Größe gefüllt ist. Der Kleber wird gleichmäßig über die Kontakte des Substrates aufgebracht. Durch den geringen Füllfaktor der leitfähigen Partikel stehen diese nach dem Auftrag nicht in Verbindung, so dass sich keine leitfähige Schicht ergibt, die die Kontakte kurzschließen würde. Beim Aufsetzen des Chips wird der Kleber verdrängt, bis die leitfähigen Partikel zwischen Chip-Pads und Substrat-Pads eingeklemmt werden und so eine leitfähige Verbindung herstellen. Der Vorteil ist eine flächige Verklebung des Chips, so dass eine gute mechanische Verbindung gegeben ist, der Nachteil ist, dass der Chips während des Härtens des Klebers auf das Substrat gedrückt werden muss, damit der elektrische Kontakt erhalten bleibt, was sich negativ auf den Durchsatz auswirken kann.
Genauere Beschreibung ist unter [1] zu finden. Weitere Packagebauformen sind unter Chipgehäuse aufgelistet.
