Flip-Chip-Montage

Prozessor im Flip-Chip-Pin-Grid-Array-Gehäuse

Die Flip-Chip-Montage (dt. „Wende-Montage“) ist ein Verfahren der Aufbau- und Verbindungstechnik (AVT) zur Kontaktierung von ungehäusten Halbleiter-Chips (engl. bare die) mittels Kontaktierhügel – sogenannter „Bumps“.

Bei der Flip-Chip-Montage wird der Chip direkt, ohne weitere Anschlussdrähte, mit der aktiven Kontaktierungsseite nach unten – zum Substrat/Schaltungsträger hin – montiert. Daher auch der Name Flip-Chip (engl. to flip, umdrehen). Dies führt zu besonders geringen Abmessungen des Gehäuses und kurzen Leiterlängen. Bei sehr komplexen Schaltkreisen bietet diese Technologie oft die einzige sinnvolle Verbindungsmöglichkeit, weil zum Teil mehrere tausend Kontakte realisiert werden müssen. So kann die gesamte Fläche des Die zur Kontaktierung genutzt werden, im Gegensatz zum Drahtbonden, wo dies nicht oder nur sehr begrenzt möglich ist, 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-Bondtechnik erfolgt die Verbindung aller Kontakte gleichzeitig. Das spart Zeit.

Um die Chips zu bonden, wird neben Löten und leitfähigem Kleben (s. unten) auch Pressschweißen (thermode bonding) als Fügeverfahren angewendet.

Weitere Packagebauformen sind unter Chipgehäuse aufgelistet.

C4-Technologie

C4 steht für die Zusammenfassung der Anfangsbuchstaben der Begriffe „Controlled Collapsed Chip Connection“ (= CCCC = C4).

Die C4-Flip-Chip-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, z. B. durch Sputtern. Nun erfolgt das Aufbringen einer Lackmaske mit definierten Öffnungen. Anschließend wird galvanisch das Lot abgeschieden. Die Lackmaske wird entfernt. Dadurch entstehen zylindrische Lotkörper, wie von der Lackmaske vorgegeben. Diese Lotzylinder bilden die Kontaktpunkte, 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 Kugeln ("bumps") aufgeschmolzen (Reflow). Dann werden die Wafer zu Silizium-Chips vereinzelt. Die Chips werden mit einem Flussmittel benetzt und 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 Flussmittelreste zu entfernen. 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 die Leiterplatte benötigt der Aufbau einen sogenannten Underfill (ein elastischer, temperaturbeständiger Kunststoff), damit die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Chip und Substrat den Aufbau nicht zerstören.

Flip-Chip-Montage eines Chips auf verschiedenen Substraten (Schema)

Nach dem Underfill-Prozess sieht der Flip Chip wie folgt aus:

Flip-Chip-Montage mit „underfill“

Kleben mit nicht leitfähigem Kleber

Hier sind die Kontakte des Chips mit sogenannten Stud-Bumps versehen. Die Stud-Bumps bestehen aus Golddraht. Sie werden im Drahtbondverfahren (Ball-Wedge-Verfahren) aufgebracht und dann direkt über dem Ball abgerissen. Auf das Substrat wird Kleber aufgebracht und der Chip wird gebondet. Wichtig für eine sichere Verbindung ist, dass der Kleber beim Trocknen schrumpft, so dass die Bumps auf die Kontaktflächen des Substrats gezogen werden und ein elektrischer Kontakt entsteht.

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.

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 Chip 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.

Weblinks

• Hintergrund zum Flip Chip Prozess – englisch
• Ausführliche Informationen zur Klebetechnologie – englisch