DIE Attach/DIE Bonding im Überblick

DIE Attach oder auch DIE Bonding ist der Oberbegriff des Prozesses zur dauerhaften Verbindung eines Halbleiterchips mit einem Substrat, Package, Wafer oder einem anderen Bauteil.

Der eigentliche dauerhafte Verbindungsprozess bedingt dann eine der folgenden Bonding Technologien:

  • Epoxy/Adhesive DIE Bonding
  • UV DIE Bonding
  • TC DIE Bonding
  • U/S DIE Bonding
  • Sintering

Epoxy/Adhesive DIE Bonding

Eines der gängigsten Verfahren zum Herstellen einer Verbindung zwischen Chip und Substrat, bietet der Klebeprozess. Nach dem Aufbringen des Leitklebers, häufig Epoxid-Kleber (kurz Epoxy), mittels unterschiedlicher Verfahren (Nadeldosierung, Stamping, Jetting etc.) wird der Chip durch den Bondkopf in den flüssigen Kleber gesetzt. Im Anschluss härtet der Kleber innerhalb einer definierten Zeit aus. Unterstützt und beschleunigt werden kann der Prozess durch z.B. Wärme oder UV-Licht.

Variable Parameter für das Adhesive Bonding sind:

  • Klebermenge
  • Dosiermuster
  • Anpressdruck
  • Bondzeit

Vorteile des Adhesive Bonding:

  • Geringer Anpressdruck auf den Chip

  • Geringe bis keine thermische Belastung des Chip

UV DIE Bonding

UV DIE Bonding ist eine spezielle Verbindungstechnologie, bei der flüssiger Kleber mittels ultraviolettem (UV) Licht ausgehärtet wird. Im Gegensatz zum Epoxy, welcher je nach Kleberart unterschiedliche Zeiten und Temperaturen zum Aushärten benötigt, bleibt der UV-Kleber hingegen so lange im flüssigen Aggregatzustand, bis er einer hochenergetischen UV-Strahlung ausgesetzt wird.

Die Vorteile dieser Technologie liegen darin, dass der UV-Kleber nicht ohne Weiteres aushärtet bis proaktiv die UV-Lichtquelle eingesetzt wird und er andererseits eine deutlich kürzere Aushärtungsdauer – meist nur wenige Sekunden – aufweist.

Diese Technologie kommt häufig bei Inline-Prozessen sowie bei temperatursensiblen Bauteilen zum Einsatz.

Variable Parameter für das UV Die bonding sind:

  • Klebermenge
  • Dosierpattern/Dosiermuster
  • Apressdruck
  • Bondzeit

Vorteile des UV Die bonding:

  • Gerniger Anpressdruck auf den Chip

  • Geringe bis keine thermische Belastung des Chip

  • Frei definierbarer Aushärtezeitpunkt

  • Schnelle Aushärtung

Ultraschallbonden (US Bonding)

Das Ultraschallbonden ist ein Bonding Verfahren zur Herstellung einer elektrisch leitenden und mechanisch stoffschlüssigen Verbindung, zwischen einem Chip und einem Substrat. Bei dem Kaltreibschweißverfahren wird durch Druck und Ultraschallschwingung (Reibung) ein elektrisch leitender Kontakt hergestellt.

Da das Verfahren im Gegensatz zum Thermosonic Bonden bei Raumtemperatur eingesetzt werden kann, ist keine zusätzliche Substratheizung notwendig. Temperaturempfindliche oder schwierig zu erwärmende Bauelemente können mittels Ultraschallbonden kontaktiert werden.

Variable Parameter für das Ultraschallbonden sind:

  • Bondkraft (Druck)
  • Ultraschallleistung (Energie)
  • Frequenz (Schwingung)
  • Bondzeit

Vorteile des Ultraschallbonden:

  • Reduzierung der Bondzeit

  • Keine zusätzliche Wärme notwendig

Thermokompressionsbonden (TC Bonding)

Das Thermokompressionsbonden ist ein elektrisch leitender, mechanisch fester und flussmittelfreier Verbindungsprozess. In den meisten Fällen wird beim TC Bonden ein FlipChip mit Bumps auf ein Substrat mit Pads gesetzt. Durch das Einbringen einer Kraft und Temperatur über eine definierte Zeit entsteht eine elektrisch leitende Kontaktierung.

Das TC-Bonding eignet sich besonders für HF & optoelektronische Bauelemente, Chip zu Chip und Chip zu Wafer Anwendungen. Als typische Legierungsverbindungen sind hier Au-Au und Au-Si zu nennen.

Variable Parameter für das TC-Bonding sind:

  • Bondkraft (Druck)
  • Temperatur
  • Bondzeit

Vorteile des Ultraschallbonden:

  • Hohe Bondfestigkeit

  • Elektrisch leitende Bondverbindung

Sintern

DIE Attach oder auch DIE Bonding ist der Oberbegriff des Prozesses zur dauerhaften Verbindung eines Halbleiterchips mit einem Substrat, Package, Wafer oder einem anderen Bauteil.

Beim Sinterfahren wird der Chip durch Silberpaste mit dem Substrat nicht nur elektrisch sondern auch thermisch sehr gut gebondet. Dies geschieht unter Zuhilfenahme von Wärme (über 220°C) sowie einem Druck von mindestens 50 Bar bis zu 300 Bar. Hierbei werden die Silberpartikel durch Diffusionprozesse miteinader verbunden. Vorteil gegenüber normalen Lötprozessen ist die sehr hohe thermomechanische Stabilität, welche vor allem in der Leistungselektronik benötigt wird.

DIE Stacking

DIE Stacking ist ein Montageprozess, bei dem mehrere Chips übereinander auf ein Substrat gestapelt werden. Diese vertikale Integration erlaubt eine kompakte Anordnung unterschiedlicher Schaltkreise mit unterschiedlichen Abmessungen auf kleinster Fläche wodurch neben dem Platzersparnis auch höhere Leistungen im Bauelement erzielt werden hervorgerufen durch kürzere Signalwege zwischen den Schaltkreisen.

Die Verbindungstechnologien werden den jeweiligen Anforderungen der Applikation angepasst.

Variable Parameter für DIE Stacking:

  • Anzahl der Chip in vertikaler Sicht

Vorteile des DIE Stacking:

  • Platzersparnis, hohe Chipdichte pro Substrat oder Gehäuse

  • Kürzere Signalwege

  • Reduzierung der Laufzeiten und des Rauschens

  • Mögliche Kombinationen mit der Flip Chip Technologie erhöhen o.g. Vorteile

Flip Chip Bonding

Das Flip Chip Bonding ist auch bekannt als C4 Technologie (Controlled Collapse Chip Connection). Es ist ein Verfahren der Aufbau- und Verbindungstechnik (AVT) zur Kontaktierung von ungehäusten Halbleiter-Chips (englisch: bare die) mittels Kugeln – 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.*

Variable Parameter für Flip Chip Bonding:

  • Bondkraft (Druck)
  • Temperatur
  • Bondzeit

Vorteile des Flip Chip Bondings:

  • Hohe Packungsdichte bei geringem Platzbedarf

  • Kürzere Signalwege/höhere Frequenzen

  • Kein Drahtbonden nötig

* Quelle: Wikipedia

DIE Sorting

DIE Sorting ist das Umsortieren von Halbleiter-Chips aus einer Bauteilpräsentation (Source) in eine andere Bauteilpräsentation (Destination). Häufig werden Chips von einem Wafer (Source) in ein Wafflepack (Destination) umsortiert. Es gibt aber auch das umsortieren in Gurte, Gelpacks oder andere Bauteilpräsentationen.

Variable Parameter für DIE Sorting:

  • Ablageorte
  • Temperatur
  • Bondzeit

Vorteile des DIE Sortings:

  • Erhöhung der Vielzahl der DIEs für Multichipanwendungen

  • Strukturierte Bauteilpräsentation

Eutektisches Bonden

Das eutektische Bonden verbindet Chip und Substrat zu einem eutektischen System, mittels einer Zwischenschicht. Dieses Verbindungsverfahren nutzt beim „Bonding“ die spezifischen Eigenschaften der Einzelstoffe und Legierungsgemische aus. Die häufig angewandte Gold/Zinn (AuSn 80/20) Legierung hat seinen Schmelzpunkt bei 280°C, eine Gold/Silizium (AuSi) Legierung findet seinen Schmelzpunkt hingegen bei 363°C.

Der Vorteil der Legierungskombinationen ist, dass deren Schmelzpunkt deutlich unter dem der Einzelstoffe liegt. Beim Wärmeeintrag bildet sich oberhalb der eutektischen Temperatur eine „Flüssigphase“, die diffusionsbedingt eine Verbindung im atomaren Bereich bewirkt. Ein weiterer wesentlicher Vorteil beim eutektischen Bonden ist, dass Chip und Substrat in einem Prozessschritt elektrisch und mechanisch verbunden werden..

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