4-2012

Produktion

Produktion Plasmaunterstütztes Wafer-Level-Bumping Als Hersteller für Prozessanlagen für thermische Prozesse in der Halbleiterindustrie und Mikroelektronik sowie Vakuum-Lötsysteme für die Leistungshalbleiterherstellung arbeitet centrotherm thermal solutions an der Optimierung des Umschmelzprozesses von Bumps auf Wafer-Level-Basis. Bild 1: Optimierter Plasmaprozess für das Wafer-Level-Bumping Der Einsatz von plasmaunterstützen Lötprozessen ist hinreichend bekannt und mittlerweile etabliert. Hierzu werden Vakuumlötanlagen verwendet, die mit einer MW-Plasmaquelle ausgerüstet sind. Die klassischen Lötanwendungen im High-End-Bereich für Kleinserien werden vornehmlich für Module im Bereich Laser und Medizintechnik bzw. in der Luft- und Raumfahrt eingesetzt. Der Einsatz von Vakuumlötanlagen für das Wafer-Level-Bumping beschränkt sich bisher auf den Einsatz von Standard-Vakuumlötanlagen im Bereich von Forschung und Entwicklung. Der Einsatz als Produktionsanlagen ist aufgrund des manuellen Handlings und der Beschränkung auf kleine Waferdurchmesser eher ungeeignet. Die fortschreitende 3D-Integration auf Halbleiterebene ergibt neue Herausforderungen an die Qualität von Wafer-Level-Bumps hinsichtlich Packungsdichte, Oberflächenqualität und Yield-Rate. Der Aufwand hier rechtfertigt auch einen Mehraufwand, um für das Wafer-Level-Bumping bessere Prozess ergebnisse zu erzielen. Auch heute gelten die Bumps noch als kritisches Schlüsselelement für die elektrische und mechanische Verbindung zwischen Die/3D-Package und Substrat. Die centrotherm thermal solutions GmbH + Co. KG versteht das Wafer-Level-Bumping als Bindeglied zwischen den Halbleiterprozessen im Back-End- Bereich und dem Vakuumlöten. Mit diesem Projekt soll die Vakuumlöttechnologie weiterentwickelt und eine Anlage für Volumenproduktion für 300-mm- Wafer umgesetzt werden. Optimierter Vakuumlötprozess In Bild 1 ist der Temperaturverlauf und der Kammerdruck für den derzeitig umgesetzten Prozess in einem Diagramm dargestellt. Nach dem Evakuieren der Kammer wird diese im Anschluss mit Prozessgas gefüllt. Der verbleibende Restsauerstoffgehalt liegt im unteren ppm-Bereich und hat keine negative Auswirkung auf das Lot. Mit der Wahl eines geeigneten Prozessgases, wie Formiergas 95/5 oder reinem Bild 2: Links: Void-behaftete Bumps, umgeschmolzen unter Atmosphärendruck, rechts: Voidfreie Bumps aus einem Vakuumlötprozess Wasserstoff, kann hier schon für eine reduzierende Prozessatmosphäre gesorgt werden. Parallel zum Fluten der Kammer wird der Wafer auf Löttemperatur aufgeheizt. Nachdem die Schmelztemperatur auf dem Wafer erreicht wurde und das Lot vollständig aufgeschmolzen ist, wird erneut evakuiert. Dieser Schritt dient üblicherweise der Eliminierung der Voids, die in der Lötstelle eingeschlossen sind. Für den Plasmaprozess wird dann zusätzlich Gas in die Vakuumkammer eingeleitet und das Plasma gezündet. Nach dem Plasmaprozessschritt erfolgt durch die Flutung der Kammer mit Stickstoff das Kühlen des Wafers. Anschließend wird er bei Atmosphärendruck aus der Prozesskammer entnommen. Prozessergebnisse Wie beschrieben, wird durch das Vakuum eine Eliminierung der eingeschlossenen Gasblasen im flüssigen Lot erreicht. Da die Bumps offen liegen und die Lötstelle nicht abgedeckt ist wie beim Löten von Leistungshalbleitern, gelingt dies relativ einfach. Bild 2 veranschaulicht den Unterschied zwischen Bumps, die unter Stickstoff und Atmosphärendruck prozessiert wurden, und Bumps, die über einen Vakuumlötprozess umgeschmolzen wurden. Das Entfernen der Voids führt zu einem gleichmäßigen Volumen der Lotbumps und verbessert somit die Gleichförmigkeit der Geometrie (Durchmesser und Höhe) der Bumps. Durch die Aktivierung des Prozessgases im Plasma werden die Lotoberflächen einer stark reduzierenden Atmosphäre ausgesetzt. Hierdurch ist ein Abbau der Oxidschicht auf dem Lot schon in sehr kurzer Zeit möglich. Durch 34 meditronic-journal 4/2012

Produktion Bild 3: Auflicht- und Schrägaufnahme von Bumps nach einem Umschmelzprozess unter Stickstoffatmosphäre die oxidfreie, reduzierte Lotoberfläche wird die Oberflächenspannung positiv beeinflusst, und die Lotkugeln bilden sich gleichförmig aus. In Bild 3 ist das Ergebnis eines Umschmelzprozesses unter Stickstoffatmosphäre gezeigt. Deutlich erkennt man, dass die Bumps noch die zylindrische Form vom Plating aufweisen. Zudem ist die raue und oxidbehaftete Oberfläche zu sehen. Im Vergleich hierzu zeigt Bild 4 das Ergebnis eines Umschmelzprozesses mit Plasmaunterstützung. Die Bumps haben die gewünschte Kugelform. Die Oberfläche weist kaum noch Oxidrückstände auf und ist hochglänzend. Bild 5 verdeutlicht nochmals den positiven Einfluss des Plasmas auf die Lotoberfläche. Ein weiterer Vorteil des Plasmaverfahrens ist, dass aufgrund des Einsatzes reiner Prozessgase keine Rückstände auf dem Wafer verbleiben und die Wafer deshalb Bild 4: Auflicht- und Schrägaufnahme von Bumps nach einem Umschmelzprozess mit Plasmaunterstützung ohne weiteren Reinigungsschritt weiterverarbeitet werden können. Solche Rückstände bleiben meist zurück, wenn die Bumps aus Lotpaste umgeschmolzen werden. Für Bumps aus Lotpaste ist grundsätzlich aber ein Umschmelzen mit einem Vakuumschritt denkbar. Hier wird dann zumindest der Effekt des Vakuums genutzt, um voidfreie Bumps zu erhalten. Der plasmaunterstützte Umschmelzprozess ist für Wafer geeignet, deren Bumps galvanisch abgeschieden oder im Sputterverfahren aufgebracht wurden. Es besteht keine Beschränkung für die Legierung des Lotes. Im Labor wurden erfolgreich Versuche mit bleifreien Lotlegierungen (z.B. SnAg) als auch mit hochbleihaltigen Legierungen durchgeführt. Derzeit arbeitet centrotherm an der Prozess-Optimierung hinsichtlich Gleichmäßigkeit der Bump-Qualität über den gesamten 300-mm-Wafer. Ebenso wird kontinuierlich an der Duchsatzoptimierung gearbeitet. Diverse Vorzüge Abschließend nochmals die Vorteile eines plasmaunterstützen Umschmelzprozesses für Wafer- Level-Bumping: • reduzierende Atmosphäre durch geeignetes Prozessgas beim Aufschmelzen des Lots • positiver Einfluss auf Voids durch Vakuum im Liquidus des Lots • gleichmäßige Geometrie der Bumps (Durchmesser, Höhe) • bessere thermische und elektrische Eigenschaften • zusätzliche Aktivierung der Bump-Oberfläche durch das Plasma, dadurch: • oxidfreie Oberfläche der Solderballs • optimale Ausbildung der Lotkugel aufgrund reiner, reduzierter Metalloberflächen Autor: Stefan Moosmann, Technologie Back-End centrotherm thermal solutions GmbH + Co. KG www.centrotherm-ts.de Bild 5: Vergleich der Bumps im REM, links: Bump aufgeschmolzen unter N2-Atmosphäre, rechts: Bump umgeschmolzen mit Plasmaunterstützung meditronic-journal 4/2012 35