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Der Handel im Bereich Halbleiter-Packaging ist seit Beginn des 21. Jahrhunderts enorm gewachsen, weil die globalen Chipproduzenten mit externen Spezialisten zusammenarbeiten, um die Markteinführungszeit und die Designkosten zu minimieren. Wie stark dieser Markt ist, zeigen die Rekordumsätze des weltweit führenden Anbieters Amkor, die im ersten Quartal 2006 gegenüber dem gleichen Vorjahreszeitraum um 55 % gestiegen sind. Die Anzahl der hier tätigen Unternehmen wächst mit der Entwicklung dieses Marktes weiter, zumal die Möglichkeiten des Packaging starken Einfluss auf Neukonstruktionen ausüben.
Die immer konkurrenzfähigeren Packaging-Spezialisten sorgen für einen wachsenden Bedarf an Prozessen und Technologien, die sowohl schnell als auch flexibel sind. So setzen beispielsweise die meisten Spezialisten auf den Schablonendruck, um Bumps auf Die- und Substratebene herzustellen oder Elektronik-Materialien wie Flussmittel und Leitkleber aufzutragen. Schließlich bietet der Schablonendruck eine Vielzahl von Vorteilen, darunter hohen Durchsatz, optimale Anlagennutzung, niedrige Kapitalkosten und kleine Stellflächen.
Geschwindigkeit und Ausbeute steigernde Lade- und Entladeprozesse
Zu den fundamentalen Herausforderungen bei der Umsetzung effektiver Schablonendruckprozesse gehören die Bereitstellung des Werkstücks, bei dem es sich um einen Wafer oder um vereinzelte Substrate handeln kann, im Schablonendrucker, sowie die Herstellung und Beibehaltung der korrekten Ausrichtung beim Aufbringen von Flussmittel, Lotkugeln oder sonstiger Einsatzstoffe. Um den Durchsatz zu maximieren, möglichst wenige Teile zu beschädigen und auf diese Weise die Ausbeute zu optimieren, wurden unterschiedliche Lösungen entwickelt, die beispielsweise die Verarbeitung vereinzelter Substrate direkt vom Prozessträger erlauben, der in der Regel dem NEMI- oder JEDEC-Standard entspricht (wie z. B. Auerschiffchen). Das ist deshalb wünschenswert, weil das individuelle Laden und Entladen einzelner Substrate sehr viel Zeit kostet und außerdem das Risiko von Substratschäden erhöht.
"Virtual Panel"-Lösung
Das Hauptargument für den Einsatz von Schablonendruckverfahren beim Halbleiter-Packaging ist der hohe Durchsatz. Um ihn zu gewährleisten, wurden Lösungen entwickelt, die das Bedrucken aller Substrate auf dem Prozessträger in einem Zyklus ermöglichen. Dabei wird nach dem Prinzip gearbeitet, dass alle vereinzelten Substrate vor Beginn des Rakelhubs individuell entlang der x-, y- und Theta-Achsen ausgerichtet und außerdem auf die selbe Höhe angehoben werden, so dass sie ein "Virtuelles Panel" (Virtual Panel) bilden. Die Rakel wird dann über die Schablone gezogen und druckt die Depots auf die einzelnen Substrate.
Das "Virtual Panel Tooling" hat sich als sehr wirksam erwiesen, wenn Substrate in großen Stückzahlen schnell bedruckt werden sollen, und zwar insbesondere wenn es darum geht, passive SMT-Bauteile zu unterfüllen, zu kapseln oder mit Lotpaste zu bedrucken. Dem stehen aber auch Einschränkungen gegenüber, da sich der Druckvorgang bei bekanntermaßen defekten Substraten nicht verhindern lässt: jede Einheit eines virtuellen Panels wird bedruckt.
Außerdem ist die Auflösung beim Feinrasterdruck begrenzt. Dies liegt daran, dass ein reales virtuelles Panel die Substrate üblicherweise mechanisch relativ zu zwei Ecken ausrichtet. Mit einem solchen Mechanismus lässt sich eine Genauigkeit erzielen, die für viele Substratprozesse ausreichend ist. Bei einigen Prozessen aber, bei denen es wie beim Aufbringen von Lotkugeln entscheidend auf die Wiederholgenauigkeit ankommt, kann ein virtuelles Panel nicht die optimale Lösung sein. Außerdem strebt man beim Design derzeit danach, bei der Bestückung mit passiven SMTs an Stelle der größeren 0201- oder 0402-Bauteile die kleinen 01005-Komponenten einzusetzen. Daraus ergibt sich, dass die Genauigkeits- und Wiederholbarkeitsanforderungen an Prozesse auf der Substratebene steigen.
Einzelverarbeitung
Um beim Bedrucken mehrerer Substrate eine größere Genauigkeit zu erzielen, wurden alternative Toolinglösungen entwickelt, mit denen sich die vereinzelten Substrate individuell verarbeiten lassen. Sobald der mit den vereinzelten Substraten beladene Prozessträger eintrifft, wird jedes Substrat vor dem Druckvorgang einzeln aus dem Träger gehoben und auf die Schablone ausgerichtet. Obwohl dies natürlich den Nutzen, den der Schablonendruck bei der Bestückung auf Substratebene bietet, insgesamt etwas reduziert, ergeben sich auch verschiedene Vorteile. Zunächst können, wenn die Koordinaten defekter Einheiten registriert wurden, diese Einheiten im Prozess übersprungen werden, so dass ihn nur fehlerfreie Einheiten durchlaufen. Dies kann automatisch durch Abfragen der Trägerdaten geschehen, die sich in einer Online-Datenbank aktualisieren und speichern lassen.
Außerdem kann das Bildsystem der Maschine zur Ausrichtung des Substrats genutzt werden. Beim hochgenauen Schablonendruck mit seinen extremen Anforderungen an die Wiederholgenauigkeit, wie sie bei passiven 01005-Bauteilen und beim Aufbringen von Lotkugeln im Feinraster erforderlich sind, führt dies zu einer präziseren Ausrichtung und wiederholbaren Ergebnissen. Und da das Bildsystem bei modernen Druckerplattformen, wie sie für die Halbleiterbestückung genutzt werden, zur Standardausstattung gehört, fallen bei seiner Nutzung keine zusätzlichen Kosten für Sonderzubehör an.
Eine der Fragen, die bei der Entwicklung der Einzelsubstratverarbeitung geklärt werden müssen, ist, wie die Schablone im Bereich um das angehobene Substrat abgestützt wird. Bei einem virtuelle Panel werden ja alle Substrate so angehoben, dass sie koplanar mit einem zwischen den Druckerschienen umlaufenden Rahmen sind. Dies sorgt für eine angemessene Unterstützung über die gesamte Rakelbreite, die sich bekanntlich positiv auf die Wiederholbarkeit des Pastenvolumens auswirkt. Eine hohe Wiederholgenauigkeit lässt sich auch bei der Verarbeitung von Einzelsubstraten erzielen, wenn man mit einer kleinen Rakel arbeitet, deren Breite der des Substrats entspricht. Stattet man die Toolinglösung dagegen wie beim virtuellen Panel mit einem umlaufenden Rahmen aus, wird der Prozess von der Rakelbreite praktisch unabhängig. Deshalb kann eine größere Rakel eingesetzt werden, bei der sich der Rakeldruck besser kontrollieren lässt, so dass man eine bessere Prozessqualität erzielt. Außerdem lassen sich Substrate unterschiedlicher Größe ohne Rakelwechsel verarbeiten, und das Druckmedium kann in größeren Mengen auf die Schablone aufgetragen werden. Die längeren Füllintervalle sorgen dann für eine bessere Ressourcennutzung und Produktivität.
Ein weiterer wichtiger Faktor ist der folgende: Erfolgt die Ausrichtung des Substrats ausschließlich über das Bildsystem der Maschine, kann sie verhältnismäßig lange dauern. Prozessträger sind nämlich keine Präzisionswerkzeuge, und die Substrate haben deshalb während ihres Aufenthalts im Träger reichlich Gelegenheit, sich in alle Richtungen zu bewegen. Die Ausrichtungsmechanik muss deshalb gegebenenfalls weit verfahren, um ein Substrat vollständig auszurichten. Eine Lösung besteht im Einfügen einer Vor-Ausrichtungsstufe zwischen dem Anheben des Substrats und dem Einschalten der Maschinenkamera, mit deren Hilfe die endgültige, hochpräzise Ausrichtung erfolgt. Eine solche Vor-Ausrichtungsstufe lässt sich kostengünstig mit einer mechanischen Lösung ähnlich der realisieren, die beim bereits erwähnten virtuellen Panel eingesetzt wird. Eine besonders preiswerte Lösung sind Ausrichtungsstifte in zwei Ecken (z.B. rechts oben und links unten), die das Substrat beim Anheben aus dem Prozessträger schnell zentrieren. Eine solche Zentrierstufe bewirkt eine erhebliche Verkürzung der Schablonenbewegung, die erforderlich ist, damit das Bildsystem der Maschine die Koordinaten für eine perfekte Ausrichtung berechnen kann. Dies führt seinerseits zu einer Verkürzung der Hubdauer.
Wenn man das Bildsystem der Maschine benutzt, kann man auf dem Substrat natürlich auch andere Bezugspunkte verwenden, um eine präzisere Ausrichtung durchzuführen, als dies mit dem mechanischen, kantenbezogenen Verfahren möglich ist. Durch den optischen Nachweis der Substratkanten lassen sich Substrat und Schablone so genau aufeinander ausrichten, dass beispielsweise auch eine wiederholbare Lotkugelpositionierung unterstützt wird. Besonders wichtig ist, dass sich durch die Bereitstellung von Marken auf dem Substrat eine noch größere Genauigkeit und Wiederholbarkeit erzielen lässt. Dies könnte die Ausrichtung in einer Genauigkeit erlauben, die der Waferebene entspricht. Bei erhöhter Genauigkeit und Wiederholbarkeit besteht sogar die Möglichkeit, noch feinere Strukturen aufzubauen. Die derzeitigen Bildverfahren scheinen so weit ausgereift, dass sich ein Substrat-Bumping mit einem Verbindungsraster von nur 200 µm erreichen lässt, wenn die neuesten Ausrichtungstechniken für vereinzelte Substrate eingesetzt werden.
Lotkugelplatzierung auf einem BGA-Substrat
Als Beispiel für den Nutzen, der sich aus der erhöhten Genauigkeit und Wiederholbarkeit sowie aus der schnelleren Ausrichtung ziehen lässt, wenn die neuesten Ausrichtungstechniken für vereinzelte Substrate eingesetzt werden, soll hier die Platzierung der Lotkugeln bei der Herstellung von Ball-Grid-Array-Packages beschrieben werden. Bei diesem Prozess wird in einer ersten Stufe das Flussmittel aufgebracht, wobei die Flussmittelschablone exakt auf die Lotkugelpositionen ausgerichtet werden muss. Diese kann auf einem vollständigen oder einem umlaufenden Grid-Array positioniert werden. Das Flussmittel wird auf jedes einzelne Substrat aufgetragen. Wenn das letzte Substrat wieder in den Träger gelegt wird, sind alle Substrate mit Flussmittel versehen und bereit, zur Lotkugelplatzierungsstufe zu verfahren. Dort müssen alle Substrate erneut individuell auf die Lotkugelschablone ausgerichtet werden, damit die Lotkugeln genau dort platziert werden, wo bereits das Flussmittel aufgetragen wurde. Hier kommt es entscheidend auf Präzision und Wiederholbarkeit an. Fehler bei der Schablonenausrichtung erzeugen Defekte wie Verschmierungen auf der Schablonenunterseite, nicht haftende Lotkugeln oder eine mangelhafte Lotpastenfreisetzung aus der Schablone, die beim Abziehen der Schablone zum Abreißen der Lotkugeln führt. Diese unerwünschten Effekte verschlechtern den First-Pass-Yield und erfordern übermäßige Reinigungsmaßnahmen; außerdem senken sie die Qualität der Baugruppe und die Produktivität.
Eine präzise Ausrichtung mit Hilfe des maschineneigenen Bildsystems ist deshalb unverzichtbar für Packaging-Spezialisten, die qualitativ hochwertige und profitable BGA-Bestückungsdienstleistungen und andere Technologien anbieten wollen, bei denen Lotkugeln auf Substratebene platziert werden müssen. Mit den neuesten Toolinglösungen, die eine mechanische Zentrierung mit der kameragestützten Ausrichtung verbinden, lässt sich der vollständige Lotkugel-Platzierungszyklus für ein einzelnes Substrat in 20 Sekunden durchführen. Das präzise Aufbringen anderer Einsatzstoffe wie Flussmittel, Lotpaste oder Leitkleber kann erheblich schneller erfolgen.
Standardplattform
Die hochpräzisen Ausrichtungslösungen, die jetzt verfügbar werden, lösen nicht nur die Herausforderungen, die vereinzelte Substrate mit sich bringen, sie eignen sich auch für vorgepackte 3D-Bauteile. Im Zusammenwirken mit einer vielseitigen Schablonendruck-Plattform wird so eine Vielzahl hoch aufgelöster und fein gerasterter Packaging-Prozesse unterstützt. Das senkt die Betriebskosten bei Packagingspezialisten im Handels- und OEM-Bereich. Dazu können die hochpräzisen Prozesse auf einer Standard-Druckerplattform ablaufen, so dass sich moderne Packaging-Prozesse kostengünstig und ohne Verlust von Flexibilität oder Durchsatz realisieren lassen.
Außerdem können SMT-Bestücker sich frühere Investitionen in automatische Inline-Druckerplattformen zu Nutze machen und neben der üblichen SMT-Bestückung Packaging-Dienstleistungen im Backend-Bereich anbieten. Die Unterstützung für das Verarbeiten vereinzelter Substrate ist zur Werkzeugaufnahme der Standardschablonendrucker direkt kompatibel und kann deshalb völlig problemlos eingesetzt werden. Ein weiterer Vorzug ergibt sich aus der schnellen Umrüstbarkeit, so dass zwischen Packaging und SMT-Standardprozessen effizient gewechselt werden kann.
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