Ultraschall-DIE-Bonding ist eine innovative und effiziente Technik, die in der Halbleiterindustrie zunehmend für die Montage mikroelektronischer Komponenten eingesetzt wird. Bei dieser Methode werden hochfrequente Ultraschallschwingungen genutzt, um zuverlässige Verbindungen zwischen Halbleiterchips und Substraten herzustellen. Dabei lässt sich die thermische Belastung im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren erheblich reduzieren.
„Zu den Vorteilen des Ultraschallbondens gehören geringer thermischer Eintrag, kurze Verarbeitungszeiten, eine hohe mechanische Festigkeit und die Möglichkeit, unterschiedliche Materialien zu verbinden. Somit eignet sich das Verfahren insbesondere für fortschrittliche Module wie Leistungsbauelemente, HF-Komponenten, MEMS und LED-Gehäuse“, führt Daniel Schultze, Geschäftsführer der Tresky GmbH aus und ergänzt: „Trotz der zahlreichen Vorteile gibt es jedoch auch Herausforderungen wie Anschaffungskosten, die Prozessoptimierung und die Materialkompatibilität. Doch laufende Forschungs- und Entwicklungsarbeiten im Markt und auf unserer Seite zielen darauf ab, diese Aufgabenstellungen zu lösen und somit den Weg für eine breitere Einführung und Integration des Ultraschall-DIE-Bondens in automatisierte Fertigungsprozesse zu ebnen.“
Schultze möchte daher einen umfassenden Überblick über das Ultraschall-DIE-Bonding-Verfahren, seine Mechanismen und die Möglichkeit der Anwendung in der modernen Halbleiterfertigung geben und der Fachöffentlichkeit somit die Vorteile des Prozesses näherbringen. Insbesondere die Nachfrage nach kleineren, schnelleren und leistungsfähigeren elektronischen Geräten hat zu Innovationen in der Halbleiterverpackungstechnologie geführt. Hier hat sich das Ultraschallbonden als bevorzugte Methode bei der Verarbeitung wärmeempfindlicher Chips sowie aufgrund seiner Fähigkeit, zuverlässige Verbindungen mit minimaler thermischer Belastung zu schaffen, durchgesetzt.
Das Ultraschallbonden kann somit eine Alternative zum Thermokompressionsbonden beim Flip-Chip-Bonden darstellen. Beim Flip-Chip-Bonden werden eine Reihe von Goldbumps an der Unterseite eines ICs mit vergoldeten Pads auf einem Substrat verbunden. „Das reine Thermokompressionsbonden erfordert normalerweise Grenzflächentemperaturen in der Größenordnung von ≥280°C. Diese Temperatur kann Packaging-Materialien, Laminate und einige empfindliche Mikrochips beschädigen“, so Schultze. Das Ultraschallbonden bietet sich als Alternative für das Flip-Chip-Bonden an, da die Grenzflächentemperatur und die Bondkraft hier in der Regel zwischen 100 und 160 °C bzw. 20 und 50 g/Bump liegen und somit weniger Materialstress hervorrufen. „Durch die hochfrequenten Ultraschallschwingungen wird eine lokale Erwärmung an der Schnittstelle zwischen Chip und Substrat erzeugt, die zum Aufbau einer stabilen Verbindung führt“, fasst Schultze den Prozess zusammen.
Für eine prozesssichere Durchführung sind verschiedene Einzelschritte erforderlich. So werden die Oberflächen vom DIE und von dem Substrat gereinigt und vorbereitet, um eine optimale Verbindung zu gewährleisten. Der Chip wird von einem DIE Collet gehalten, das für die Ultraschall-Bonding-Anwendung ausgelegt sein muss. Nach dem Ausrichten des DIEs auf dem Substrat durch das Mustererkennungssystem von Tresky wird der DIE präzise positioniert und einem kontrollierten Druck ausgesetzt. Die dabei eingeleitete Ultraschallenergie versetzt die Oberflächen in Schwingung. Durch diese Vibration werden die Oberflächenoxide und Verunreinigungen aufgebrochen und es wird ein Kontakt auf atomarer Ebene möglich. Die Ultraschallparameter, d. h. die Leistung, die Zeit und die Verzögerungszeit, sind in der Maschinensoftware der Tresky DIE-Bonder einstellbar. Durch die Kombination von Druck und Ultraschallenergie entsteht eine Festkörperverbindung, wobei die Materialien plastisch verformt werden und diffundieren. Somit lassen sich reproduzierbare, stabile Verbindungen zwischen DIE und Substrat erzeugen.
