Der Einsatz von plasmaunterstützten Lötprozessen ist hinreichend bekannt und mittlerweile etabliert. Hierzu werden Vakuum-Lötanlagen verwendet, die mit einer MW-Plasma-Quelle 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 Vakuum-Lötanlagen für das Wafer-Level-Bumping beschränkt sich bisher auf Standard-Vakuum-Lötanlagen im Bereich von Forschung und Entwicklung. Für Produktionsanlagen sind solche Systeme 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, der bei der 3D-Integration betrieben wird, rechtfertigt auch einen Mehraufwand, um für das Wafer-Level-Bumping bessere Prozessergebnisse zu erzielen. Auch heute gelten die Bumps noch als kritisches Schlüsselelement für die elektrische und mechanische Verbindung zwischen Die, 3D-Package und dem Substrat.
Optimierter Vakuum-Lötprozess
Bild 1 zeigt Temperaturverlauf und Kammerdruck für den derzeitig umgesetzten Prozess in einem Diagramm. 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 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 Vakuum-Schritt dient üblicherweise der Eliminierung der Voids, die in der Lötstelle eingeschlossen sind.
Für den Plasmaprozess wird zum Ende dieses Vakuum-Schrittes zusätzlich Gas in die Vakuumkammer eingeleitet und das Plasma gezündet. Nach dem Plasmaprozessschritt wird durch die Flutung der Kammer mit Stickstoff der Wafer gekühlt. Anschließend wird der Wafer bei Atmosphärendruck aus der Prozesskammer entnommen.
Prozess-Ergebnisse
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 Vakuum-Lötprozess 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 die oxidfreie, reduzierte Lotoberfläche wird die Oberflächenspannung positiv beeinflusst und die Lotkugeln bilden sich gleichförmig aus.
Bild 3 zeigt das Ergebnis eines Umschmelzprozesses unter Stickstoffatmosphäre. Deutlich ist zu erkennen, dass die Bumps noch die zylindrische Form vom Plating aufweisen. Zudem ist die raue und Oxid-behaftete Oberfläche zu erkennen.
Im Vergleich hierzu ist in Bild 4 das Ergebnis eines Umschmelzprozesses mit Plasmaunterstützung zu sehen. 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 Palsma-Verfahrens ist, dass aufgrund des Einsatzes reiner Prozessgase keine Rückstände auf dem Wafer verbleiben und die Wafer deshalb ohne weiteren Reinigungsschritt weiterverarbeitet werden können. Solche Rückstände bleiben typischerweise 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 Prozessoptimierung hinsichtlich Gleichmäßigkeit der Bumpqualität über den gesamten 300-mm-Wafer. Ebenso wird kontinuierlich an der Duchsatzoptimierung gearbeitet.
Stefan Moosmann
(hb)
