(Bild: PacTech)
Im Laufe der Jahre haben sich die Begriffe Rework & Repair als Sammelbegriff für jegliche Art der Nachbearbeitung von gelöteten elektronischen Baugruppen und deren Einzelkomponenten entwickelt. Im Gegensatz zu der in der Industrie oft üblichen mechanisch abrasiven Nacharbeit von Kontaktflächen mit Fräs-, Läpp- und Polierwerkzeugen, liegt der Fokus für Nacharbeiten bei Pactech ausschließlich in der thermischen Entfernung defekter Lotkontakte (Lotbumps) und Bauelemente. Die Vorteile liegen auf der Hand und so sind unbeschädigte Passivierungslagen, die geringere Restlotmenge oder der kleinere Kontaminationsgrad die Hauptgründe für die Favorisierung eines rein thermisch geführten Prozesses.
Mechanisch entfernte Lotkontakte. PacTech
Die Lotverbindungen werden mit Wärmeenergie aufgeschmolzen und mit speziellen Tools, die mit Vakuum beaufschlagt sind, abgesaugt. In der Regel werden Flussmittel eingesetzt, um den Vorgang zu unterstützen und Oxidationseffekte zu vermeiden. Anschließend werden neue Lotkontakte erzeugt oder neue Bauelemente platziert. Pactech steht ein breites Spektrum an größtenteils eigenentwickelten Bearbeitungsprozessen zur Verfügung.
Schäden an den Baugruppen vermeiden
Die Gliederung der verschiedenen Nachbearbeitungsprozesse kann nach unterschiedlichen Gesichtspunkten erfolgen und ist nach Art der Energieeinbringung in den Wechselwirkungsbereich differenziert. So bietet das Prozessportfolio neben der klassischen Einbringung der benötigten Wärmeenergie über Wärmleitungseffekte, die thermische Energiezufuhr mittels Konvektion durch die Verwendung heißer Inertgase oder über optische Strahlung mittels Laser.
Allen gemein ist das Ziel, weitere Schäden an den Baugruppen zu vermeiden und den überarbeiteten Bereich möglichst in den initialen Ausgangszustand zurück zu versetzen. Der Anspruch ist es, stets die ursprüngliche Funktionalität der Baugruppe ohne negative Einwirkungen auf Qualität und Lebensdauer wiederherzustellen.
Zielführend hierfür ist statt der oft üblichen vollflächigen Entfernung, den Prozess möglichst minimal invasiv zu gestalten. So konzentrieren sich die Nachbearbeitungsprozesse auf das lokale und selektive Entfernen und Nachsetzen von Lotkontakten und Bauelementen. Bei dieser Form der Prozessführung müssen Design und Material der verwendeten Systemkomponenten und Werkzeuge höchste Ansprüche erfüllen, um lange Standzeiten und minimale Wartungsaufwände, bei den meist vollautomatischen Systemlösungen, zu gewährleisten. So muss das verwendete Material des Absaugwerkzeuges starken Wärmelasten und hohen Temperaturgradienten wiederstehen, ohne über den Einsatzzeitraum lotbenetzende Eigenschaften zu entwickeln. Diese können einerseits chemisch durch Diffusionsprozesse in den Materialien oder andererseits durch mechanisches Verzahnen des Lotes mit der Werkzeugoberfläche verursacht sein. Pactech setzt für seine Nachbearbeitungsprozesse spezielle Sinterkeramiken ein, welche neben der guten mechanischen und thermischen Stabilität vor allem hohe Wärmeleitungseigenschaften aufweisen. Zusätzlich ist die Gestaltung der Prozessführung und -regelung ein weiterer Schlüssel zur möglichst substratschonenden Nacharbeit. Damit umliegende Lotkontakte oder Bauelemente bei der Nacharbeit nicht beschädigt werden – und genau darin besteht die große Kunst – muss der Prozess eine hohe Dynamik aufweisen. Die Prozessdynamik wird neben der Art des thermischen Energietransfers und den Wärmeleiteigenschaften des verwendeten Werkzeugmaterials auch von der Bewegungscharakteristik des verwendeten Achsensystems und der Gestaltung des Bewegungsablaufs bestimmt.
Thermisch entfernte Lotkontakte. PacTech
Schonender Nachbearbeitungsprozess
Das SB² -Solder-Jetting-System mit integrierter Repairstation erfüllt alle der genannten Kriterien und ermöglichst so einen schonenden Nachbearbeitungsprozess, insbesondere für temperatursensitive Substrate oder 3D-Interconnects. Die Nacharbeit von 3D-Interconnects, wie sie beispielsweise bei Kameramodulen zu finden sind, ist aktuell eine der Hauptherausforderungen. Im Vergleich zu 2D-Substraten ist das Reparaturwerkzeug während des Prozesses mehr vom umgebenen Material umschlossen und kann folglich weniger Wärmeenergie an die Umgebung abgeben, wodurch die Wärmelast für das Bauteil ansteigt. Unter der Berücksichtigung der oben beschriebenen Rahmenbedingung lässt sich auch diese Anwendung sicher meistern.
Auch der Laplace-FCR erfüllt alle Kriterien für eine zerstörungsfreie Nacharbeit. Das vollautomatische Laserbonding-System ist für das lokale Fügen und Reparieren von einzelnen Bauelementen wie beispielsweise Flip-Chips oder BGA´s (Ball Grid Arrays) und ganzen Baugruppen wie zum Beispiel PoP (Package on Package) oder SiP (System in Package) ausgelegt. Entgegen dem Prozess zum Entfernen einzelner Lotkontakte erfolgt der Energietransfer bei der Baugruppennacharbeit indirekt in die Fügegrenzfläche. Die thermische Energie muss durch mindestens einen Teil der Gesamtbaugruppe in die Fügezone eingebracht werden, um die Lotkontakte aufzuschmelzen und das Abheben des Bauelementes oder der Baugruppe zu ermöglichen.
Repair-Prozess an einem Kameramodul. PacTech
Copper Pillar
Im Zuge der fortschreitenden Miniaturisierung von Halbleiterbauelementen verringern sich die Kontaktgeometrien kontinuierlich und liegen aktuell bei 10-80µm im Durchmesser. Die zur Verfügung stehenden Nachbearbeitungsprozesse versagen bei der Entfernung der winzigen Lotkappen auf den “Copper Pillars“. Dieser Herausforderung stellt sich Pactech und treibt aktuell die Entwicklung eines neuen innovativen Lösungsansatzes für diese Anwendung voran.
Um die Forderungen nach einer möglichst lokal begrenzten und geringen thermischen Last für den Baugruppenträger zu erfüllen, müssen zusätzlich Laserwellenlänge und Strahlprofil auf das Substratmaterial abgestimmt sein. So eignen sich beispielsweise Laser im nahen Infrarotbereich besonders für die Bearbeitung von Silizium Chips, aufgrund des geringen Absorptionskoeffizienten. Die optische Strahlung kann folglich nahezu ungehindert in den Grenzbereich der Fügezone vordringen und dort lokal thermisch wechselwirken.
Bedingt durch die Komplexität mancher Schichtaufbauten ist das thermische Feedback einer Baugruppe oder eines Baugruppenträgers nur schwer im Vorfeld hinreichend abschätzbar. Um die Prozessführung trotzdem sicher und robust zu gestalten, werden Thermosensoren mit höchster Messdynamik zur Überwachung des Bearbeitungsbereichs eingesetzt und der Laser nahezu instantan geregelt.
Massenplatzierung von Lotkugeln
Eine andere Form der Nacharbeit findet beim automatischen Ultra-SB² 300 WLR Anwendung, bei welcher Lotkugeln dem Nachbearbeitungsprozess unterzogen werden, die noch keinen umgeschmolzenen Zustand auf den Pads aufweisen und lediglich durch Flussmittel vorfixiert sind. Das System dient grundsätzlich der Massenplatzierung von Lotkugeln auf Halbleitersubstraten mit hoher Anschlussdichte. In einem Schritt werden möglichst alle Kontakte, die im Vorfeld mit Flussmittel benetzt wurden, mit Lotkugeln bestückt und anschließend in einem separaten Reflowofen umgeschmolzen. Die Maschine verfügt über eine automatische Inspektion, bei der der inspizierte Wafer mit einer Referenzdatei verglichen wird, um eventuelle Defekte vor dem Ofenreflow zu identifizieren. Deplatzierte und fehlende Kugeln werden ohne Wärmeenergieeinbringung entfernt, bzw. nachgesetzt. Danach erfolgt die Aktualisierung der elektronischen Waferansicht mit den nun korrigierten Lotkugeln und anschließend der Ofenreflow.
Matthias Fettke
(hw)
