A method for the assembly of microelectronic packages using microwave curing

Abstract

Advanced electronic packaging continues to gain prevalence, driven by the continuous trend for miniaturization with concurrent functional integration. Processes in use today are typically efficient for mass production, but are not suitable for the purposes of low volume and prototype production. Adhesive bonding circumvents the elaborate tooling typical for mass production and provides a higher degree of flexibility. Disadvantages lie in long curing cycle times and high handling effort. To overcome these problems, a novel method for the assembly of electronic packages is proposed, one that improves the performance and efficiency of the assembly processes and reduces the handling effort between the separate process steps by integration of assembly and curing process equipment into a single machine. An analysis of the field of electronic packaging with particular respect to adhesive curing processes is performed. Then the relevant state-of-the-art is reviewed and the need of a novel method is identified. The conception and realization of a microwave curing system, based on an open-ended waveguide resonator are carried out. Different concepts for the control of the curing process are described. A machine integrating the curing system and the assembly process equipment is designed and prototypically realized. This is followed by extensive evaluation and testing of the novel method. In the course of the evaluation a representative flip-chip assembly is realized. In order to assess the influence on reliability, a series of temperature cycling tests is performed. Additionally, stress-measurement dies are packaged and the influence of the proposed method onto residual stresses is studied. The influence of the proposed method on throughput and assembly efficiency is investigated. The proposed method provides reduction of curing cycle times for three different adhesive materials and therewith an increase of the overall throughput. By reduction of handling effort, the overall process efficiency could be improved. Furthermore, by microwave curing with the proposed method, a higher reliability of the resulting electronic packages can be achieved. The experiments with the stress chips reveal lower residual stresses in the microwave-heated chips compared to convection heating.

Durch den anhaltenden Trend der Miniaturisierung bei gleichzeitiger Funktionsintegration steigt die Komplexität in der Aufbau- und Verbindungstechnik stetig. Die dabei eingesetzten Fertigungsverfahren sind ausgelegt auf eine Massenproduktion und nur bedingt geeignet für kleinere Stückzahlen. Durch den Einsatz von Klebstoffen in der Aufbau- und Verbindungstechnik kann die aufwändige und für die Massenproduktion typische Herstellung von Werkzeugen umgangen werden. Die dabei eingesetzten Fügeprozesse weisen eine deutlich höhere Flexibilität auf, insbesondere bei kleinen und mittleren Stückzahlen. Ein deutlicher Nachteil ist jedoch die häufig lange Dauer der Aushärteprozesse im Verhältnis zu den übrigen Montageprozessen. Im Zuge dieser Arbeit wird daher ein neues Verfahren beschrieben, welches den Durchsatz der Montageprozesse erhöht und den Wirkungsgrad des Gesamtmontageprozesses steigert. Dabei wird insbesondere eine Reduzierung der Aushärtezeiten adressiert. Es wird zunächst eine Anforderungsanalyse der Aufbau- und Verbindungstechnik mit Fokus auf die Anforderungen des Aushärtens von Klebstoffen durchgeführt. Anschließend wird der relevante Stand der Technik analysiert und die Notwendigkeit eines neuen Verfahrens erörtert. Es wird ein Konzept eines neuartigen Mikrowellen- Aushärtesystems unter Einsatz eines einseitig offenen Wellenleiters beschrieben. Verschiedene Konzepte zur Regelung des Heizprozesses werden beschrieben. Zur Realisierung des gesamten Mikromontageprozesses wird eine Montageanlage mit integriertem Mikrowellen-Aushärtesystem konzipiert. Beide Systeme werden anschließend prototypisch umgesetzt. Im Folgenden wird das Verfahren experimentell evaluiert. In diesem Zuge wird eine Flip-Chip-Baugruppe mit dem neuen Verfahren aufgebaut. Um den Einfluss auf die Zuverlässigkeit zu bestimmen werden an einer repräsentativen Baugruppe Thermozyklentests durchgeführt. Weiterhin werden Einflüsse des Verfahrens auf Zuverlässigkeit, Durchsatz und Montagewirkungsgrad untersucht. Mit dem beschriebenen Verfahren können die Aushärtezeiten deutlich reduziert und somit der Durchsatz gesteigert werden. Der Montagewirkungsgrad kann durch die Verringerung des Handhabungsaufwands stark verbessert werden. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass die Zuverlässigkeit der montierten Baugruppen durch reduzierte innere Spannungen innerhalb des Klebstoffs erhöht werden kann.