Herausforderungen und Fortschritte beim Pick-and-Place von Halbleiterchips

Abb. 1 Pick-and-Place von Halbleiterchips

Der Artikel gibt einen Überblick über Prozesse und Anlagen zur Herstellung von Halbleiterchips sowie über deren Einsatz in Alltagsprodukten. Anschließend werden zentrale Herausforderungen beim Greifen und Anheben von Halbleiterchips erläutert und Methoden zur Schadensminimierung vorgestellt. Anhand konkreter Anwendungsbeispiele wird der Einsatz des Pick-and-Place-Roboters PPR von THK beschrieben.

Dieser Artikel soll sowohl Berufseinsteigerinnen und -einsteiger in der Halbleiterindustrie als auch erfahrenen Fachkräften, die sich mit den Herausforderungen des Pick-and-Place-Prozesses von Halbleiterchips befassen, einen praktischen Nutzen bieten.

Halbleiter sind das „Brot-und-Butter-Geschäft“ für die Industrie

Halbleiter werden oft als das „Brot-und-Butter-Geschäft“ der Industrie bezeichnet – doch wie allgegenwärtig sind sie tatsächlich?

Beginnen wir mit CPUs. In Smartphones und Computern, die wir ständig bei uns tragen, arbeitet ein Informations- und Rechenprozessor, die sogenannte CPU. Man könnte annehmen, dass jedes Gerät nur eine einzige CPU besitzt. In der Praxis verfügen viele moderne Computer jedoch über mehrere integrierte CPUs, etwa Quad-Core-Prozessoren, um große Datenmengen effizient zu verarbeiten.

Darüber hinaus gibt es zahlreiche Systeme, in denen mehrere CPUs Informationen unabhängig voneinander verarbeiten, wobei jede CPU eine klar definierte Aufgabe übernimmt. Fahrzeuge sind ein Beispiel dafür: Manche modernen Autos sind mit 30 oder mehr CPUs für unterschiedliche spezifische Funktionen ausgestattet.

Als Nächstes betrachten wir die Speichermedien. CPUs können Informationen verarbeiten, aber nicht dauerhaft speichern. Würde bei jeder Berechnung das Ergebnis der vorherigen Berechnung verschwinden, käme kein Arbeitsprozess voran. Speichermedien übernehmen daher die Aufgabe, Daten während der Verarbeitung großer Informationsmengen temporär oder langfristig zu speichern.

Und wie steht es um Sensoren? Nehmen wir zum Beispiel Bildsensoren. Sie kommen unter anderem in Smartphones und Digitalkameras zum Einsatz. Bildsensoren erfassen externe Punkt- und Farbinformationen und wandeln diese in Daten um. Diese Daten werden anschließend so verarbeitet, dass sie als Bild oder Bilddatei dargestellt werden können. Bildsensoren sowie Fotosensoren, Beschleunigungssensoren und Drucksensoren tragen wesentlich dazu bei, unser Leben sicherer und komfortabler zu machen.

Nicht zuletzt werfen wir einen Blick auf LEDs. Halbleiter haben auch die Art und Weise revolutioniert, wie wir unsere Umgebung beleuchten. LEDs haben herkömmliche Glüh- und Leuchtstofflampen aufgrund ihrer hohen Leuchtkraft, langen Lebensdauer, geringen Energieaufnahme und kompakten Bauweise weitgehend ersetzt. Sie finden sich heute unter anderem in Fahrzeugen, Verkehrsampeln, Straßenbeleuchtungen, Smartphone-Displays und Monitoren.

Betrachtet man all diese Anwendungen, wird deutlich, wie unverzichtbar Halbleiter für unser tägliches Leben geworden sind.

Abb. 2 Anwendungsbereiche von Halbleitern

Halbleiterchips und ihre Herstellung

Zunächst bestehen Halbleiter aus einem siliziumbasierten Material1. Einkristalline Siliziumblöcke, sogenannte Ingots, werden in dünne Wafer geschnitten. Anschließend folgen Vorverarbeitungsschritte wie die Strukturierung (Patterning) und die Die-Singulation (Die-Separierung), bei der der Wafer in einzelne, funktionierende Mikrochips unterteilt wird. Auf diese Weise entstehen die eigentlichen Halbleiterchips, die auch als Dies bezeichnet werden. Der Begriff Chip leitet sich davon ab, dass es sich um kleine Stücke oder Fragmente des größeren Siliziumingots handelt. Der Begriff Die hingegen bezeichnet ein quadratisches oder würfelförmiges Stück Material ähnlich wie ein Spielwürfel. Daher stammt auch die Bezeichnung Die singulation.

Zu diesem Zeitpunkt sind die Dies zwar vereinzelt, können jedoch noch nicht direkt in einer Schaltung eingesetzt werden2. Zunächst müssen sie auf einen polarisierten Leadframe oder ein Halbleitergehäuse montiert werden, das mit der jeweiligen Schaltung verbunden ist. Dieser Schritt wird Die bonding genannt. Dabei wird der Die entweder gelötet oder mit einem Klebstoff fixiert.

Im darauffolgenden Prozess, dem Wire bonding, wird der Die mithilfe feiner Metalldrähte elektrisch mit dem Leadframe oder dem Halbleitergehäuse verbunden. In diesem Stadium liegen sowohl die Drähte als auch die Oberfläche des Halbleiterchips noch frei und müssen äußerst vorsichtig gehandhabt werden. Um ihnen zusätzliche Stabilität zu verleihen, wird im nächsten Schritt – dem Molding – Harz aufgebracht, das eine schützende Kapsel bildet.

1.Es kommen auch andere Materialien zum Einsatz.

2. Zum Zeitpunkt der Erstellung dieses Artikels existiert ebenfalls eine Technik namens Flip-Chip-Bonding.

Abb. 3 Halbleiterfertigungsprozess

Zu den verschiedenen Maschinen, die in diesen Bearbeitungsschritten eingesetzt werden, zählen Dicer zur Die-Singulation, Die-Bonder zum Platzieren der Dies (Mikrochips), Sorter zum Vorsortieren der Dies vor dem Die-Bonding³ sowie Wire-Bonder für das Wire Bonding. 3 Sorter können Chips aussortieren, die sich bei der Prüfung als fehlerhaft erweisen.

Herausforderungen beim Aufnehmen von Halbleiterchips

Kehren wir zu den Prozessen zurück, bei denen Wafer in einzelne Chips getrennt und diese anschließend aufgenommen werden. Während der Die-Singulation werden die Wafer auf Klebeband fixiert, um zu verhindern, dass die Chips beim Schneiden auseinanderfliegen. Nach dem Schneidprozess werden die vom Wafer getrennten Chips mit einem Pick-Werkzeug gegriffen und vom Klebeband abgehoben.

Aufgrund der physikalischen Eigenschaften von Silizium kann das Material bereits durch geringe Stöße brechen oder Risse bekommen. Dadurch besteht die Gefahr, dass Chips beschädigt werden, die die Vorverarbeitung bereits erfolgreich durchlaufen haben. Um dieses Risiko zu reduzieren, wird das am Wafer haftende Klebeband ausgedehnt (Tape-Expansion), und Auswerferstifte (Ejector-Pins) heben die Chips einzeln von unten leicht an. Dadurch können die Pick-Werkzeuge die Chips leichter und schonender vom Klebeband lösen.

Abb. 4 Tape-Expansion und Abheben von Halbleiterchips mit einem Pick-Tool

Das Anheben der Chips mittels Auswerferstiften erleichtert das Ablösen des Klebebandes, setzt jedoch eine hochpräzise und technologisch anspruchsvolle Umsetzung voraus. Nachfolgend werden einige Faktoren beschrieben, die diesen Prozess verkomplizieren: 1. Die Chips weisen eine sehr geringe Dicke auf und sind mechanisch hochsensibel. 2. Auswerferstifte und Aufnahmewerkzeuge müssen zeitlich und räumlich exakt synchronisiert sein. 3. Verschleiß kann zu Lageabweichungen der Auswerferstifte und Kollets4 relativ zu den Chips führen. 4 In der Halbleiter- und Elektronikbauteilindustrie wird eine Saugdüse als Kollet bezeichnet. Im Folgenden werden die einzelnen erschwerenden Faktoren näher betrachtet.

1. Chips sind sehr dünn und äußerst empfindlich.

Wie oben erwähnt, werden Ingots in dünne Scheiben geschnitten, um Halbleiterwafer herzustellen. Je dünner diese Wafer sind, desto mehr lassen sich aus einem einzelnen Ingot gewinnen, was die Kosten pro Wafer senkt. Zudem benötigen kleinere und dünnere Halbleiterbauelemente beim Einbau auf einer Leiterplatte weniger Fläche und Volumen. All dies trägt dazu bei, das fertige elektronische Gerät kompakter zu machen und das Endprodukt benutzerfreundlicher zu gestalten.

Während viele Chips aus Gründen der Bruchfestigkeit und der einfacheren Handhabung auf eine Dicke von 0,5 mm bis 1,0 mm zugeschnitten werden, können einige hochmoderne Chips eine Dicke von nur etwa 20 µm aufweisen.

2. Auswerferstift und Pickwerkzeug müssen synchron zueinander bewegt werden.

Der Auswerferstift wird durch einen Servomotor oder anderen Antrieb von der Unterseite eines Halbleiterwafers nach oben bewegt. Das Kollet an der Pickeinheit wird ebenfalls durch einen Servomotor oder anderen Antrieb jedoch nach unten bewegt. Der Ablauf beim Aufnehmen eines Halbleiterchips ist wie folgt:

1. Das Kollet wird abgesenkt und kommt mit dem Chip in Kontakt, dabei wird Unterdruck angelegt.

2. Der Auswerferstift wird angehoben.

3. Auswerferstift und Kollet werden gleichzeitig angehoben.

4. Das Kollet bewegt sich weiter nach oben und nimmt den Chip auf.

Während dieses Vorgangs ist der Chip sowohl Belastungen durch den Kontakt mit Kollet und Auswerferstift als auch Kräften ausgesetzt, die durch das Einklemmen zwischen beiden entstehen. Um Schäden an diesen dünnen Halbleiterchips zu reduzieren, sind eine hochpräzise Positionsregelung, Geschwindigkeitsregelung sowie eine synchronisierte Bewegung entlang der vertikalen Achse erforderlich.

Nach unseren Untersuchungen führt bereits ein Einklemmen von nur wenigen Dutzend Mikrometern zu einer Belastung im Bereich von mehreren hundert Gramm, wodurch eine strikte Positionskontrolle zwingend erforderlich ist.

3. Verschleiß kann die relative Position von Auswerferstift und Kollet zum Chip verändern

Auswerferstifte und Kollets kommen täglich tausendfach, wenn nicht zehntausendfach, mit den Chips in Kontakt, wodurch sie sich im Laufe der Zeit allmählich abnutzen. Um diesem Verschleiß entgegenzuwirken, werden für diese Komponenten Hartmetalle und sogar Diamanten verwendet. Dennoch können sich die Spitzen dieser Bauteile verformen, sodass sich ihre relativen Positionen in Bezug auf die Chips verändern. Dies kann sowohl Auswurffehler als auch Beschädigungen der gehandhabten Chips verursachen.

Abb. 5 Durch Einklemmen entstehende Stoßbelastung bei fehlender Justiermöglichkeit während des Anhebens mit dem Auswerferstift

Vorteile des Pick-and-Place Roboters PPR

Als integriertes Gesamtsystem ist das PPR mit einem Linearmotor und einem Encoder für die Z-Achse sowie einem Kraftsensor ausgestattet und eignet sich optimal für ein breites Spektrum von Prozessen zum Aufnehmen von Halbleiterchips.

Mit einer Kontaktstopp-Funktion, die aktiviert wird, sobald das Kollet den Halbleiterchip berührt, reduziert das PPR die Stoßbelastung auf den Chip. Dieselbe Funktion kann zudem Schwankungen in der Intensität dieser Stoßbelastung verhindern, wie sie infolge einer durch Verschleiß verursachten Verschiebung des Kollets auftreten können. Da das PPR Positionsinformationen bis in den Mikrometerbereich erfassen kann, ist es darüber hinaus in der Lage, einen solchen Verschleiß des Kollets zu erkennen, indem die Position des Kollets zum Zeitpunkt des Kontakts mit dem Chip überprüft wird.

Eine Fallstudie zu einer vorgeschlagenen Lösung, bei der Höhenbestimmungen anhand von Positionsinformationen vorgenommen werden, finden Sie auf dieser Seite.

Durch die Funktion der Presskraftregelung des PPR zur Synchronisation mit Auswerferstiften kann eine vorgegebene Last auf die aufgenommenen Chips konstant gehalten werden. Dadurch lassen sich beim Anheben der Chips Stoßbelastungen vermeiden, die diese eingestellte Last überschreiten würden, selbst wenn die Bewegung entlang der Vertikalachse nicht mit hoher Genauigkeit synchronisiert ist.

Eine Fallstudie zu einer vorgeschlagenen Lösung, die das Verhalten der für die Presskraftregelung eingesetzten Kraftsensoren zeigt, finden Sie auf dieser Seite.

Abb. 6 Stoßabsorption durch Vermeidung überlagerter Kräfte beim Anheben des Chips

Abb. 7 Aufbau des Pick and Place-Roboters PPR

Förderung höherer Erträge bei der Halbleiterherstellung

Dieses Mal lag der Fokus darauf, wie Halbleiterchips während der Verarbeitung aufgenommen werden. Dabei wurden sowohl Herausforderungen im Zusammenhang mit der Vermeidung von Beschädigungen als auch Prozessverbesserungen betrachtet, die durch den Pick and Place-Roboter PPR ermöglicht werden. Wie bereits im ersten Teil dieses Artikels beschrieben, sind Halbleiter ein zentraler Bestandteil moderner Technologien. Mit den steigenden Anforderungen an die Funktionalität von Geräten wie Smartphones geht die Notwendigkeit einher, Halbleiter zunehmend kleiner und dünner zu gestalten. Rückmeldungen von Anwendern zeigen jedoch, dass viele Anlagen- und Gerätehersteller hierbei vor erheblichen Herausforderungen stehen.

Es wird davon ausgegangen, dass der PPR sowie weitere Technologien von THK dazu beitragen können, diese Herausforderungen zu adressieren und die Weiterentwicklung von Prozessen in der Halbleiterindustrie zu unterstützen.

Für weiterführende Informationen oder technische Unterstützung wenden Sie sich bitte an THK.

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