3D-Messungen von integrierten Schaltungen (ICs)

Die Popularität von 5G als Standard für Mobilfunknetze hat zur Miniaturisierung von Halbleiterbauteilen geführt, was wiederum die Notwendigkeit zur Prüfung und Analyse von Produkten erhöht hat. Die neuesten Funktionen der Modellreihe VK-X von KEYENCE ermöglichen wiederholbare Messungen, eine Unterweisungsfunktion und eine OK/n.i.O.-Beurteilung durch Vorlagen. Dieser Abschnitt enthält technische Informationen und Anwendungsbeispiele für die Prüfung von BGAs, Drahtbonding, Kontaktstiften und ähnliche Fälle, in denen Laserscanning-Mikroskope von KEYENCE eingesetzt werden.

Typische Chipgehäuse
Typisches Bonding für die IC-Chipmontage
Bump-Herstellungsverfahren für Flip-Chip-Bonding
Drahtbonding-Ablauf
Beispiele für das Prüfen von Bonddrähten
Beispiele für IC-Prüfungen
Elektrische Prüfmethoden
Beispiele für die Prüfung eines Kontaktstifts

Typische Chipgehäuse

Mit der zunehmenden Integration von Mikrochips hat sich die Oberflächenmontagetechnik (SMT) durchgesetzt. Für hochkomplexe Schaltungen werden auch Matrix-Typen (BGA-Typen) verwendet. LSI ist ein Akronym für Large Scale Integration, wird aber oft als Synonym für IC (Integrated Circuit) verwendet.

Gehäusebauform

SIP (Single Inline Package): Diese Gehäuse werden in Leiterplatten eingesetzt. Die Anschlussstifte verlaufen in einer Reihe auf einer Längsseite des Gehäuses.
DIP (Dual Inline Package): Diese Gehäuse werden in Leiterplatten eingesetzt. Dabei befinden sich zwei Reihen von Anschlussstiften an gegenüberliegenden Seiten des Gehäuses.

Oberflächenmontagetechnik (SMT) Lötanschlüsse des Gehäuses

SOP (Small Outline Package): Bei diesen SMT-Gehäusen sind die Lötanschlüsse an zwei Seiten des Gehäuses angeordnet und die Kontaktflächen der Anschlüsse breiten sich wie Flügel aus.
SOJ (Small Outline J-leaded Package): Bei diesen SMT-Gehäusen verlaufen die Lötanschlüsse von beiden Seiten des Gehäuses aus und die Kontaktflächen sind nach innen gebogen, als würden sie das Gehäuse abdecken. Von der Seite betrachtet sieht jeder Lötanschluss wie der Buchstabe J aus.
QFP (Quad Flat Package): Bei diesen SMT-Gehäusen sind die Lötanschlüsse an allen vier Seiten des Gehäuses angeordnet und die Kontaktflächen der Anschlüsse sind wie Flügel ausgebreitet.
QFJ (Quad Flat J-leaded Package): Bei diesen SMT-Gehäusen verlaufen die Lötanschlüsse von allen vier Seiten des Gehäuses aus und die Kontaktflächen sind nach innen gebogen, als würden sie das Gehäuse abdecken.
Von der Seite betrachtet sieht jeder Lötanschluss wie der Buchstabe J aus.

Surface Mount Technology (SMT) Integrierte Anschlüsse im Gehäuse

SON (Small Outline Non-leaded Package): Diese SMT-Gehäuse haben keine seitlich überragenden Kontaktflächen. Elektrodenpads werden als Anschlüsse verwendet. SON ist ein Zwei-Wege-Typ für eine kleine Anzahl von Pins.
QFN (Quad Flat Non-leaded Package): Diese SMT-Gehäuse haben keine seitlich überragenden Kontaktflächen. Elektrodenpads werden als Anschlüsse verwendet. QFN ist ein Vier-Wege-Gehäuse.

Surface Mount Technology (SMT) Matrix-Typ des Gehäuses

BGA (Ball Grid Array): Kugelförmige Lötkugeln sind auf der Unterseite des Gehäuses angeordnet und dienen als Anschlüsse.
PGA (Pin Grid Array): Auf der Unterseite des Gehäuses sind Pins angeordnet, die als Anschlüsse dienen.
LGA (Land Grid Array): Elektrodenpads (inkl. Kupferanschlüsse) sind auf der Unterseite des Gehäuses angeordnet, die als Anschlüsse dienen.

Typisches Bonding für die IC-Chipmontage

Drahtbonding

Beim Drahtbonding werden Elektroden von Halbleiterchips mit den elektrischen Anschlüssen von Leiterrahmen oder Leiterplatten mit dünnen Drähten aus Gold, Aluminium oder Kupfer verbunden.

Flip-Chip-Bonding

IC-Chips werden direkt auf der Leiterplatte angebracht. Diese Methode wird Flip-Chip-Montage (FC-BGA) genannt. Kontakte, sogenannte Bumps, werden auf den Elektroden eines IC-Chips aufgebracht und mit den Elektroden einer Leiterplatte verbunden. Mit dieser Methode kann im Vergleich zum Drahtbonding Platz gespart werden.

A

Halbleiterchip

B

Flip (mit der Kontaktierungsseite nach unten)

Bump-Herstellungsverfahren für Flip-Chip-Bonding

Montage der Lötkugel: Die Lötkugeln werden im Voraus hergestellt, auf Elektroden gesetzt und dann aufgeschmolzen, um Bumps zu erzeugen. Es können höhere Bumps als beim Wiederaufschmelzlöten erzeugt werden. Außerdem werden durch die Standardisierung der Lötkugel Unterschiede in der endgültigen Bumphöhe vermieden.
Wiederaufschmelzlöten: Lötpaste wird auf Elektroden gedruckt und aufgeschmolzen, um Bumps zu erzeugen. Der Durchsatz ist hoch, aber es ist schwierig, die Bump-Höhe zu vereinheitlichen.
Galvanotechnik (Plattieren): Durch das Galvanisieren entstehen Bumps. Es können sehr kleine Bumps erzeugt werden, aber der Durchsatz ist gering.

Drahtbonding-Ablauf

Es werden röhrenförmige Kapillaren (wie eine Injektionsnadel) verwendet, durch die Metalldrähte verlaufen. Die Drahtspitze wird durch Entladung angeschmolzen. Der runde Teil wird dann zur Befestigung an die Elektrode gebondet. Dies wird als Ball Bonding oder erstes Bonding bezeichnet. Der Ball wird unter Druck der Kapillare, Wärme und Ultraschall auf die Kontaktfläche gebondet.
Die Kapillare bewegt sich zum zweiten Bonding-Punkt, wodurch eine Schleifenform des Bondingdrahts erzeugt wird.
Beim Verbinden mit einer Anschlusselektrode wird keine Kugel hergestellt, sondern der Draht wird durch die Kapillare zusammengepresst. Dies wird als Stichverbindung oder zweites Bonding bezeichnet.
Die Drahtklammer schließt sich und der Metalldraht wird eingeklemmt. Bei der anschließenden Verfahrbewegung der Kapillare nach oben wird das Drahtende abgerissen.

Teile einer Kapillarspitze

A

Konuswinkel

B

Flankenwinkel

C

Fasenwinkel

D

Fasendurchmesser

E

Bohrungsdurchmesser

F

Durchmesser der Spitze

Beispiele für das Prüfen von Bonddrähten

Teaching-Vorgang des Drahtbondings für die automatische Messung

Rauheitsmessung einer Kapillarspitze (Mehrfachmessungen)

Beispiele für IC-Prüfungen

Messung des Außendurchmessers und der Höhe des Bumps

Rauheitsmessung für mehrere Linien auf einem Chipgehäuse

Messung der Schichtdicke bei Widerständen

Messung von Smartphone-Leiterplattenmustern

Elektrische Prüfmethoden

In diesem Abschnitt werden typische elektrische Prüfmethoden für elektronische Komponenten vorgestellt. Neben dem einfachen Öffnen oder Kurzschließen einer Komponente ist es auch möglich, Strom durch eine Komponente fließen zu lassen.

Probe-Card: Hierbei handelt es sich um eine Vorrichtung, die bei der elektrischen Prüfung von LSI-Chips (LSI = Large Scale Integration) verwendet wird, die im Rahmen der Herstellung von LSI-Schaltkreisen bei der Wafer-Prüfung (Vorverarbeitung) auf Silizium-Wafern gebildet werden.
Kontaktstift: Hierbei handelt es sich um ein Kontaktierungselement, das bei der Prüfung verschiedener elektronischer Komponenten verwendet wird. Diese Prüfung ist für zahlreiche Komponenten geeignet, darunter Halbleiter, LCD-Panels, leere Leiterplatten, bestückte Leiterplatten, Steckverbinder, Kondensatoren und Sensoren.

Probe-Card-Typen

Vertikale Probe-Card

Bei dieser Probe-Card wird ein Block mit einem vertikal angebrachten Messtaster auf der Leiterplatte befestigt.

Vorteile:: Flexible Messtasteranordnung (Gitteranordnung, geeignet für die Messung von mehreren Bauteilen); Einfache Wartung (der Austausch eines einzelnen Kontaktstifts ist möglich); Kleine Kratzer; Keine Beschädigung des Lotes
Nachteile:: Hochpreisig; Schwierig zu verwenden mit Aluminiumpads

Freitragende Probe-Card

Bei dieser Probe-Card werden Nadeln aus Wolfram oder einem ähnlichen Material direkt auf der Leiterplatte befestigt.

Vorteile:: Kostengünstig; Ermöglicht eine engere Anordnung als bei vertikalen Nadelkarten; Einfach zu verwenden mit Aluminiumpads
Nachteile:: Eingeschränktes Pin-Layout; Schwierige Wartung (Höhenverstellung und andere ähnliche Korrekturen sind erforderlich); Große Kratzer

Aufbau eines Kontaktstifts und Spitzenformen

Ein Kontaktstift besteht aus einem Kolben, einer Hülse und einer Feder und wird verwendet, während er in einer Vorrichtung aus Kunststoff eingebettet ist.

A

Kontaktstift

a

Hülse

b

Feder

c

Kolben

B

Messobjekt

Rund: Wird bei flexiblen Leiterplatten verwendet, in denen eine Beschädigung der Elektroden vermieden werden muss.
Nadel: Wird hauptsächlich bei Leiterplattenpads verwendet.
Flacher und umgekehrter Kegel: Flache Spitzen werden für den Oberflächenkontakt verwendet, ohne die Elektroden zu beschädigen. Umgekehrte Kegelspitzen werden verwendet, um Anschlüsse zu erfassen.
Dreieckspyramide: Wird bei Durchgangsöffnungen von Leiterplatten verwendet.
Krone: Wird z. B. bei der taktilen Erfassung mehrerer Punkte oder der Erfassung der Zuleitungen von montierten Messobjekten verwendet.

Beispiele für die Prüfung eines Kontaktstifts

Tiefenmessung der Beschädigung durch einen Kontaktstift

Verschleißmessung einer Kontaktstiftspitze

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