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Das Thermo-Management ist der Trick

Durchbruch fürs Panel Level Packaging

Klemens Reitinger
Klemens Reitinger, CEO von ERS: »Das Fan-out Panel Level Packaging nimmt jetzt richtig Fahrt auf. Praktisch jedes große Unternehmen in Asien betreibt inzwischen Pilotlinien, die nun auch mit automatischen Maschinen ausgerüstet werden sollen, um den Durchsatz zu erhöhen.«
© ERS

Wie er dem Fan-out Panel Level Packaging den Weg in die Stückzahlproduktion ebnen will, erklärt Klemens Reitinger, Geschäftsführer von ERS electronic, im Gespräch mit Markt&Technik. Und auch auf dem Gebiet der Thermo-Chucks für Wafer Prober gibt es Neuigkeiten.

Markt&Technik: ERS hat jetzt eine Maschine für das vollautomatische Debonden vorgestellt – also das Trennen der künstlichen Kunststoff-Panels von ihrem Hilfsträger. Was ist das Besondere an der Maschine?

Dr. Klemens Reitinger: Die grundsätzliche Idee besteht drin, die auf dem Wafer gefertigten Dies in ein rechteckiges Panel aus Moldmasse „einzubacken“, um sie dann in großer Zahl im ausgehärteten Panel parallel weiter verarbeiten, sie mit einer Redistribution Layer und Anschlüssen zu versehen und dann in die fertig gehäusten Chips zu vereinzeln. Pro gehäustem Chip ist dieses Verfahren kostengünstiger als das Fan-out-Wafer-Level-Packaging-Verfahren, eben weil mehr Dies auf ein Panel passen und weil der Platz auf dem rechteckigen Panel besser genutzt werden kann als auf einem runden Wafer. Zunächst hatte sich das Fan-out-Wafer-Level-Verfahren durchgesetzt, weil es den Vorteil hat, dass dazu die aus der Halbleiterfertigung bekannten Maschinen herangezogen werden können. Dieser Prozess ist bereits industrieweit etabliert und wird für die Produktion großer Stückzahlen genutzt. Mit unserer vollautomatischen Maschine – der Automatic Panel Debond Machine, kurz APDM – erlauben wir jetzt den Packaging-Firmen (OSATs, Outsourced Semiconductor Assembly und Test), den nächsten Schritt in Richtung noch höherer Stückzahlen und weiteren Kostensenkungen zu gehen – über das Fan-out Panel Level Packaging.

Warum ist es so schwierig, das neu entstandene Panel von seinem Träger abzuheben?

Die Dies exakt auf der Folie auf dem Träger zu platzieren sie in einem großen Panel zu vergießen und das ausgehärtete Panel vom Träger abzuheben ist äußerst diffizil, und es können viele Fehler bei jeden einzelnen Schritt auftreten. Denn die Dies können sich während des Prozesses von ihrem vorgesehenen Platz etwas fortbewegen. Wenn das geschieht, kann im späteren Schritt die Redistribution Layer nicht mehr exakt mit den Pads auf den Dies kontaktieren. Diese „Die Shift“ können wir über unser Temperaturmanagement sehr gut in den Griff bekommen. Sie wird sich niemals vollständig verhindern lassen, aber wir können sie vorausberechnen und Maßnahmen ergreifen, um sie zu kompensieren. Ähnliches gilt für die Verwölbung des Panels, Warpage genannt. Sie lässt sich ebenfalls durch ausgeklügelte Temperaturschritte minimieren. Dazu haben wir die Maschine mit drei Temperaturstationen versehen, die das Panel über unterschiedliche Temperaturprofile abkühlen und anheizen. So können wir über das Temperaturmanagement Spannungen aus dem Material nehmen und die Warpage verhindern.

Außerdem haben wir für die APDM ein neues Transportsystem auf Basis von Luftkissen entwickelt. Das trägt ebenfalls dazu bei, die Warpage zu minimieren, weil das Panel kontaktlos schwebt und nicht mit kühleren Teilen der Maschine in direkten Kontakt kommen kann. Würde die Temperatur über das Panel an einigen Stellen auch nur um wenige Grad abweichen, hätte das sofort Warpage zur Folge.

Wie genau erfolgt das Debonding?

Es gibt drei Verfahren, um zu erreichen, dass die Folie ihre Klebekraft verliert, nachdem das Panel ausgehärtet ist, sodass es sich vom Träger trennt: Die Klebekraft kann durch Bestrahlung mit Laser- oder UV-Licht aufgehoben werden. Dazu ist aber ein durchsichtiger Träger erforderlich, was langsam, teuer und schwierig zu handeln ist. Wir legen den Fokus deshalb auf das thermische Verfahren: Das Panel wird auf eine gewisse Temperatur gebracht, ab der die Klebekraft verloren geht. Damit sich das Panel über die gesamte Fläche einfach lösen lässt, muss die Temperatur sehr exakt über das Panel eingehalten werden. Sonst käme es wieder zu Warpage, weil sich das Panel bei der Trennung verwinden würde. Glücklicherweise kennen wir uns mit dem Temperaturmanagement seit Gründung des Unternehmens vor 51 Jahren sehr gut aus, das ist unser Kern-Know-how.

Das Temperaturmanagement trägt auch dazu bei, dass der Prozess sehr gut reproduzierbar ist. Auf Reproduzierbarkeit kommt es besonders an, denn nur so lassen sich Warpage und Die Shift exakt vorausberechnen und über die Temperaturschritte kompensieren. Um genau zu verstehen, was dabei vor sich geht, setzen wir beispielsweise eine Infrarotkamera ein, die 1000 Bilder pro Sekunde aufnehmen kann. Weil es so viele Kombinationsmöglichkeiten gibt – verschiedene Panel-Größen, verschiedene Mold-Materialien, verschiedene Zahl und Anordnung der Dies pro Package – haben wir eine Vielzahl von parameterdefinierten Rezepten entwickelt, sodass die Anwender sehr schnell zu stabilen Ergebnissen kommen können. Das Verfahren ist kostengünstig, weil schnell, und robust. Dass sich eine solch hohe Genauigkeit mit Panels aus einer Mold-Masse erzielen lassen würde, hätte vor zehn Jahren noch niemand für möglich gehalten.

Also steigen jetzt die OSATs in größerem Stil auf die FOPLP-Fertigung um?

Ja, das FOPLP nimmt jetzt richtig Fahrt auf. Praktisch jedes große Unternehmen in Asien betreibt inzwischen Pilotlinien, die nun auch mit automatischen Maschinen ausgerüstet werden sollen, um den Durchsatz zu erhöhen. Das senkt die Kosten und hat handfeste technische Vorteile.

Doch auch der Markt für Fan-out Wafer Level Packaging wird weiter wachsen?

Ja, für kleinere Stückzahlen hat auch dieser Markt seine Berechtigung und er wächst deshalb von einem höheren Niveau aus ebenfalls schnell weiter. Für unsere automatischen FOWLP-Maschinen gelten die gleichen Vorteile, die wir bei den Panel-Level-Typen erreichen.

Für ERS läuft das Geschäft also gut?

Ja, wir werden praktisch immer angefragt, wenn FOWLP- oder FOLPL-Linien aufgebaut werden. Unsere Auftragsbücher sind voll. Leider sind viele Komponenten rar, beispielsweise hochpräzise Widerstände, die wir für den Aufbau unserer Temperaturmessungen benötigen.

Neben den Debonding-Systemen bilden die Thermo-Chucks für den Einsatz in Wafer Probern das zweite Standbein von ERS electronic. Welche Trends zeichnen sich auf diesem Gebiet ab?

Das Unternehmen wurde vor 51 Jahren gegründet und hat die AirCool-Technologie erfunden, mit der das Kühlen ohne Flüssigkeit erstmals möglich wurde. Das hatte und hat auch einige Vorteile für den Einsatz der Thermo-Chucks in Probern, wo die Wafer getestet werden. Allerdings verlangen neue Leistungshalbleitergenerationen – besonders die GaN- und SiC-Typen –, die vor allem für den Einsatz in den schnell wachsenden Märkten wie Autos, Elektrofahrzeugen und im Energieumfeld konzipiert sind, dass im kW-Bereich gearbeitet werden muss. Die Wafer werden bis hinunter zu –60 °C gekühlt und bis hinauf zu 300 °C erwärmt werden. Die neuen Leistungshalbleiter auf Basis von GaN und SiC benötigen eben sehr spezielle Thermo-Chucks. Um die mit diesen Chips verbundenen thermischen Herausforderungen zu bewältigen, haben wir eine völlig neue Lösung entwickelt, die wir Anfang 2022 auf den Markt bringen werden.
 

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