Ein Teil der Kunst beim Chipdesign besteht darin, die oft mehr als 1000 Anschlüsse zur elektronischen Umgebung zu organisieren und den Silizium-Schaltkreis (IC, integrated circuit) darin zu integrieren. Diese Kunst hat einen Namen: "Packaging", zu Deutsch "Verpacken". Wer schon einmal einen Blick auf das Herzstück eines PCs geworfen hat, kennt die herkömmliche Art: Der Chip wird in ein Kunststoffgehäuse gegossen, aus dem kleine Metallfüße seitlich herausführen. Was man nicht sieht, sind die internen Vorrichtungen, um den Schaltkreis wiederum mit den Anschlüssen optimal zu verbinden.

Damit sind solche Gehäuse oft fünfmal größer als der IC selbst. Es ist auch nicht einfach, die Vielzahl der dünnen Anschluss-"beinchen" sicher und möglichst von Maschinen in korrespondierende Löcher der Leiterplatte zu stecken. Hinzu kommt, dass die "Wirebond" genannten gehäuseinternen Verdrahtungen bei Taktfrequenzen von über einem Gigahertz wie Antennen wirken und die Signalleitung auf dem Chip beeinträchtigen.

Insbesondere bei portablen elektronischen Geräten wie Handys oder Notebooks müssen die ICs aber immer kleiner werden und noch dazu immer mehr Funktionen übernehmen. Deshalb gehen die "Verpackungskünstler" der Halbleiterbranche zu einer anderen Verbindungstechnik über: dem Advanced Packaging. Ein Chip-Gehäuse gibt es dann häufig nicht mehr, den Schutz der Elektronik übernimmt beispielsweise das Produktgehäuse des Handys selbst. Metallkügelchen oder -klötzchen, die so genannten Bumps, ersetzen die bisher üblichen Wirebond-Drähte. Sie sind über die gesamte Chipoberfläche verteilt. Der Chip wird meist "mit dem Gesicht nach unten" direkt auf die Leiterplatte oder ein Substrat gesetzt; man spricht deshalb vom "Flip Chip" (SdW 1/99, S. 93). Seine Rückseite bietet dann einen gewissen Schutz. Werden nun die Bumps erhitzt, so verlöten sie den Schaltkreis mit der Leiterplatte und stellen damit die elekrischen Kontakte her.

Die ideale Methode, um diese Lotkugeln kosteneffektiv zu fertigen, ist die Lithographie. Auf den bereits fertig bearbeiteten Wafer, der nun eine Vielzahl von Chips trägt, wird ein Fotolack aufgetragen und darauf durch Belichten einer Maske und anschließende chemische Entwicklung Löcher erzeugt, die dann galvanisch mit Metall – üblicherweise eine Blei-Zinn-Legierung oder reines Gold – gefüllt werden. Nach dem Entfernen des Restlacks bleiben die fertigen Bumps mit Durchmessern von rund 80 Mikrometern übrig.

Das Verfahren kommt aus der Chip-Herstellung selbst. Der entscheidende Unterschied ist: Der Fotolack hat beim Advanced Packaging eine Stärke von einigen hundertstel Millimetern. Stepper, die in der Chip-Fertigung verwendeten Lithographiesysteme, arbeiten mit Linsensystemen, um die Masken auf die gewünschten winzigen Dimensionen abzubilden. Dann sind aber nur sehr enge Bereiche von weniger als einem Mikrometer um die jeweils eingestellte Brennebene scharf, nicht genug für dicke Lackschichten. Aus diesem Grund verwenden die Lithographen im Packaging so genannte Mask-Aligner, mit Schattenwurf, also parallelem Licht. Die Maske wird 1:1 abgebildet, darf dann aber nur wenige hunderstel Millimeter von der Lackschicht entfernt sein; deshalb spricht man auch vom Proximity-Printing. Ein solches Belichtungsgerät verarbeitet in der Stunde etwa hundert Wafer, doppelt so viel wie die Stepper genannten Projektionsgeräte. Dabei muss es ebenfalls äußerst präzise arbeiten, schließlich hat jeder Wafer bereits einen Marktwert von bis zu 20000 US-Dollar.

Weltmarktführer beim Advanced Packaging mit einem Marktanteil von 70 bis 80 Prozent ist die Süss MicroTec AG, die seit Mai 1999 am Neuen Markt in Frankfurt notiert ist. Das Unternehmen mit Headquarter in Garching bei München ist weltweit der einzige größere Maschinenhersteller, der für Advanced Packaging sowohl Mask-Aligner als auch die "Spincoater" genannten Maschinen zum Aufbringen des Fotolacks und "Developer" zur Entwicklung der belichteten Wafer aus einer Hand liefert. Für Spincoater entwickelte das Unternehmen das patentierte "Gryset-Coating-Prinzip": Der Fotolack wird in einer geschlossenen Prozesskammer geschleudert; so lassen sich besonders homogene Schichtdicken bis zu 200 Mikrometern erreichen, und der Wafer kann nicht vorzeitig austrocknen. Alle drei Maschinentypen – Mask-Aligner, Spincoater und Developer – arbeiten aufeinander abgestimmt. Im Bearbeitungsprozess der neuen 300-Millimeter-Wafer beispielsweise erfolgt der Transport zwischen den zusammengeschalteten Maschinen vollautomatisch.

---

Süss MicroTec im Profil

Rund 800 Mitarbeiter an neun Standorten im In- und Ausland produzieren Fertigungsgeräte für Halbleiterindustrie und Mikrosystemtechnik. Süss MicroTec hat sich auf Prozesse wie das Advanced Packaging spezialisiert, bei denen vergleichsweise dicke Schichten von mehr als 20 Mikrometern aufgetragen und strukturiert werden müssen. Gegründet wurde die Firma bereits 1949 mit vier Mitarbeitern. 1963 baute sie – in einer zur Werkstatt umfunktionierten Garage – ihr erstes Belichtungsgerät für die Halbleiterindustrie. Der Markt für Advanced Packaging beträgt derzeit insgesamt 500 Millionen US-Dollar und soll bis zum Jahr 2003 jährlich um etwa 72 Prozent wachsen.

Aus: Spektrum der Wissenschaft 7 / 2001, Seite 92
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH