SMT kompatible Verarbeitung von Bare Die

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1 Innovative Fertigungskonzepte Fortschrittliche Technologien 10 Jahre Europäisches Elektroniktechnologie-Kolleg SMT kompatible Verarbeitung von Bare Die Ein Technologie- und Kostenvergleich FC vs. Wire Bonding Joachim Kloeser AEMtec GmbH Carl-Scheele-Str. 16; D Berlin Tel.: / joachim.kloeser@aemtec.com Colonia de Sant Jordi, Mallorca März 2007 Abstract COB versus Flip Chip: Ein Technologie- und Kostenvergleich anhand eines Produktbeispiels Bei der Herstellung von elektronischen Schaltungen und modernen Packages nimmt derzeit der Anteil von ungehäusten ICs rasant zu. Die Gründe wie Miniaturisierung und bessere elektrische Performance sind als Markenzeichen der Nacktchipmontage hinlänglich bekannt. Nun scheint jedoch die Kostenschwelle für die Einführung dieser Montagetechnologie kein Hindernis mehr zu sein. Bei der Montage von ASICs wird seit Jahren die COB Technik aufgrund der geringeren Kosten im Vergleich zu Standard Packages erfolgreich eingesetzt. Die Flip Chip Technik dagegen hatte in der Vergangenheit stets den Ruf einer "feinen aber teuren Technologie". Nun scheint sich das Blatt zu wenden. Flip Chips werden immer häufiger auch für Low Cost Anwendungen eingesetzt. Entsprechend steigt derzeit der Gesamtanteil an FC Verbindungen in elektronischen Packages signifikant an. Im vorliegenden Beitrag werden für ein konkretes elektronisches Modul die technologischen Prozesse gegenübergestellt und die Gesamtkosten zwischen einer COB- und einer Flip Chip - Variante miteinander verglichen. Beim COB Prozess wird außerdem zwischen Au- und Al- Drahtbonden unterschieden. Die Kosten für die gesamte Montagekette und alle Materialien werden dabei aufgeschlüsselt, verglichen und die Ergebnisse entsprechend diskutiert. 1

2 Company Introduction AEMtec located in Berlin, Germany AEMtec is the leading German Turn-key Contract Manufacturer for Multi Chip Modules in Mied Technologies. Our goal is to provide the entire value chain from the concept, layout, PCB, PCBA, prototype, volume production, bo-built and in-sourcing for our European customers. We shall be the European Turn-key Solution House for all comple electronics challenges. 2

3 AEMtec History AEM Technologies Holding AG 1988 Siemens AG, Berlin starts COB Activities 1999 Semiconductor operations of Siemens AG were spun off; Infineon Technologies AG was founded 2000 AEMtec GmbH founded as a spin-off company from Infineon Technologies AG, Fiber Optic Components 2001 Relocation to new company building in the science and industrial campus of Berlin-Adlershof 2003 Entering new markets: Automotive, Sensor, Medical 2004 In-sourcing of the BOSCH car navigation project 2005 Broaden and internationalize customer basis 2005 Co-operation with #1 Asian EMS 2006 Incorporation of the joint venture 2006 Member of the VENTIZZ Group 2006 Acquisition of ECR AG and GS Präzisions AG, CH On our way to become the European Turn-key Solution House for MCM AEM Technologies Holding AG 3

4 Three Medium-sized Companies: Merge the Unique Selling Points -PCBA Manufacturing - Comple SMT, THT - High Product Mi, Medium Volume - Leader in Medical Area - State-of-the-Art Testing - Bo-built & Repair -PCBA Manufacturing - COB, FC, CSP, SMT - High Product Mi, Medium Volume - Outsourcing Partner Automotive - Technology Leader - Design to cost (DTC) - Leader in Fle & HDI Printed Circuit Boards - Laser cutting, X-Ray Inspection, Plasma Etch - High Product Mi, Medium Volume - State-of-the-Art Testing - Techn. Leader AEMtec is serving the entire industry Data Communication 10 G Networks Civil detonator Sensor Electronics Medical Computer Tomography Pressure Sensors 4

5 AEMtec is serving the entire industry Automotive RFID Card Datacommunication Industrial Ethernet CoB on MID Imaging Sensors Our Reference List : #1 Companies 5

6 Fertigungstechnologien für Mied Assemblies General Packaging Trend - Worldwide Peripheral Area Array Package IO Density SMT COB Fine Pitch MCM Ball Grid CSP SiP DCA ECT Year Microelectronic Packaging Sensor Packaging Integrated Packaging 6

7 SMT Technik Prozessfluss Lotpastendruck Pick & Place Reflow Standard Bauteile Hohe Volumina Mittlere Performance (elekt., HF) Mittlere Integrationsdichte Mittlerer Miniaturisierungsbedarf Standard Testprozeduren Kosten Motivation für Mied Assembly (Bare Die Verarbeitung) ASICs (Kundenspezifisch) Kleine - mittlere Volumina Hohe Performance (elektrisch, HF) Hohe Integrationsdichte Hoher Miniaturisierungsbedarf Produktspezifische Testprozeduren Kosten SMT Production for Mied Technologies air conditioned shop floor (full temperature and humidity control) located in clean room facilities (ISO class 5) 3 fully equipped SMT production lines w/ offline AOI offline set-up and programming to reduce down time ROHS and lead-free compliant processes fastest NPI by offline set-up and simulation Eample: Fleible SMT Production Lines at AEMtec for Mied Assembly 7

8 SMT Capabilities at AEMtec highest fleibility by multi-purpose equipment huge component spectrum (selection ) screen printing w/ online SPC reflow and selective soldering barcode and 2D code base tracking system top level traceability system (one-to-one tracing capability) BGA and µbga mech. components odd form high volume / high mi high mi / mid volume lead-free capability line #1 line #2 line #3 Eample: Fleible SMT Production Lines at AEMtec for Mied Assembly Interconnection Technologies Surface Mount Technology SMT Cleaning Screen printing Pick and place (SMD, BGA, CSP, FC) Reflow soldering Chip on board COB Die bonding (electronic and optic dies) Bonding (Al- and Au-bonding) Bonding (wire and ribbon) IC Encapsulation BGA, CSP, Flip Chip Fluing Pick and Place Reflow soldering Underfill 8

9 Assembly Technologies Diebonding Opto-Die (LED, Laser, VCSEL, Pindiode) Glue applying Die bonding Curing Chip Soldering Chip on wafer (die bonding; wire bonding) Optical alignment Electro mechanical assembly Classified wafer mapping Alignment of optical components Active alignment UV - curing Curing Produktbeispiel für eine SMT kompatible Verarbeitung von Bare Die 9

10 PCBA & MCM for car navigation high volume product mied technologies (COB, COC & SMT) Al wire bonding (25µm) Au wire bonding (25µm) partial encapsulation automotive product In-sourcing project Duration: 5 years Contract Transaction volume: 50 Mio Prozessfluss WEP / Losstart SMT SMT SMT (2. Seite) Vereinzeln COB Diebonding Wirebonding Diebonding (2. Seite) Wirebonding (2. Seite) Glob Top WAP / Final Test Logistik/ Lieferung 10

11 Einbindung SMT SMT SMT Schnittstelle SMT / COB T-Belastung / Kontaminationen aus Lotprozess stellen erfahrungsgemäß kein Problem für die nachfolgenden Prozessschritte dar COB Diebonding Wirebonding Anwendungsabhängig Reinigungsschritte möglich, wie etwa US- / nass-chemische Reinigung Plasmareinigung UV-Reinigung CO 2 -Reinigung Einbindung SMT SMT SMT (2. Seite) Schnittstelle COB / SMT 2. SMT-Prozess mit offenen Bondrähten gut realisierbar COB Wirebonding Diebonding (2. Seite) Wirebonding (2. Seite) Keine Beeinträchtigungen der Bondverbindungen durch Lötprozess bekannt GlobtopistkritischimSMT- Prozess Glob Top 11

12 PCBA & MCM for Car Navigation high volume product (600k/year) mied technologies -COB -COC -SMT Au wire bonding partial encapsulation multi-chip-module PCBA for Car Navigation high volume product (150k/year) mied technologies -COB -SMT Al wire bonding partial encapsulation optical and mechanical components 12

13 In-Sourcing of Car Navigation Systems Production transition and fast ramp without any Hiccups Volume of Revenues total: 47 Mio Rev.: 12,7 Mio Rev.: 35 Mio $ October 2003: Contract & first P/O for Series production 2004: Ram p Up Series Production Series Production Revenues total 45 Mio US $ October 2001: First Contact 2002: RFQ, Buildung Engineering Samples and Productqualification Rev.: 0,2 Mio Initial Costs Revenues Run-Up-Epenses Technologieübersicht Wire Bonding / Flip Chip 13

14 Verbindungstechniken: Drahtbondtechnik Al-Wedge Wedge (Raumtemperatur Bondung) Au-Ball Wedge (1957 erfunden, heute dominante Technologie) Bändchen/Ribbon Bonding (Hoch- und Höchstfrequenzverbindung) Verbindungstechniken: Flip Chip Technik 14

15 FC-Technik - eine Alternative zu COB und SMT? Prinzip Face Down Montage von ungehäusten Chips Idea: Why not eliminate the chip pad wires and put any routing on the circuit or package? This should improve reliability, enable higher speed, increase density, add manufacturing simplicity and ultimately reduce cost. IBM, noted for very comple thinking machines, was taking an approach that was the epitome of simplicity - directly soldered ICs. Nothing could be simpler. IBM 1969 Flip Chip Technik - Historie courtesy of Paul Totta - IBM Copper Spheres Flip Chip First patent for C4 bumping (1969) courtesy of Paul Totta - IBM Early Bumped Circuits for Flip Chips 15

16 FC-Technik - Miniaturisierung Schematic overview of Packages and space requirements Smaller feature allows more functions per same Si- area Leadframe Wirebond Si Chips Plastic Mold Package type ~ Area % 1985 QFP Quad Flat Pack 100% Solderballs replace leadframe 1995 BGA Ball Grid Array 40% Bumps replace wirebond Si Chip Bump % CSP Chip Size Package Flip Chip FC 11% 16

17 Space Comparison (e.g. 1 chip 6,96,2 mm; 68 I/O) SMT COB BGA FC (QFP) 257 mm 2 90 mm 2 82 mm 2 43 mm 2 Area ratio ~ 5 ~ 2 ~ 1,5 1 Space & Volume Comparison (e.g. 1 chip 6,96,2 mm; 68 I/O) 17

18 Flip Chip in Package (PGA&BGA): Electrical Performance PGA with wire bonded chip PGA with flip chip bonded chip BGA with wire bonded chip BGA with flip chip bonded chip Inductance 19.6 nh 7.9 nh 5.6 nh 0.3 nh Capacitance 15.9 pf 6.2 pf 9.1 pf 2.5 pf Resistance 21.0 mω 2.1 mω 20.2 mω 1.7 mω Propagation delay 946 ps 243 ps 508 ps 51 ps Cost Comparison (e.g. 1 chip 6,96,2 mm; 68 ball bonds) Processes SMT COB BGA FC IC- - assembly - no - assembly - bumping Packaging - molding - molding cost - tape service - bumping 0,50 0,00 0,60 0,15 Board - pick & place - pick & place - pick & place - pick & place Assembly - soldering - curing - soldering - soldering cost - bonding - (underfill) - underfill -globtop 0,05 0,38 0,05 0,10 Total costs 0,55 0,38 0,65 0,25 Cost ratio ~2 ~ 1,5 ~ 2,5 1 18

19 Chip Interconnection Technologies Technology Eample Advantages Disadvantages SMD (active device) - SMT compatible - IC packaging SO; PLCC; QFP;... -KGD(Known Good Die)? - No HF performance - Tested Package - Mainstream COB - No die preparation - Not SMTcompatible? Chip on Board - Different connect levels - Substrate metalization - Thermal management - KGD -Cost Simplified and cost effictive use of ASICs circuit design CSP/ BGA - SMT compatible - IC packaging Chip Size(Scale) Package/ -KGD -Thermal Mgmt Ball Grid Array - Highest I/O FC/ WL-CSP - Packaging space - Bumping necessary Flip Chip/ - HF performance - Not full SMT Wafer Level CSP - High I/O compatible Simplified and cost effictive use of ASICs circuit design -Thermal Mgmt -Cost -KGD - Prod. Equipment? BUMPED WAFER PRODUCTION FOR FLIP CHIP BY TECHNOLOGY (200mm EQUIVALENT) Ball Placement 0.4M 7% (50% cap tive) Ste ncil 0.4M 7% (50% c aptive) Electroplated Solder 2.2M 40% (90% c aptive) Go ld Stu d Bu mp 0.1M 2% (80% c aptive) Electroplated Gold Bump 2.4M 44% (40% captive) Ball Placement/ Transfer Bump 4.4M 28% (80% captive) Stenc il 1M 6% (30% cap tive) Solder Gold Stud Bump 0.3M 2% (60% captive) Pillar Electroplated Gold Bump 3.9M 25% (25% captive) Electroplated Solder/Copper 6.2M 39% (85% captive) Cost per wafer: 100$? Total: 5.5M Wafers Total: 15.8M Wafers 23% CAAGR in the future is epected that copper with solder caps (pillar) will grow fast (to replace wire bonded micro processors) Prismark

20 FC in Production: Equipment Performance Eample: FC Assembly Equipment Performance vs. Technology & Products Source: DATACON Technologie- und Kostenvergleich zwischen COB- und FC-Technologie für ein reales Produkt (Baugruppe) für eine Industrieanwendung 20

21 COB-Baugruppe für Industrieanwendung COB (1 ASIC, 6 Drahtbonds Al 30µm) Glob Top SMD (20402, 10603) 2-seitige Bestückung Assembliertes Modul 21

22 Vergleich Prozessflüsse (COB vs. FC) WEP / Losstart WEP / Losstart IC Die Bonding mit Kleberpplikation (dispensen) FC Bestücker mit Fluapplikation (dippen) Bumped FC Curing Reflow Wire Bonding Underfill dispensen SMT Lotpastendruck (2. Seite) Curing Reflow mit offenen Bonddrähten Chip-Bauelemente Bestücker SMT Lotpastendruck (2. Seite) Reflow Chip-Bauelemente Bestücker Glob Top Schaltungstest Curing Vereinzeln / WAP / Final Test COB Schaltungstest Vereinzeln / WAP / Final Test FC CSP Assembly Schritte für den Wechsel auf Flip Chip Packaging Substrat Re- Design Bondpad Lötpad Bond-Technik Miniaturisierung Höhere Zuverlässigkeit Robusteres Package Neue Anschlußführung Neue Design / Designrules Neue Toleranzen Flip Chip Technik 22

23 Substrate Layout Solder Mask Opening AEMtec Order (Spec.) PCB Supplier A AEMtec =0.150 A Supplier =0.106 B AEMtec =0.200 B Supplier =0.102 Flip Chip Version 23

24 Kostenvergleich Flip Chip / Wirebonding Kostenkalkulation: Voraussetzungen Eingangsrößen für Kostenkalkulation Maschinenkosten (Abschreibung 5 Jahre, linear) Materialkosten (PCB, Die, SMD) Kosten Hilfstoffe (Bonddraht, Glob Top, Underfill, Lot, Diekleber, Bumping) Kosten Werkzeuge (Bondtools, Diebondtools, Schablonen, Bestücktools) Yieldverlust (inklusive zerstörender Qualitätstests) Operatorkosten Nicht berücksichtigt bei Kostenkalkulation Platzbedarf der Produktionsanlagen Wartung, Verbrauch, Strom, Package Performance, Miniaturisierung, Zuverlässigkeit, 24

25 Technologische Randbedingungen Zykluszeiten: - Al-Bonden 0,25 s - Au-Bonden 0,1 s - Flip Chip Dippen und Setzen: 2,5 s Identische PCB-Preise für Al-Bonding und FC (Ausnahme: Au-Bonding + 20%) 1 Operator für 4 Kernprozesse (Die-, Wirebonding, SMT, FC) Vergleich I: kleiner Chip, reales Produkt Vergleich der Kosten / Modul in Abhängigkeit der produzierten Jahresmenge Kleiner Chip (33mm²) mit 6 Anschlüssen; Pitch µm (25 Anschlüsse eemplarisch kalkuliert; Pitch 400µm) Reales Produkt welches von Wirebonden Al auf Flip Chip Soldering umgestellt wurde Jeweils Darstellung der Kosten pro Modul bzw. Kostenratio der Technologien (Wirebond Al 6 Bonds = 100%) FC-Optimal: Durch Miniaturisierung einseitige Bestückung möglich 25

26 Kosten 33 mm² - Low I/O Die 33 mm² - Low I/O 5,00 4,50 4,00 3,50 Kosten / Modul 3,00 2,50 2,00 1,50 1,00 0,50 0, Module / Jahr WB Al 6 Drähte WB Al 25 Drähte WB Au 6 Drähte WB Au 25 Drähte FC real FC optimal Ratio 33 mm² - Low I/O Die 33 mm² - Low I/O 120% 110% 100% 90% Ratio 80% 70% 60% 50% 40% Module / Jahr WB Al 6 Drähte WB Al 25 Drähte WB Au 6 Drähte WB Au 25 Drähte FC real FC optimal 26

27 Vergleich Au- / Al-Bondung Vergleich beider Bondverfahren bei variablem Goldpreis Kosten bezogen auf 1000 m Bonddraht Nur Maschineninvest, Materialkosten und Operator betrachtet Kosten normiert auf gebondete Meter / Jahr (bezogen auf 2 mm Drahtlänge) Vergleich Au- / Al-Bondung Break Even Au / Al Bondung 2,00 1,80 1,60 1,40 EUR / m 1,20 1,00 Au-Bondraht 0,80 0,60 Al-Bondraht 0,40 0, m / Jahr 400,00 350,00 300,00 250,00 200,00 150,00 27,52 27

28 Vergleich II: großer Chip, fiktives Produkt Vergleich der Kosten / Modul in Abhängigkeit der produzierten Jahresmenge Großer Chip (1010mm²;) mit 100 Anschlüssen (Pitch: FC - 250µm; WB - 75µm) fiktives Produkt Jeweils Darstellung Kosten pro Modul bzw. Kostenratio der Technologien (Wirebond Al 100 Bonds = 100%) Fiktives Beispiel SMDs, Standard (0,10 EUR) SMT Standardprozess Die (1010mm², 100 Anschlüsse) (0,50 EUR) a) COB b) Flip Chip PCB FR4, (0,50 EUR Al, FC) (0,60 EUR Au) Vereinzeln, Testen 28

29 Kostenvergleich Glob Top / Underfill / Bumpen 2,00 1,50 Kosten / Die [EUR] 1,00 0,50 0, Kantenlänge Die [mm] Kosten GT [ ] Kosten UF [ ] Kosten Bump 6" [ ] Kosten Bump 8" [ ] Szenarien Szenario 1: Eklusive Linie - Maschinen und Mitarbeiter werden eklusiv für die Modulfertigung vorgesehen, Kosten werden komplett auf die gefertigten Module umgeschlagen. Szenario 2: Optimale Auslastung - Kosten für Maschinen und Mitarbeiter werden nur anteilig gemäß der Fertigungszeit für die Module vorgesehen, die freibleibende Ressourcen werden zu 100% von Fremdprodukten ausgelastet. Reale Situation irgendwo zwischen den Szenarien! 29

30 Kosten/Modul Al-Bonden 0,14 ; 7% 0,04 ; 2% Al-Bonden, 100 Kontakte, optimale Auslastung, 100k/a 0,21 ; 11% 0,50 ; 26% 1,02 ; 53% 0,01 ; 1% SMDs Die Die Attach Lot Glob Top + Tool Diebondtool Wirebondtool Bestücktool Schablone 0,10 0,50 0,05 0,012 0,34 0, ,02 0,0004 0, PCB Draht sonst. Material Maschine MA Yield Loss Modulkosten: 1,92 Kosten/Modul Flip Chip Flip Chip, 100 Kontakte, optimale Auslastung, 100k/a 0,03 ; 2% 0,04 ; 3% 0,03 ; 2% 0,50 ; 32% SMDs Die Lot Underfill+Tool Diebondtool Bestücktool Schablone 0,10 0,50 0,012 0,033 0, ,0004 0, ,65 ; 42% 0,30 ; 19% PCB Bumpen sonst. Material Maschine MA Yield Loss Modulkosten: 1,55 30

31 Zusammensetzung Modulkosten Optimierte Auslastung 100 Kontakte ; 10mm² Chipfläche ; 100k Module/a 0,14 ; 7% 0,04 ; 2% 0,04 ; 2% 0,06 ; 3% 0,09 ; 5% 0,03 ; 2% 0,04 ; 3% 0,03 ; 2% 0,21 ; 11% 0,50 ; 26% 0,50 ; 32% 18% 8% 0,60 ; 32% 5% 0,01 ; 1% 0,06 ; 3% 0,65 ; 42% 1,02 ; 55% 1,02 ; 53% 0,30 ; 19% PCB Draht sonst. Material Maschine MA Yield Loss PCB Draht sonst. Material Maschine MA Yield Loss PCB Bumpen sonst. Material Maschine MA Yield Loss Al Wirebonding 1,92 Au Wirebonding 1,87 Flip Chip 1,55 Kapazität Minimalkonfiguration Kapazität [1000 Module / Jahr] Invest [1000 EUR] 0 4 Bonds/s 10 Bonds/s 2,5s / Die Al-Bonden Au-Bonden Flip Chip Kapazität Invest

32 Kostenvergleich 100 Kontakte, eklusive Linie (für hohe Stückzahlen) 10,00 9,00 8,00 Al: 6%, 1 Au: 2%, 1 FC: 1%, 1 Technologie: Auslastung, Maschinen Kosten / Modul [EUR] 7,00 6,00 5,00 4,00 3,00 Al: 12%, 1 Au: 5%, 1 FC: 2%, 1 Al: 58%, 1 Au: 23%, 1 FC: 12%, 1 Al: 96%, 12 Au: 93%, 5 FC: 93%, 2 2,00 1,00 - Al: 58%, 2 Au: 46%, 1 FC: 23%, Module [1000 / Jahr] Al Au FC Al: 96%, 6 Au: 77%, 3 FC: 93%, 1 Kostenvergleich 100 Kontakte, optimale Auslastung (geringe Stückzahlen, hoher Produktmi) Kosten / Modul [EUR] 2,00 1,80 1,60 1,40 1,20 1,00 0,80 0,60 0,40 0, Module [1000 / Jahr] Al Au FC 32

33 Kosten - Ratio 100 Kontakte, eklusive Linie 120% 110% Ratio 100% 90% 100 Kontakte, optimale Auslastung 80% 70% 120% 110% 60% Module [1000 / Jahr] Ratio 100% 90% Al Au FC 80% 70% 60% Module [1000 / Jahr] Al Au FC Maschinenbedarf Al-Bonden SMD Die- Bonding Wire- Bonding Glob Top Summe 1 Million / a 1 3% 1 23% 2 58% 1 23% 5 Anzahl Maschinen Auslastung 10 Million / a 1 28% 3 77% 12 96% 3 77% 19 Anzahl Maschinen Auslastung Au-Bonden SMD Die- Bonding Wire- Bonding Glob Top Summe 1 Million / a 1 3% 1 23% 1 46% 1 23% 4 Anzahl Maschinen Auslastung 10 Million / a 1 28% 3 77% 5 93% 3 77% 12 Anzahl Maschinen Auslastung Flip Chip SMD Flip Chip Underfill Summe 1 Million / a 1 3% 1 12% 1 19% 3 Anzahl Maschinen Auslastung 10 Million / a 1 28% 2 58% 2 93% 5 Anzahl Maschinen Auslastung 100 Kontakte, eklusive Linie 33

34 Zusammenfassung Für vorliegende Beispiele FC-Technik die vergleichsweise kostengünstigste Montage Technologie Geringste Anzahl von Maschinen Geringster Personaleinsatz Voraussetzung: günstige Bumpingkosten (Ni/Au) Wechsel von e-less- auf galvanisches Bumping (z.b. bei Pitches <200µm und etrem hohen Anschlußzahlen) kann zu signifikanten Kostenverschiebungen führen Kostenvorteile von FC Technik schon bei geringen Chipanschlußzahlen erkennbar Al-Bonden meist kostengünstiger als Au-Bonding hoher Goldpreis Questions & Answers 34