הכל על טכנולוגיית Flip Chip

עמוד הבית מְדוֹרַאי יסודות אלקטרוניקה הכל על טכנולוגיית Flip Chip

2024-03-21 2843

מבוא לטכנולוגיית אריזת מוליכים למחצה

העוסקים בתעשיית המוליכים למחצה, במיוחד באריזת מוליכים למחצה, מכירים בהכרח כמה תהליכי אריזה, כלומר הדבקת שבבים, הדבקת חוטים והדבקת שבב הפוך.

בין אלה, הדבקת חוטים והצמדת שבב Flip הם הנפוצים ביותר. טכנולוגיית Tape Automated Bonding (TAB) מתבטלת בהדרגה באריזה בשל מגבלותיה.

טכנולוגיית הדבקת שבב Flip כרוכה בחיבור בין רכיבים על ידי חיבור ישיר של הבליטות על השבב כלפי מטה על מצע, מנשא או לוח מעגלים. לעומת זאת, חיבור תיל מחבר את השבב עם המעגל על ידי הנחת הצד הקדמי של השבב כלפי מעלה ושימוש בחוטים (בדרך כלל חוטי זהב).

הדבקת חוט, הדבקה אוטומטית בקלטת והדבקת שבב הפוך לכל אחד מהם יש מאפיינים משלהם. ביניהם, הדבקת שבב הפוך הופכת פופולרית יותר ויותר בתעשיית האריזה בשל המבנה הקומפקטי והאמינות הגבוהה שלה.

מהי טכנולוגיית Flip Chip?

טכנולוגיית ה-Flip chip מקורה ב-IBM, שפיתחה את התהליך של יצירת בליטות על שבבים להלחמת שבב Flip בשנת 1960. התהליך כלל את הקיפת הבליטות עם 95Pb5Sn עטוף בליטות NiAu מצופה אלקטרו. מאוחר יותר, נעשה שימוש בבליטות PbSn, תוך שימוש בטכנולוגיית Controlled Collapse Component Connection (C4), שפותחה בתחילה עבור מחשבי המיינפריים הגדולים שלהם כטכניקת אריזה אמינה ביותר. שבבי C4 מציגים תכונות חשמליות ותרמיות מצוינות, כאשר חיי עייפות האריזה השתפרו פי עשרה לפחות.

בעקבות היישום המוצלח של IBM של טכנולוגיית C4, ההתקדמות הטכנולוגית שלאחר מכן הובילה כמה חברות מוליכים למחצה לייעל ולשדרג את טכנולוגיית C4. זה כולל את Fairchild מפתחת Al bumps ו-Amelco מציגה את טכנולוגיית Au bump.

טכנולוגיית אריזת מוליכים למחצה התפתחה מאריזת Quad Flat Package (QFP) לאריזת Ball Grid Array (BGA) ולאריזה העדכנית ביותר של Chip Scale Package (CSP).

התרשים שלהלן מציג מכשירים ארוזים באמצעות QFP, BGA וטכנולוגיות אחרות.

עם הירידה ההדרגתית בגודל של שבבי מוליכים למחצה, הביקוש לטכנולוגיית אריזת שבבים הולך וגדל, מה שדוחף את טכנולוגיית האריזה לעבר רמת פרוס ופיתוח אריזה.

בעת אריזה של צ'יפס מסורתי, התהליך הרגיל כולל חיתוך קוביות פרוסות לקוביות בודדות, ולאחר מכן אריזת כל קובייה בנפרד. עם הבשלת טכנולוגיית האריזה, באריזות המוליכים למחצה העדכניות ביותר, ישנה מגמה של שילוב תהליכי אריזה עם תהליכי מוליכים למחצה. זה כולל אריזה אחידה של שבבים על פרוסות לפני שחותכים אותם לקוביות כדי ליצור שבבים עצמאיים עם אמינות גבוהה יותר.

עם היישום הבוגר של טכנולוגיית Flip Chip, הצריכה העולמית של רכיבי Flip chip עולה כיום על 600,000 יחידות בשנה, גדלה בקצב של כ-50%. 3% מאריזות הפרוסות משמשות לטכנולוגיית חבטת שבב Flip, עם ציפיות לעלות על 20% בעוד כמה שנים.

רכיבי שבב Flip משמשים בעיקר בהתקני מוליכים למחצה. חלק מהרכיבים, כגון מסננים פסיביים, אנטנות חישה ומודולי זיכרון, מתחילים גם הם לאמץ טכנולוגיית Flip Chip. מכיוון ששבבים מחוברים ישירות למצעים ולנשאים דרך בליטות, רכיבי שבב הפוך ידועים יותר בשם

צ'יפ ישיר (DCA). בתרשים שלהלן, מוצרים אלקטרוניים כמו מעבדים ומודולי זיכרון הם המכשירים הנפוצים ביותר המיישמים טכנולוגיית Flip Chip.

התרשים מציג את החיבור בין שבב הזיכרון ללוח המעגלים במודול זיכרון בטכנולוגיית Flip Chip, כאשר השבב מאובטח ללוח באמצעות דבק תת-מילוי.

באריזה טיפוסית של שבב Flip, השבב מחובר למנשא השבב דרך בליטות הלחמה עבות של 3 עד 5 מיל (1 מיל = 25 מיקרומטר), עם חומר מילוי בתחתית המשמש להגנה על בליטות ההלחמה. התרשים שלהלן ממחיש חיבור אופייני של שבב Flip, שבו השבב מחובר למצע שמתחת באמצעות טכנולוגיית Flip Chip.

בתהליך של חיבור שבב Flip בשבבי מוליכים למחצה, ישנם שלבים רבים לפני ואחרי עיבוד. הפרטים הבאים מרחיבים את תהליך טכנולוגיית ה-Flip Chip:

שלב ראשון: Under Bump Metallization (UBM)

השלב הראשון בחיבור בין שבב היפוך הוא יצירת מתכת תחת בליטה (UBM) על פני השבב. המהות של חיבור שבב Flip טמון בחיבור בין הבליטות על השבב לבין הבליטות (רפידות) על המצע. ישנן מספר דרכים לבצע מתכת משטח המוליך למחצה:

(א) קפיצה: סרטים דקים מופקדים שכבה אחר שכבה על רקיקת הסיליקון באמצעות קיצוץ, ולאחר מכן עיצוב פריסת UBM באמצעות פוטוליתוגרפיה וחריטה של החלקים הלא-דפוסיים.

(ב) אידוי: באמצעות מסכה, שכבות מופקדות על רקיקת הסיליקון באמצעות אידוי. בתצהיר סלקטיבי זה נעשה שימוש במסכות המתאימות להיווצרות הבליטות.

(ג) ציפוי ללא אלקטרו: ניקל מצופה באופן סלקטיבי על רפידות הלחמה אל תוך שימוש בשיטת ציפוי ללא אלקטרו. משטח Al מטופל לעתים קרובות בתהליך מלח אבץ. שיטה זו אינה דורשת ציוד ואקום או ליטוגרפיה, וכתוצאה מכך עלויות נמוכות יותר. התרשים שלהלן ממחיש את התהליך של מתכת תת-גבשושית (UBM) על שבבי מוליכים למחצה.

עקב נוכחות של שכבת תחמוצת על משטח רפידת הלחמה מאלומיניום, ציפוי מתכת אינו יכול להיצמד למשטח המחומצן. לכן, יש צורך לטפל כראוי במשטח האלומיניום כדי להסיר את שכבת התחמוצת.

שיטה נפוצה כוללת שימוש באבץ על כרית הלחמת האלומיניום, כאשר שכבת אבץ מונחת על משטח האלומיניום כדי למנוע חמצון. חיסרון אחד של תהליך הגלוון הוא שהאלומיניום יכול להחליד גם על ידי תמיסת הציפוי. לפיכך, נדרש תהליך גלוון משני, שבמהלכו כ-0.3-0.4 מ"מ של אלומיניום ייאכלו. בתהליך הגלוון משקע אבץ על משטח האלומיניום, ובמקביל נפגעים שכבת האלומיניום והתחמוצת האלומיניום. שכבת האבץ הדקה מגנה על האלומיניום מפני חמצון נוסף.

לאחר תהליך הגלוון, משתמשים בציפוי ניקל כימי לתצהיר UBM, כאשר ניקל מתכתי משמש מחסום נגד דיפוזיה/חיבור. לניקל קצב דיפוזיה נמוך מאוד וכמעט ללא תגובה עם ההלחמה, מה שהופך אותו לאידיאלי כמתכת UBM להלחמה אוטקטית. ניתן להשתמש בציפוי ניקל כימי הן עבור שקיעת מתכת UBM והן להיווצרות בליטות. ציפוי זהב עשוי להיות מיושם על כמה בליטות שבב הפוך, מה שמשפר את האמינות בשל המוליכות הטובה של הזהב ועמידותו בפני חמצון.

שלב שני: זרימה מחדש לטופס בליטות

קיימות שיטות שונות ליצירת גבשושיות הלחמה, כולל אידוי, ציפוי אלקטרוניקה, הדפסה, חבטת חתיכים, נפילת כדור והעברת הלחמה, כאשר שימוש נרחב בציפוי והדפסה.

לאחר מתכת הבליטות על משטח המוליכים למחצה, נעשה שימוש בתנורי זרימה חוזרת ליצירת בליטות שבב היפוך.

התהליך הכללי של זרימה חוזרת ליצירת בליטות מודגם בתרשים שלהלן.

התהליך הספציפי של יצירת בליטות הלחמה באמצעות ציפוי אלקטרוני מודגם בתרשים הבא:

החומר הנפוץ עבור בליטות הוא סגסוגת Pb/Sn, מכיוון שהיא מציגה מאפייני הלחמה מזרימה טובה ומתאים לייצור תעשייתי.

בנוסף לסגסוגת ה-Pb/Sn הנפוצה, משתמשים גם בחומרי בליטה אחרים כגון סגסוגת Au/Ni. כדי להבטיח חיבור אמין, ה- Under Bump

מתכת (UBM) חייבת להיות תואמת לסגסוגת המשמשת לבליטות. UBM המתאים לתכולת עופרת גבוהה לא בהכרח מתאים להלחמה בדיל גבוה. לדוגמה, שכבת הרטבת Cu מתאימה להלחמה בעלת עופרת גבוהה המכילה 3-5% בדיל, אך אינה מתאימה להלחמה עתירת בדיל, שכן Cu מגיב במהירות עם Sn ליצירת תרכובות בין-מתכתיות Sn-Cu. אם ה-Cu נצרך במלואו, ההלחמה לא תרטיב את אזור ההלחמה.

התרשים שלהלן ממחיש חיבורי שבב הפוך עם חומרי גבשושית שונים.

המראה של הבליטות שנוצרו על פני השבב כפי שנצפו תחת מיקרוסקופ אלקטרוני סורק מוצג בתרשים שלהלן:

התמונה השמאלית בתרשים מציגה את מצב הבליטות לפני זרימה חוזרת (טמפרטורה גבוהה), ואילו התמונה הימנית מתארת את מצב הבליטה לאחר חשיפה לטמפרטורות גבוהות, כאשר הבליטות נמסות ויוצרות צורה כדורית.

ציפוי כימי תהליכי הדפסת UBM ושטנסיל הם שיטות בעלות נמוכה להכנת בליטות ביישומים תעשייתיים.

להלן זרימת התהליך להדפסת שבלונות של בליטות והופעת בליטות לאחר סיום.

שלב 3: הרכבת שבב היפוך

תהליך זה כולל חיבור בין השבבים עם בליטות שהושלמו למצע הנשא באמצעות הדבקת שבב היפוך.

השיטה הנפוצה ביותר לחיבור השבב למנשא היא טכניקת החיבור התרמו-קומפרסי, כאשר זהב הוא חומר הבליטה המתאים ביותר.

ניתן ליצור בליטות באמצעות שיטות ציפוי אלקטרוניקה מסורתיות או על ידי שימוש בחבטות חתיכים, טכניקה הנפוצה בטכנולוגיית הדבקת חוטים.

להדבקה תרמו-קומפרסיה, תהליך זה מתאים רק למצעים קשיחים כגון אלומינה או סיליקון, מכיוון שהוא דורש לחץ וטמפרטורה גבוהים.

בנוסף, המצע חייב לשמור על מישוריות גבוהה, וראש הדחיסה התרמי חייב להפגין דיוק יישור מקביל גבוה. כדי למנוע נזק מיותר לחומרים מוליכים למחצה, יש ליישם שיפוע לחץ מסוים במהלך התהליך.

שלב 4: תת מילוי ואשפרה

לאחר הדבקת שבב היפוך, נוצר החיבור בין השבב למצע. כדי לשפר את היציבות של מכלול השבב ההפוך, מורחים דבק תת-מילוי בין השבב למצע. תהליך המילוי התחתונה מודגם בתרשים שלהלן:

חומר המילוי התחתון בין השבב למצע משפר משמעותית את העמידות בפני עייפות תרמית, שאם לא כן תהיה בעיית האמינות העיקרית של טכנולוגיית Flip-Chip אם אין מילוי תחתית.

(א) חומר המילוי התחתון מפזר את הלחץ המרוכז לחומר המעטפת של השבב.

(ב) זה יכול למנוע זחילת הלחמה ולהגביר את החוזק והקשיחות של חיבור ה-Flip-Chip.

(ג) הוא מגן על השבב מפני השפעות סביבתיות כגון לחות וזיהום יונים.

(ד) זה מאפשר לשבב לעמוד בפני רעידות וזעזועים מכניים.

לסיכום, האמינות של חיבורי ה-Flip-Chip מושפעת מחוסר ההתאמה של מקדם ההתפשטות התרמית (CTE) בין המצע לשבב, כמו גם מגובה חיבורי ההלחמה והמרווח המרבי ביניהם. סדקים באזור החיבור מתרחשים בדרך כלל במהלך הקירור מטמפרטורת החיבור.

בשל נקודת ההיתוך הגבוהה של הזהב, הוא פחות רגיש לנזקי עייפות בהשוואה להלחמה. לכן, כל עוד הלחץ במהלך רכיבה תרמית אינו עולה על חוזק החיבור בין הבליטה למשטח ההלחמה, אמינות לא אמורה להיות בעיה משמעותית.

חומר המילוי התחתון בין השבב למצע משפר משמעותית את עמידות החיבור לעייפות תרמית, ובלעדיו עייפות תרמית תהיה בעיית האמינות העיקרית של טכנולוגיית Flip-Chip.

הרכבת Flip-chip מתאימה במיוחד ליישומים בתדר גבוה מכיוון שמסלול החיבור בין השבב למצע קצר מאוד. עכבת הסדרה של חיבורי הלחמה עם שבב הפוך היא בערך 1mW, והשראות הסדרה היא 0.025nH, נמוכה בהרבה מ-5-10nH של הדבקת חוט.

בדיוק בגלל היתרונות הללו של הרכבת שבב הפוך, ניתן להפחית משמעותית את עיכוב שידור האות.

יתרונות וחסרונות של טכנולוגיית Flip-Chip:

יתרונות:

(א) גודל קטן: פריסת פיני ה-IC הקטן (רק 5% מהחבילות השטוחות) מפחיתה את הגובה והמשקל.

(ב) שיפור תפקוד: שימוש בטכנולוגיית Flip-Chip יכול להגדיל את מספר ה-I/Os. בניגוד לחיבור חוט, קלט/פלט אינם מוגבלים לפריפריה של השבב. מערך שטח יכול להכיל יותר חיבורים בחלל קטן יותר לאותות, כוח וכן הלאה. רפידות פליפ-צ'יפ טיפוסיות יכולות להגיע ל-400.

(ג) הגדלת ביצועים: מרחקי חיבור קצרים מפחיתים השראות, התנגדות וקיבול, מה שמבטיח עיכוב אות מופחת, ביצועים טובים בתדר גבוה ונתיבים תרמיים טובים יותר מגב השבב.

(ד) אמינות משופרת: מילוי אפוקסי לשבבים גדולים מבטיח אמינות גבוהה. Flip-chips יכולים להפחית את ספירת הפינים הקישוריים בשני שליש.

(ה) פיזור חום משופר: Flip-chips ללא עטיפה מאפשרים קירור יעיל של גב השבב.

(ו) עלות נמוכה: בליטות בייצור המוני מפחיתות עלויות.

חסרונות:

(א) קשה לבדוק שבבים חשופים.

(ב) יכולת הסתגלות מוגבלת של שבבים חבוטים.

(ג) טכנולוגיית PCB עומדת בפני אתגרים כאשר המרווחים פוחתים ומספר הפינים עולה.

(ד) יש צורך בציוד בדיקת רנטגן כדי לזהות חיבורי הלחמה בלתי נראים.

(ה) תאימות לקויה לתהליכי SMT.

(ו) טיפול קשה בקובייה חשופה.

(ז) דורש דיוק הרכבה גבוה.

(ח) שימוש נוכחי במילוי תחתון דורש זמן אשפרה מסוים.

(i) מצעים מסוימים בעלי אמינות נמוכה.

(י) התיקון קשה או בלתי אפשרי.

זה מסיים את המבוא לטכנולוגיית Flip-Chip.

הכל על טרנזיסטורי צומת דו-קוטביים (BJT)

הַבָּא

חמישה סוגי חיישנים נפוצים בתחום האוטומציה התעשייתית