Tutto sulla tecnologia Flip Chip

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2024-03-21 2843

Introduzione alla tecnologia di confezionamento dei semiconduttori

Coloro che sono coinvolti nell'industria dei semiconduttori, in particolare nell'imballaggio dei semiconduttori, hanno inevitabilmente familiarità con diversi processi di imballaggio, vale a dire il chip bonding, il wire bonding e il flip chip bonding.

Tra questi, il wire bonding e il flip chip bonding sono i più comuni. La tecnologia Tape Automated Bonding (TAB) viene gradualmente eliminata dal settore degli imballaggi a causa delle sue limitazioni.

La tecnologia di incollaggio flip chip prevede l'interconnessione dei componenti incollando direttamente le protuberanze del chip verso il basso su un substrato, un supporto o un circuito stampato. Al contrario, il wire bonding collega il chip al circuito stampato posizionando il lato anteriore del chip rivolto verso l'alto e utilizzando fili (solitamente fili dorati).

L'incollaggio del filo, l'incollaggio automatizzato del nastro e l'incollaggio del chip flip hanno ciascuno le proprie caratteristiche. Tra questi, l'incollaggio dei flip chip sta diventando sempre più popolare nel settore dell'imballaggio grazie alla sua struttura compatta e all'elevata affidabilità.

Cos'è la tecnologia Flip Chip?

La tecnologia Flip Chip è nata da IBM, che ha sviluppato il processo di creazione di protuberanze sui chip per la saldatura di flip chip nel 1960. Il processo prevedeva di circondare le protuberanze con 95Pb5Sn che racchiudeva protuberanze NiAu elettroplaccate. Successivamente furono utilizzati i bump PbSn, impiegando la tecnologia C4 (Controlled Collapse Component Connection), inizialmente sviluppata per i loro computer mainframe di grandi dimensioni come tecnica di packaging altamente affidabile. I chip C4 mostrano eccellenti proprietà elettriche e termiche, con una durata alla fatica dell'imballaggio migliorata di almeno dieci volte.

Dopo il successo dell'applicazione della tecnologia C4 da parte di IBM, i successivi progressi tecnologici hanno portato alcune aziende di semiconduttori a ottimizzare e aggiornare la tecnologia C4. Ciò include Fairchild che sviluppa i bump Al e Amelco che introduce la tecnologia Au bump.

La tecnologia di confezionamento dei semiconduttori si è evoluta dal confezionamento Quad Flat Package (QFP) al confezionamento Ball Grid Array (BGA) e al più recente confezionamento Chip Scale Package (CSP).

Il diagramma seguente mostra i dispositivi confezionati utilizzando le tradizionali tecnologie QFP, BGA e altre.

Con la graduale riduzione delle dimensioni dei chip semiconduttori, la domanda di tecnologia di confezionamento dei chip è in aumento, spingendo la tecnologia di confezionamento verso lo sviluppo del livello di wafer e del packaging.

Quando si confezionano i chip tradizionali, il processo usuale prevede il taglio del wafer in stampi individuali, seguito dal confezionamento di ciascuno stampo separatamente. Con la maturazione della tecnologia di imballaggio, negli ultimi imballaggi per semiconduttori, c'è una tendenza verso l'integrazione dei processi di imballaggio con i processi dei semiconduttori. Ciò comporta il confezionamento uniforme dei chip sui wafer prima di tagliarli a cubetti per creare chip indipendenti con maggiore affidabilità.

Con l'applicazione matura della tecnologia flip chip, il consumo globale di componenti flip chip supera attualmente le 600,000 unità all'anno, con una crescita di circa il 50%. Il 3% degli imballaggi di wafer viene utilizzato per la tecnologia flip chip bumping, con previsioni di superare il 20% in pochi anni.

I componenti Flip Chip vengono utilizzati principalmente nei dispositivi a semiconduttore. Anche alcuni componenti, come i filtri passivi, le antenne di rilevamento e i moduli di memoria, stanno iniziando ad adottare la tecnologia flip chip. Poiché i chip sono collegati direttamente ai substrati e ai supporti tramite protuberanze, i componenti flip chip sono più precisamente noti come

Collegamento diretto del chip (DCA). Nello schema seguente, i prodotti elettronici come CPU e moduli di memoria sono i dispositivi più comuni che applicano la tecnologia flip chip.

Il diagramma mostra la connessione tra il chip di memoria e la scheda di circuito in un modulo di memoria che utilizza la tecnologia flip chip, con il chip fissato alla scheda di circuito tramite adesivo underfill.

Nella tipica confezione di chip flip, il chip è collegato al supporto del chip tramite protuberanze di saldatura spesse da 3 a 5 mil (1 mil = 25 micrometri), con materiale di riempimento inferiore sul fondo utilizzato per proteggere le protuberanze di saldatura. Il diagramma seguente illustra una tipica interconnessione flip chip, in cui il chip è collegato al substrato sottostante utilizzando la tecnologia flip chip.

Nel processo di interconnessione flip chip nei chip semiconduttori, ci sono molte fasi di pre e post-elaborazione. I seguenti dettagli approfondiscono il processo della tecnologia flip chip:

Fase uno: metallizzazione sotto rilievo (UBM)

Il primo passo nell'interconnessione dei flip chip è creare la metallizzazione sotto bump (UBM) sulla superficie del chip. L'essenza della connessione flip chip risiede nella connessione tra le protuberanze sul chip e le protuberanze (pad) sul substrato. Esistono diversi modi per metallizzare la superficie del semiconduttore:

(a) Sputtering: i film sottili vengono depositati strato per strato sul wafer di silicio utilizzando lo sputtering, seguito dalla modellazione del layout UBM tramite fotolitografia e dall'incisione delle parti non modellate.

(b) Evaporazione: utilizzando una maschera, gli strati vengono depositati sul wafer di silicio mediante evaporazione. Questa deposizione selettiva utilizza maschere corrispondenti alla formazione dei rilievi.

(c) Placcatura chimica: il nichel viene placcato selettivamente su piazzole di saldatura in alluminio utilizzando un metodo di placcatura chimica. La superficie dell'Al è spesso trattata con un processo ai sali di zinco. Questo metodo non richiede apparecchiature per il vuoto o la litografia, con conseguenti costi inferiori. Il diagramma seguente illustra il processo di metallizzazione under bump (UBM) su chip semiconduttori.

A causa della presenza di uno strato di ossido sulla superficie del pad di saldatura in alluminio, la placcatura metallica non può aderire alla superficie ossidata. Pertanto è necessario trattare opportunamente la superficie dell'alluminio per rimuovere lo strato di ossido.

Un metodo comune prevede l'utilizzo della zincatura sul pad di saldatura dell'alluminio, dove uno strato di zinco viene depositato sulla superficie dell'alluminio per prevenire l'ossidazione. Uno svantaggio del processo di zincatura è che anche l'alluminio può essere corroso dalla soluzione galvanica. Pertanto è necessario un processo di zincatura secondaria, durante il quale verranno corrosi circa 0.3-0.4 mm di alluminio. Nel processo di zincatura, lo zinco si deposita sulla superficie dell'alluminio, mentre contemporaneamente vengono corrosi lo strato di alluminio e ossido di alluminio. Il sottile strato di zinco protegge l'alluminio da ulteriore ossidazione.

Dopo il processo di zincatura, per la deposizione UBM viene ulteriormente impiegata la nichelatura chimica, dove il nichel metallico funge da barriera contro la diffusione/connessione. Il nichel ha una velocità di diffusione molto bassa e quasi nessuna reazione con la saldatura, il che lo rende ideale come metallo UBM per la saldatura eutettica. La nichelatura chimica può essere utilizzata sia per la deposizione di metalli UBM che per la formazione di protuberanze. La placcatura in oro può essere applicata ad alcune protuberanze del chip flip, migliorando l'affidabilità grazie alla buona conduttività dell'oro e alla resistenza all'ossidazione.

Fase due: ridisposizione per formare protuberanze

Esistono vari metodi per formare protuberanze di saldatura, tra cui evaporazione, galvanica, stampa, urto di perni, caduta di sfere e trasferimento di saldatura, con la galvanica e la stampa ampiamente utilizzate.

Dopo aver metallizzato le protuberanze sulla superficie del semiconduttore, vengono utilizzati forni di rifusione per formare le protuberanze del flip chip.

Il processo generale di riflusso per formare protuberanze è illustrato nel diagramma seguente.

Il processo specifico di formazione di protuberanze di saldatura mediante galvanica è illustrato nel diagramma seguente:

Il materiale comunemente utilizzato per i bump è la lega Pb/Sn, poiché presenta buone caratteristiche di saldatura a rifusione ed è adatta alla produzione industriale.

Oltre alla lega Pb/Sn comunemente utilizzata, vengono utilizzati anche altri materiali bump come la lega Au/Ni. Per garantire un'interconnessione affidabile, Under Bump

La metallizzazione (UBM) deve essere compatibile con la lega utilizzata per i bump. Un UBM adatto per un contenuto ad alto contenuto di piombo potrebbe non essere necessariamente adatto per saldature ad alto contenuto di stagno. Ad esempio, uno strato bagnante di Cu è adatto per saldature ad alto contenuto di piombo contenenti il 3-5% di stagno, ma non è adatto per saldature ad alto contenuto di stagno, poiché il Cu reagisce rapidamente con Sn per formare composti intermetallici Sn-Cu. Se il Cu è completamente consumato, la saldatura non bagnerà l'area saldata.

Il diagramma seguente illustra le connessioni del flip chip con diversi materiali bump.

L'aspetto delle protuberanze formate sulla superficie del chip osservato al microscopio elettronico a scansione è mostrato nel diagramma seguente:

L'immagine a sinistra nel diagramma mostra lo stato del bump prima del riflusso (alta temperatura), mentre l'immagine a destra mostra lo stato del bump dopo l'esposizione alle alte temperature, dove i bump si sciolgono e formano una forma sferica.

I processi di placcatura chimica UBM e stampa stencil sono metodi a basso costo per la preparazione del bump nelle applicazioni industriali.

Quello che segue è il flusso del processo per la stampa a stencil dei rilievi e l'aspetto dei rilievi dopo il completamento.

Passaggio 3: assemblaggio del flip chip

Questo processo prevede l'interconnessione dei chip con protuberanze completate al substrato portante tramite l'incollaggio del flip chip.

Il metodo più comune per collegare il chip al supporto è la tecnica di incollaggio a termocompressione, dove l'oro è il materiale più adatto.

Le protuberanze possono essere generate utilizzando metodi di galvanica tradizionali o impiegando il bumping dei perni, una tecnica comunemente utilizzata nella tecnologia di wire bonding.

Per l'incollaggio a termocompressione, questo processo è adatto solo per substrati rigidi come allumina o silicio, poiché richiede pressione e temperatura elevate.

Inoltre, il substrato deve mantenere un'elevata planarità e la testa di termocompressione deve presentare un'elevata precisione di allineamento parallelo. Per evitare inutili danni ai materiali semiconduttori, durante il processo è necessario applicare un determinato gradiente di pressione.

Passaggio 4: riempimento insufficiente e polimerizzazione

Dopo l'incollaggio del flip chip, viene stabilita la connessione tra il chip e il substrato. Per migliorare la stabilità del gruppo flip chip, tra il chip e il substrato viene applicato un adesivo di riempimento insufficiente. Il processo di underfill è illustrato nel diagramma seguente:

Il materiale di riempimento inferiore tra il chip e il substrato migliora significativamente la resistenza alla fatica termica, che altrimenti rappresenterebbe il principale problema di affidabilità per la tecnologia flip-chip in assenza di riempimento inferiore.

(a) Il materiale di riempimento inferiore disperde lo stress concentrato sul materiale di incapsulamento del chip.

(b) Può prevenire lo scorrimento della saldatura e aumentare la resistenza e la rigidità della connessione flip-chip.

(d) Consente al chip di resistere alle vibrazioni meccaniche e agli urti.

In sintesi, l'affidabilità delle connessioni flip-chip è influenzata dalla mancata corrispondenza del coefficiente di espansione termica (CTE) tra il substrato e il chip, nonché dall'altezza dei giunti di saldatura e dalla distanza massima tra di essi. Le crepe nell'area di connessione si verificano generalmente durante il raffreddamento dovuto alla temperatura di connessione.

A causa dell'elevato punto di fusione dell'oro, è meno sensibile ai danni da fatica rispetto alla saldatura. Pertanto, finché lo stress durante il ciclo termico non supera la resistenza della connessione tra il bump e il pad di saldatura, l'affidabilità non dovrebbe essere un problema significativo.

Il materiale di riempimento inferiore tra il chip e il substrato migliora significativamente la resistenza della connessione alla fatica termica e, senza di essa, la fatica termica rappresenterebbe il principale problema di affidabilità per la tecnologia flip-chip.

L'assemblaggio Flip-chip è particolarmente adatto per applicazioni ad alta frequenza perché il percorso di connessione tra il chip e il substrato è molto breve. L'impedenza in serie dei giunti di saldatura flip-chip è di circa 1 mW e l'induttanza in serie è di 0.025 nH, molto inferiore ai 5-10 nH del collegamento a filo.

Proprio grazie a questi vantaggi del montaggio del flip-chip è possibile ridurre significativamente il ritardo nella trasmissione del segnale.

Vantaggi e svantaggi della tecnologia Flip-Chip:

vantaggi:

(a) Dimensioni ridotte: la piccola disposizione dei pin del circuito integrato (solo il 5% dei contenitori piatti) riduce l'altezza e il peso.

(b) Miglioramento delle funzioni: l'utilizzo della tecnologia flip-chip può aumentare il numero di I/O. A differenza del wire bonding, gli I/O non sono limitati alla periferia del chip. L'array di area può ospitare più interconnessioni in uno spazio più piccolo per segnali, alimentazione e così via. I tipici cuscinetti flip-chip possono raggiungere i 400.

(c) Aumento delle prestazioni: le brevi distanze di interconnessione riducono l'induttanza, la resistenza e la capacità, garantendo un ritardo del segnale ridotto, buone prestazioni ad alta frequenza e migliori percorsi termici dal retro del chip.

(d) Affidabilità migliorata: il riempimento epossidico per trucioli di grandi dimensioni garantisce un'elevata affidabilità. I flip-chip possono ridurre il numero dei pin di interconnessione di due terzi.

(e) Dissipazione del calore migliorata: i flip-chip senza incapsulamento consentono un raffreddamento efficace del retro del chip.

(f) Basso costo: i dossi prodotti in serie riducono i costi.

svantaggi:

(a) I chip nudi sono difficili da testare.

(b) Adattabilità limitata dei chip urtati.

(d) Per individuare i giunti di saldatura invisibili è necessaria un'apparecchiatura di ispezione a raggi X.

(e) Scarsa compatibilità con i processi SMT.

(f) Difficoltà nella manipolazione dello stampo nudo.

(g) Richiede un'elevata precisione di assemblaggio.

h) L'attuale utilizzo del riempimento dal fondo richiede un certo tempo di stagionatura.

(i) Alcuni substrati hanno una bassa affidabilità.

(j) La riparazione è difficile o impossibile.

Con questo si conclude l'introduzione alla tecnologia flip-chip.

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