Wszystko o technologii Flip Chip

Home Felietonista Podstawy elektroniki Wszystko o technologii Flip Chip

2024-03-21 2843

Wprowadzenie do technologii pakowania półprzewodników

Osoby zajmujące się branżą półprzewodników, zwłaszcza opakowaniami półprzewodników, z pewnością są zaznajomione z kilkoma procesami pakowania, a mianowicie łączeniem chipów, łączeniem drutowym i łączeniem typu flip chip.

Wśród nich najpowszechniejsze są łączenie drutowe i łączenie typu flip-chip. Technologia automatycznego łączenia taśm (TAB) jest stopniowo wycofywana z opakowań ze względu na jej ograniczenia.

Technologia flip chip bonding polega na łączeniu komponentów poprzez bezpośrednie łączenie wybrzuszeń na chipie w dół z podłożem, nośnikiem lub płytką drukowaną. Natomiast łączenie drutowe łączy chip z płytką drukowaną, umieszczając przednią stronę chipa skierowaną do góry i używając przewodów (zwykle złotych drutów).

Łączenie drutem, łączenie automatyczne taśmą i łączenie typu flip-chip mają swoje własne cechy. Wśród nich coraz większą popularnością w branży opakowaniowej cieszy się łączenie typu flip chip ze względu na zwartą budowę i wysoką niezawodność.

Co to jest technologia Flip Chip?

Technologia flip chipów wywodzi się z firmy IBM, która w 1960 roku opracowała proces tworzenia wypukłości na chipach do lutowania typu flip chip. Proces ten polegał na otaczaniu wypukłości warstwą 95Pb5Sn otaczającą galwanizowane wypustki NiAu. Później zastosowano nierówności PbSn, wykorzystując technologię kontrolowanego połączenia komponentów zwijania (C4), początkowo opracowaną dla ich dużych komputerów typu mainframe jako wysoce niezawodną technikę pakowania. Wióry C4 wykazują doskonałe właściwości elektryczne i termiczne, a trwałość zmęczeniowa opakowania jest zwiększona co najmniej dziesięciokrotnie.

Po pomyślnym zastosowaniu technologii C4 przez IBM, późniejsze postępy technologiczne skłoniły niektóre firmy produkujące półprzewodniki do optymalizacji i unowocześnienia technologii C4. Obejmuje to Fairchild opracowujący zderzaki aluminiowe i Amelco wprowadzające technologię wypukłości Au.

Technologia pakowania półprzewodników ewoluowała od opakowań Quad Flat Package (QFP) do opakowań Ball Grid Array (BGA) i najnowszych opakowań Chip Scale Package (CSP).

Poniższy diagram przedstawia urządzenia spakowane przy użyciu tradycyjnych technologii QFP, BGA i innych.

Wraz ze stopniowym zmniejszaniem rozmiaru chipów półprzewodnikowych rośnie zapotrzebowanie na technologię pakowania chipów, popychając technologię pakowania w kierunku rozwoju płytek i opakowań.

Podczas pakowania tradycyjnych chipsów typowy proces polega na pocięciu wafla na pojedyncze matryce, a następnie zapakowaniu każdej kostki osobno. Wraz z dojrzewaniem technologii pakowania, w najnowszych opakowaniach półprzewodników, pojawia się tendencja do integrowania procesów pakowania z procesami półprzewodnikowymi. Wiąże się to z równomiernym pakowaniem chipsów na płytki przed pokrojeniem ich w kostkę w celu utworzenia niezależnych chipów o większej niezawodności.

Dzięki dojrzałemu zastosowaniu technologii flip chipów, globalne zużycie komponentów flip chip przekracza obecnie 600,000 50 sztuk rocznie i rośnie w tempie około 3%. 20% opakowań wafli wykorzystuje się w technologii flip-chip, przy czym oczekuje się, że w ciągu kilku lat odsetek ten przekroczy XNUMX%.

Elementy typu flip chip są stosowane głównie w urządzeniach półprzewodnikowych. W niektórych komponentach, takich jak filtry pasywne, anteny czujnikowe i moduły pamięci, również zaczyna się stosować technologię flip chip. Ponieważ chipy są bezpośrednio połączone z podłożami i nośnikami poprzez nierówności, elementy typu flip chip są dokładniej znane jako

Bezpośrednie mocowanie chipa (DCA). Na poniższym schemacie produkty elektroniczne, takie jak procesory i moduły pamięci, to najpopularniejsze urządzenia wykorzystujące technologię flip chip.

Schemat przedstawia połączenie między chipem pamięci a płytką drukowaną w module pamięci wykorzystującym technologię flip chip, z chipem przymocowanym do płytki drukowanej za pomocą kleju podkładowego.

W typowym opakowaniu flip-chip, chip jest połączony z nośnikiem chipa za pomocą guzków lutowniczych o grubości od 3 do 5 milimetrów (1 mil = 25 mikrometrów), przy czym na dole znajduje się materiał wypełniający, który chroni guzki lutownicze. Poniższy schemat ilustruje typowe połączenie typu flip chip, w którym chip jest podłączony do podłoża poniżej za pomocą technologii flip chip.

W procesie łączenia typu flip-chip w układach półprzewodnikowych istnieje wiele etapów przetwarzania wstępnego i końcowego. Poniższe szczegóły opisują proces technologii flip chip:

Krok pierwszy: Metalizacja pod uderzeniami (UBM)

Pierwszym krokiem we wzajemnym połączeniu typu flip chip jest wykonanie metalizacji pod wypukłościami (UBM) na powierzchni chipa. Istota połączenia typu flip chip polega na połączeniu wybrzuszeń na chipie z wybrzuszeniami (podkładkami) na podłożu. Istnieje kilka sposobów metalizacji powierzchni półprzewodnika:

(a) Napylanie: Cienkie warstwy osadza się warstwa po warstwie na płytce krzemowej za pomocą napylania, a następnie modeluje się układ UBM za pomocą fotolitografii i wytrawia części bez wzoru.

(b) Odparowanie: Stosując maskę, warstwy osadza się na płytce krzemowej poprzez odparowanie. W tym selektywnym osadzaniu wykorzystuje się maski odpowiadające powstawaniu guzków.

(c) Powlekanie bezprądowe: Nikiel jest selektywnie powlekany na polach lutowniczych Al metodą powlekania bezprądowego. Powierzchnię Al często poddaje się obróbce solą cynkową. Metoda ta nie wymaga sprzętu próżniowego ani litograficznego, co skutkuje niższymi kosztami. Poniższy diagram ilustruje proces metalizacji pod uderzeniem (UBM) na chipach półprzewodnikowych.

Ze względu na obecność warstwy tlenku na powierzchni aluminiowego pola lutowniczego, metalizacja nie może przylegać do utlenionej powierzchni. Dlatego konieczne jest odpowiednie przygotowanie powierzchni aluminium w celu usunięcia warstwy tlenku.

Powszechnie stosowana metoda polega na cynkowaniu aluminiowej podkładki lutowniczej, podczas której na powierzchni aluminium osadza się warstwa cynku, aby zapobiec utlenianiu. Wadą procesu cynkowania jest to, że aluminium może również ulec korozji pod wpływem roztworu galwanicznego. Dlatego wymagany jest proces wtórnego cynkowania, podczas którego skorodowaniu ulegnie około 0.3-0.4 mm aluminium. W procesie cynkowania na powierzchni aluminium osadza się cynk, przy jednoczesnej korozji warstwy aluminium i tlenku glinu. Cienka warstwa cynku chroni aluminium przed dalszym utlenianiem.

Po procesie cynkowania do osadzania UBM stosuje się następnie niklowanie chemiczne, przy czym nikiel metaliczny służy jako bariera przed dyfuzją/połączeniem. Nikiel ma bardzo niską szybkość dyfuzji i prawie nie reaguje z lutem, co czyni go idealnym metalem UBM do lutowia eutektycznego. Chemiczne niklowanie można stosować zarówno do osadzania metalu UBM, jak i do tworzenia nierówności. Na niektórych nierównościach typu flip chip można zastosować złocenie, zwiększając niezawodność ze względu na dobrą przewodność złota i odporność na utlenianie.

Krok drugi: Przepływ, aby utworzyć nierówności

Istnieją różne metody tworzenia guzków lutowniczych, w tym odparowanie, galwanizacja, drukowanie, wbijanie kołków, opadanie kulek i transfer lutu, przy czym szeroko stosowane są galwanizacja i drukowanie.

Po metalizacji guzków na powierzchni półprzewodnika stosuje się piece rozpływowe w celu uformowania guzków typu flip-chip.

Ogólny proces ponownego przepływu w celu utworzenia guzków przedstawiono na poniższym schemacie.

Specyficzny proces tworzenia guzków lutowniczych poprzez galwanizację ilustruje poniższy schemat:

Powszechnie stosowanym materiałem na nierówności jest stop Pb/Sn, ponieważ wykazuje dobre właściwości lutowania rozpływowego i nadaje się do produkcji przemysłowej.

Oprócz powszechnie stosowanego stopu Pb/Sn, stosowane są również inne materiały wypukłe, takie jak stop Au/Ni. Aby zapewnić niezawodne połączenie, Under Bump

Metalizacja (UBM) musi być kompatybilna ze stopem użytym do wykonania nierówności. UBM odpowiedni do lutu o dużej zawartości ołowiu niekoniecznie będzie odpowiedni do lutowia o wysokiej zawartości cyny. Na przykład warstwa zwilżająca Cu jest odpowiednia dla lutowia o wysokiej zawartości ołowiu zawierającego 3-5% cyny, ale nie jest odpowiednia dla lutowia o wysokiej zawartości cyny, ponieważ Cu szybko reaguje z Sn, tworząc związki międzymetaliczne Sn-Cu. Jeśli Cu zostanie całkowicie zużyta, lut nie zwilży obszaru lutowania.

Poniższy schemat ilustruje połączenia typu flip-chip z różnymi materiałami wypukłości.

Wygląd guzków powstałych na powierzchni chipa obserwowany pod skaningowym mikroskopem elektronowym pokazano na poniższym schemacie:

Lewy obraz na diagramie przedstawia stan guza przed rozpływem (wysoka temperatura), natomiast prawy obraz przedstawia stan guza po wystawieniu na działanie wysokich temperatur, kiedy guzki topią się i tworzą kulisty kształt.

Procesy powlekania chemicznego UBM i drukowania szablonowego to tanie metody przygotowania wypukłości w zastosowaniach przemysłowych.

Poniżej przedstawiono przebieg procesu drukowania wypukłości przy użyciu szablonu oraz wyglądu wypukłości po zakończeniu.

Krok 3: Odwróć montaż chipa

Proces ten polega na łączeniu chipów z gotowymi nierównościami z podłożem nośnym poprzez łączenie typu flip chip.

Najpowszechniejszą metodą łączenia chipa z nośnikiem jest technika łączenia termokompresyjnego, przy czym najbardziej odpowiednim materiałem na wypukłości jest złoto.

Wybrzuszenia można wytwarzać tradycyjnymi metodami galwanicznymi lub metodą wbijania kołków, techniką powszechnie stosowaną w technologii łączenia drutów.

W przypadku klejenia termokompresyjnego proces ten nadaje się tylko do sztywnych podłoży, takich jak tlenek glinu lub krzem, ponieważ wymaga wysokiego ciśnienia i temperatury.

Dodatkowo podłoże musi zachować wysoką płaskość, a głowica termokompresyjna musi wykazywać się dużą dokładnością ułożenia równoległego. Aby uniknąć niepotrzebnego uszkodzenia materiałów półprzewodnikowych, podczas procesu należy zastosować określony gradient ciśnienia.

Krok 4: Niedopełnienie i utwardzanie

Po sklejeniu typu flip chip ustanawia się połączenie pomiędzy chipem a podłożem. Aby zwiększyć stabilność zespołu flip-chip, pomiędzy chipem a podłożem nanoszony jest klej wypełniający. Proces niedopełnienia przedstawiono na poniższym schemacie:

Dolny materiał wypełniający pomiędzy chipem a podłożem znacznie poprawia odporność na zmęczenie cieplne, co w przeciwnym razie byłoby głównym problemem niezawodności technologii flip-chip, gdyby nie było dolnego wypełnienia.

(a) Dolny materiał wypełniający rozprasza skoncentrowane naprężenia na materiał kapsułkujący chipa.

(b) Może zapobiegać pełzaniu lutowia i zwiększać wytrzymałość i sztywność połączenia typu flip-chip.

(d) Umożliwia chipowi wytrzymanie wibracji mechanicznych i wstrząsów.

Podsumowując, na niezawodność połączeń typu flip-chip wpływa niedopasowanie współczynnika rozszerzalności cieplnej (CTE) pomiędzy podłożem a chipem, a także wysokość złączy lutowanych i maksymalne odstępy między nimi. Pęknięcia w obszarze połączenia zwykle pojawiają się podczas schładzania od temperatury połączenia.

Ze względu na wysoką temperaturę topnienia złoto jest mniej wrażliwe na uszkodzenia zmęczeniowe w porównaniu do lutu. Dlatego też, dopóki naprężenia podczas cykli termicznych nie przekraczają wytrzymałości połączenia pomiędzy guzkiem a polem lutowniczym, niezawodność nie powinna być znaczącym problemem.

Dolny materiał wypełniający pomiędzy chipem a podłożem znacząco poprawia odporność połączenia na zmęczenie cieplne, a bez niego zmęczenie cieplne byłoby głównym problemem niezawodnościowym technologii flip-chip.

Zespół flip-chip jest szczególnie odpowiedni do zastosowań o wysokiej częstotliwości, ponieważ ścieżka połączenia między chipem a podłożem jest bardzo krótka. Impedancja szeregowa złączy lutowanych typu flip-chip wynosi około 1 mW, a indukcyjność szeregowa wynosi 0.025 nH, czyli znacznie mniej niż 5-10 nH w przypadku łączenia drutowego.

Właśnie dzięki tym zaletom montażu typu flip-chip można znacznie zmniejszyć opóźnienie transmisji sygnału.

Zalety i wady technologii Flip-Chip:

Zalety:

(a) Mały rozmiar: Mały układ pinów układu scalonego (tylko 5% płaskich obudów) zmniejsza wysokość i wagę.

(b) Udoskonalenie funkcji: Zastosowanie technologii flip-chip może zwiększyć liczbę wejść/wyjść. W przeciwieństwie do łączenia przewodowego, wejścia/wyjścia nie ograniczają się do obrzeży chipa. Macierz obszarowa może pomieścić więcej połączeń wzajemnych na mniejszej przestrzeni dla sygnałów, zasilania i tak dalej. Typowe podkładki typu flip-chip mogą osiągnąć 400.

(c) Wzrost wydajności: Krótkie odległości między sobą zmniejszają indukcyjność, rezystancję i pojemność, zapewniając zmniejszone opóźnienie sygnału, dobrą wydajność przy wysokich częstotliwościach i lepsze ścieżki termiczne z tyłu chipa.

(d) Większa niezawodność: Wypełnienie epoksydowe w przypadku dużych wiórów zapewnia wysoką niezawodność. Flip-chipy mogą zmniejszyć liczbę pinów połączeń międzysieciowych o dwie trzecie.

(e) Zwiększone odprowadzanie ciepła: Chipy Flip-chip bez enkapsulacji umożliwiają skuteczne chłodzenie tylnej części chipa.

(f) Niski koszt: Masowo produkowane nierówności zmniejszają koszty.

Niedogodności:

(a) Gołe chipy są trudne do przetestowania.

(b) Ograniczona zdolność adaptacji uderzonych wiórów.

d) Do wykrycia niewidocznych połączeń lutowanych niezbędny jest sprzęt do kontroli rentgenowskiej.

(e) Słaba kompatybilność z procesami SMT.

(f) Trudna obsługa gołej matrycy.

(g) Wymaga dużej precyzji montażu.

(h) Obecne stosowanie wypełnienia dennego wymaga określonego czasu utwardzania.

(i) Niektóre podłoża mają niską niezawodność.

(j) Naprawa jest trudna lub niemożliwa.

Na tym kończy się wprowadzenie do technologii flip-chip.

Poprzednie

Wszystko o bipolarnych tranzystorach złączowych (BJT)

Następna