Flip Chip Teknolojisine dair her şey

Ana Sayfa köşe yazarı Elektronik Temelleri Flip Chip Teknolojisine dair her şey

2024-03-21 2843

Yarı İletken Paketleme Teknolojisine Giriş

Yarı iletken endüstrisinde, özellikle de yarı iletken ambalajlamada yer alanlar, kaçınılmaz olarak çip bağlama, tel bağlama ve flip chip bağlama gibi çeşitli paketleme işlemlerine aşinadır.

Bunlar arasında tel bağlama ve flip chip bağlama en yaygın olanlardır. Bant Otomatik Yapıştırma (TAB) teknolojisi, sınırlamaları nedeniyle ambalajlamada kademeli olarak kullanımdan kaldırılıyor.

Flip çip bağlama teknolojisi, çip üzerindeki çıkıntıları doğrudan bir alt tabakaya, taşıyıcıya veya devre kartına aşağıya doğru bağlayarak bileşenlerin birbirine bağlanmasını içerir. Buna karşılık, tel bağlama, çipin ön tarafını yukarı bakacak şekilde yerleştirerek ve teller (genellikle altın teller) kullanarak çipi devre kartına bağlar.

Tel bağlama, Bantla Otomatik Bağlama ve flip chip bağlamanın her birinin kendine has özellikleri vardır. Bunlar arasında flip chip yapıştırma, kompakt yapısı ve yüksek güvenilirliği nedeniyle ambalaj endüstrisinde giderek daha popüler hale geliyor.

Flip Chip Teknolojisi Nedir?

Flip çip teknolojisi, 1960 yılında flip chip lehimleme için çipler üzerinde tümsekler oluşturma sürecini geliştiren IBM'den kaynaklanmıştır. Süreç, tümseklerin elektrolizle kaplanmış NiAu tümsekleri kaplayan 95Pb5Sn ile çevrelenmesini içeriyordu. Daha sonra, başlangıçta büyük ana bilgisayar bilgisayarları için oldukça güvenilir bir paketleme tekniği olarak geliştirilen Kontrollü Çöküş Bileşen Bağlantısı (C4) teknolojisi kullanılarak PbSn darbeleri kullanıldı. C4 çipleri mükemmel elektriksel ve termal özellikler sergiliyor ve ambalajın yorulma ömrü en az on kat artıyor.

IBM'in C4 teknolojisini başarılı bir şekilde uygulamasını takiben, sonraki teknolojik gelişmeler bazı yarı iletken şirketlerinin C4 teknolojisini optimize etmesine ve yükseltmesine yol açtı. Buna, Al darbelerini geliştiren Fairchild ve Au çarpma teknolojisini tanıtan Amelco da dahildir.

Yarı iletken paketleme teknolojisi, Dörtlü Düz Paketten (QFP), Bilyalı Izgara Dizisi (BGA) paketlemeye ve en yeni Çip Ölçeği Paketi (CSP) paketlemeye doğru gelişmiştir.

Aşağıdaki şemada geleneksel QFP, BGA ve diğer teknolojiler kullanılarak paketlenmiş cihazlar gösterilmektedir.

Yarı iletken çiplerin boyutunun kademeli olarak küçülmesiyle birlikte çip paketleme teknolojisine olan talep artıyor ve paketleme teknolojisi gofret seviyesine ve paketleme gelişimine doğru itiliyor.

Geleneksel cipsleri paketlerken, olağan süreç, gofretin ayrı kalıplara bölünmesini ve ardından her kalıbın ayrı ayrı paketlenmesini içerir. Paketleme teknolojisinin olgunlaşmasıyla birlikte, en son yarı iletken paketlemede, paketleme işlemlerinin yarı iletken işlemlerle entegre edilmesine yönelik bir eğilim vardır. Bu, daha yüksek güvenilirliğe sahip bağımsız yongalar oluşturmak için yongaları dilimlemeden önce ince levhalar üzerinde eşit şekilde paketlemeyi içerir.

Flip chip teknolojisinin olgunlaşmış uygulamasıyla birlikte, flip chip bileşenlerinin küresel tüketimi şu anda yılda 600,000 birimi aşıyor ve yaklaşık %50 oranında artıyor. Gofret ambalajlarının %3'ü flip chip darbeleme teknolojisi için kullanılıyor ve birkaç yıl içinde bu oranın %20'yi aşması bekleniyor.

Flip çip bileşenleri öncelikle yarı iletken cihazlarda kullanılır. Pasif filtreler, algılama antenleri ve bellek modülleri gibi bazı bileşenler de flip chip teknolojisini benimsemeye başlıyor. Çipler doğrudan alt tabakalara ve taşıyıcılara tümsekler aracılığıyla bağlandığından, flip çip bileşenleri daha kesin olarak şu şekilde bilinir:

Doğrudan Çip Ekleme (DCA). Aşağıdaki şemada CPU'lar ve bellek modülleri gibi elektronik ürünler, flip chip teknolojisini uygulayan en yaygın cihazlardır.

Diyagram, flip chip teknolojisini kullanan bir bellek modülündeki bellek yongası ile devre kartı arasındaki bağlantıyı gösterir; çip, yetersiz dolgu yapıştırıcısı kullanılarak devre kartına sabitlenir.

Tipik flip chip ambalajında çip, çip taşıyıcıya 3 ila 5 mil (1 mil = 25 mikrometre) kalınlığındaki lehim çıkıntıları aracılığıyla bağlanır ve alt kısımdaki yetersiz dolgu malzemesi lehim çıkıntılarını korumak için kullanılır. Aşağıdaki şemada, çipin, flip chip teknolojisi kullanılarak aşağıdaki alt tabakaya bağlandığı tipik bir flip chip ara bağlantısı gösterilmektedir.

Yarı iletken çiplerde flip çip ara bağlantısı sürecinde birçok ön ve işlem sonrası adım vardır. Aşağıdaki ayrıntılar flip çip teknolojisi sürecini ayrıntılı olarak açıklamaktadır:

Birinci Adım: Çarpma Metalizasyonu Altında (UBM)

Flip çip ara bağlantısındaki ilk adım, çip yüzeyinde tümsek metalizasyonu (UBM) oluşturmaktır. Çevirmeli çip bağlantısının özü, çip üzerindeki tümsekler ile alt tabaka üzerindeki tümsekler (pedler) arasındaki bağlantıda yatmaktadır. Yarı iletken yüzeyi metalize etmenin birkaç yolu vardır:

(a) Püskürtme: İnce filmler, püskürtme kullanılarak silikon levha üzerine katman katman biriktirilir, ardından UBM düzeninin fotolitografi yoluyla desenlendirilmesi ve desensiz parçaların aşındırılması takip eder.

(b) Buharlaştırma: Bir maske kullanılarak katmanlar, buharlaştırma kullanılarak silikon levha üzerine biriktirilir. Bu seçici biriktirme, tümseklerin oluşumuna karşılık gelen maskeleri kullanır.

(c) Akımsız kaplama: Nikel, akımsız kaplama yöntemi kullanılarak Al lehim pedleri üzerine seçici olarak kaplanır. Al yüzeyi genellikle çinko tuzu işlemiyle işlenir. Bu yöntem, vakum veya litografi ekipmanı gerektirmediğinden maliyetlerin düşmesine neden olur. Aşağıdaki diyagram, yarı iletken çiplerdeki çarpma altında metalizasyon (UBM) sürecini göstermektedir.

Alüminyum lehim pedi yüzeyinde oksit tabakasının varlığı nedeniyle metal kaplama oksitlenmiş yüzeye yapışamaz. Bu nedenle oksit tabakasını çıkarmak için alüminyum yüzeyin uygun şekilde işlenmesi gerekir.

Yaygın bir yöntem, oksidasyonu önlemek için alüminyum yüzey üzerine bir çinko tabakasının biriktirildiği alüminyum lehim pedi üzerinde çinkolamanın kullanılmasını içerir. Galvanizleme işleminin bir dezavantajı, alüminyumun kaplama çözeltisi tarafından da korozyona uğrayabilmesidir. Bu nedenle, yaklaşık 0.3-0.4 mm alüminyumun korozyona uğrayacağı ikincil bir galvanizleme işlemi gerekir. Galvanizleme işleminde alüminyum yüzeyinde çinko birikintileri oluşurken aynı zamanda alüminyum ve alüminyum oksit tabakası da korozyona uğrar. İnce çinko tabakası alüminyumu daha fazla oksidasyondan korur.

Galvanizleme işleminin ardından, UBM biriktirme için kimyasal nikel kaplama da kullanılır; metalik nikel, difüzyon/bağlantıya karşı bir bariyer görevi görür. Nikel çok düşük bir difüzyon hızına sahiptir ve lehimle neredeyse hiç reaksiyona girmez, bu da onu ötektik lehim için UBM metali olarak ideal kılar. Kimyasal nikel kaplama hem UBM metal biriktirme hem de tümsek oluşumu için kullanılabilir. Altın kaplama, altının iyi iletkenliği ve oksidasyona karşı direnci nedeniyle güvenilirliği artıran bazı flip çip çıkıntılarına uygulanabilir.

İkinci Adım: Tümsekleri Oluşturmak için Yeniden Akıtma

Buharlaştırma, elektrokaplama, baskı, saplama çarpması, bilye düşürme ve lehim transferi dahil olmak üzere lehim çıkıntıları oluşturmak için çeşitli yöntemler vardır; elektrokaplama ve baskı yaygın olarak kullanılmaktadır.

Yarı iletken yüzeydeki tümseklerin metalize edilmesinden sonra, flip chip tümseklerini oluşturmak için yeniden akışlı fırınlar kullanılır.

Tümsekler oluşturmak için yeniden akıtmanın genel süreci aşağıdaki şemada gösterilmektedir.

Elektrokaplama yoluyla lehim çıkıntılarının oluşturulmasına yönelik spesifik süreç aşağıdaki diyagramda gösterilmektedir:

Tümsekler için yaygın olarak kullanılan malzeme, iyi yeniden akışlı lehimleme özellikleri sergilediği ve endüstriyel üretime uygun olduğu için Pb/Sn alaşımıdır.

Yaygın olarak kullanılan Pb/Sn alaşımına ek olarak Au/Ni alaşımı gibi diğer tampon malzemeleri de kullanılmaktadır. Güvenilir ara bağlantı sağlamak için Under Bump

Metalizasyon (UBM), tümsekler için kullanılan alaşımla uyumlu olmalıdır. Yüksek kurşun içeriğine uygun bir UBM, yüksek kalaylı lehim için mutlaka uygun olmayabilir. Örneğin, bir Cu ıslatma katmanı, %3-5 kalay içeren yüksek kurşunlu lehim için uygundur, ancak yüksek kalaylı lehim için uygun değildir, çünkü Cu, Sn ile hızlı bir şekilde reaksiyona girerek Sn-Cu intermetalik bileşikler oluşturur. Cu tamamen tüketilirse lehim, lehim alanını ıslatmaz.

Aşağıdaki şemada farklı çarpma malzemeleriyle flip chip bağlantıları gösterilmektedir.

Çipin yüzeyinde oluşan tümseklerin taramalı elektron mikroskobu altında gözlemlenen görünümü aşağıdaki şemada gösterilmektedir:

Diyagramdaki soldaki görüntü, yeniden akıştan (yüksek sıcaklık) önceki tümsek durumunu gösterirken, sağdaki görüntü, tümseklerin eridiği ve küresel bir şekil oluşturduğu yüksek sıcaklıklara maruz kaldıktan sonraki tümsek durumunu gösterir.

Kimyasal kaplama UBM ve şablon baskı işlemleri, endüstriyel uygulamalarda kabartma hazırlama için düşük maliyetli yöntemlerdir.

Aşağıda tümseklerin şablonla yazdırılmasına ve tamamlandıktan sonra tümseklerin ortaya çıkmasına yönelik süreç akışı yer almaktadır.

Adım 3: Çip Düzeneğini Çevirin

Bu işlem, tamamlanmış tümseklere sahip çiplerin, flip chip bağlama yoluyla taşıyıcı alt tabakaya birbirine bağlanmasını içerir.

Çipi taşıyıcıya bağlamanın en yaygın yöntemi termokompresyon bağlama tekniğidir; altın en uygun tampon malzemesidir.

Çarpmalar, geleneksel elektrokaplama yöntemleri kullanılarak veya tel bağlama teknolojisinde yaygın olarak kullanılan bir teknik olan saplama çarpması kullanılarak oluşturulabilir.

Termokompresyon bağlama için bu işlem, yüksek basınç ve sıcaklık gerektirdiğinden yalnızca alümina veya silikon gibi sert alt tabakalar için uygundur.

Ek olarak, alt tabakanın yüksek düzlemselliği koruması gerekir ve ısıyla sıkıştırma başlığının yüksek paralel hizalama doğruluğu sergilemesi gerekir. Yarı iletken malzemelere gereksiz zarar verilmesini önlemek için işlem sırasında belirli bir basınç gradyanı uygulanmalıdır.

Adım 4: Yetersiz Doldurma ve Kürleme

Çevirmeli çip bağlamanın ardından çip ile alt tabaka arasındaki bağlantı kurulur. Çevirmeli çip düzeneğinin stabilitesini arttırmak için çip ile alt tabaka arasına yetersiz dolgu yapıştırıcısı uygulanır. Eksik doldurma işlemi aşağıdaki şemada gösterilmektedir:

Çip ile alt tabaka arasındaki alt dolgu malzemesi, termal yorgunluğa karşı direnci önemli ölçüde artırır; aksi takdirde, alt dolgu olmadığında flip-chip teknolojisi için ana güvenilirlik sorunu ortaya çıkar.

(a) Alt dolgu malzemesi, yoğun gerilimi çipin kapsülleme malzemesine dağıtır.

(b) Lehimin akmasını önleyebilir ve flip-chip bağlantısının sağlamlığını ve sağlamlığını artırabilir.

(d) Çipin mekanik titreşime ve şoka dayanmasını sağlar.

Özetle, flip-chip bağlantılarının güvenilirliği, alt tabaka ile çip arasındaki termal genleşme katsayısı (CTE) uyumsuzluğundan, ayrıca lehim bağlantılarının yüksekliğinden ve aralarındaki maksimum aralıktan etkilenir. Bağlantı alanındaki çatlaklar genellikle bağlantı sıcaklığının soğuması sırasında meydana gelir.

Altının erime noktasının yüksek olması nedeniyle yorulma hasarına lehime göre daha az duyarlıdır. Bu nedenle, termal çevrim sırasındaki stres, tümsek ile lehim pedi arasındaki bağlantı gücünü aşmadığı sürece güvenilirlik önemli bir sorun olmamalıdır.

Çip ile alt tabaka arasındaki alt dolgu malzemesi, bağlantının termal yorgunluğa karşı direncini önemli ölçüde artırır ve bu olmadan, termal yorgunluk, flip-chip teknolojisi için ana güvenilirlik sorunu olacaktır.

Flip-chip düzeneği özellikle yüksek frekanslı uygulamalar için uygundur çünkü çip ile alt tabaka arasındaki bağlantı yolu çok kısadır. Flip-chip lehim bağlantılarının seri empedansı yaklaşık 1 mW'tır ve seri endüktans, 0.025-5nH tel bağlamadan çok daha düşük olan 10nH'dir.

Flip-chip düzeneğinin bu avantajlarından dolayı sinyal iletim gecikmesi önemli ölçüde azaltılabilir.

Flip-Chip Teknolojisinin Avantajları ve Dezavantajları:

Avantajları:

(a) Küçük boyut: Küçük IC pin düzeni (düz paketlerin yalnızca %5'i) yüksekliği ve ağırlığı azaltır.

(b) İşlev geliştirme: Flip-chip teknolojisinin kullanılması G/Ç sayısını artırabilir. Kablolu bağlantının aksine, G/Ç'ler çipin çevresi ile sınırlı değildir. Alan dizisi, sinyaller, güç vb. için daha küçük bir alanda daha fazla ara bağlantıyı barındırabilir. Tipik flip-chip pedleri 400'e ulaşabilir.

(c) Performans artışı: Kısa ara bağlantı mesafeleri endüktansı, direnci ve kapasitansı azaltır, daha az sinyal gecikmesi, iyi bir yüksek frekans performansı ve çipin arkasından daha iyi termal yollar sağlar.

(d) Geliştirilmiş güvenilirlik: Büyük talaşlar için epoksi dolgu, yüksek güvenilirlik sağlar. Flip-chip'ler ara bağlantı pin sayısını üçte iki oranında azaltabilir.

(e) Geliştirilmiş ısı dağılımı: Kapsüllemesiz flip-chip'ler, çipin arkasının etkili bir şekilde soğutulmasına olanak tanır.

(f) Düşük maliyet: Seri olarak üretilen tümsekler maliyetleri azaltır.

Dezavantajları:

(a) Çıplak talaşların test edilmesi zordur.

(b) Çarpışan talaşların sınırlı uyarlanabilirliği.

(d) Görünmeyen lehim bağlantılarını tespit etmek için X-ışını muayene ekipmanı gereklidir.

(e) SMT süreçleriyle zayıf uyumluluk.

(f) Çıplak kalıbın zor kullanımı.

(g) Yüksek montaj hassasiyeti gerektirir.

(h) Alt dolgunun mevcut kullanımı belirli bir kürlenme süresi gerektirir.

(i) Bazı alt tabakaların güvenilirliği düşüktür.

(j) Onarım zor veya imkansızdır.

Bu, flip-chip teknolojisine girişi tamamlıyor.

Bipolar bağlantı transistörleri (BJT'ler) hakkında her şey

Endüstriyel otomasyon alanında beş yaygın sensör türü