همه چیز در مورد فناوری Flip Chip

صفحه اصلی مقالهنویس مبانی الکترونیک همه چیز در مورد فناوری Flip Chip

2024-03-21 2843

مقدمه ای بر فناوری بسته بندی نیمه هادی

دست اندرکاران صنعت نیمه هادی، به ویژه در بسته بندی نیمه هادی، ناگزیر با چندین فرآیند بسته بندی، یعنی باندینگ تراشه، باندینگ سیمی و باندینگ فلیپ چیپ آشنا هستند.

در این میان، اتصال سیم و اتصال فلیپ چیپ رایج ترین هستند. فناوری چسباندن خودکار نواری (TAB) به دلیل محدودیت‌هایی که دارد به تدریج در بسته‌بندی حذف می‌شود.

فن آوری اتصال تراشه متحرک شامل اتصال اجزا با اتصال مستقیم برجستگی های روی تراشه به سمت پایین روی یک بستر، حامل یا برد مدار است. در مقابل، اتصال سیم، تراشه را با قرار دادن قسمت جلوی تراشه رو به بالا و با استفاده از سیم (معمولاً سیم های طلایی) به برد مدار متصل می کند.

اتصال سیم، چسباندن خودکار نواری، و اتصال فلیپ چیپ هر کدام ویژگی های خاص خود را دارند. در میان آنها، اتصال فلیپ چیپ به دلیل ساختار فشرده و قابلیت اطمینان بالا به طور فزاینده ای در صنعت بسته بندی محبوب می شود.

فناوری Flip Chip چیست؟

فن‌آوری تراشه‌های فلیپ از IBM سرچشمه می‌گیرد که در سال 1960 فرآیند ایجاد برجستگی‌ها بر روی تراشه‌ها را برای لحیم کاری با تراشه‌های برگردان ایجاد کرد. این فرآیند شامل احاطه کردن برجستگی‌ها با 95Pb5Sn بود که برجستگی‌های NiAu آبکاری شده را در بر می‌گرفت. بعداً، برآمدگی‌های PbSn با استفاده از فناوری اتصال مؤلفه فروپاشی کنترل‌شده (C4) استفاده شد، که در ابتدا برای رایانه‌های بزرگ آنها به عنوان یک تکنیک بسته‌بندی بسیار قابل اعتماد توسعه داده شد. تراشه های C4 خواص الکتریکی و حرارتی بسیار خوبی از خود نشان می دهند و عمر خستگی بسته بندی حداقل ده برابر بهبود یافته است.

به دنبال کاربرد موفقیت‌آمیز فناوری C4 توسط آی‌بی‌ام، پیشرفت‌های تکنولوژیکی بعدی، برخی از شرکت‌های نیمه‌رسانا را به بهینه‌سازی و ارتقای فناوری C4 سوق داد. این شامل Fairchild است که Al bumps را توسعه می دهد و Amelco فناوری Au bump را معرفی می کند.

فن آوری بسته بندی نیمه هادی از بسته بندی چهارگانه تخت (QFP) به بسته بندی آرایه شبکه توپ (BGA) و به آخرین بسته بندی مقیاس تراشه (CSP) تکامل یافته است.

نمودار زیر دستگاه‌هایی را نشان می‌دهد که با استفاده از QFP، BGA، و سایر فناوری‌های سنتی بسته‌بندی شده‌اند.

با کاهش تدریجی اندازه تراشه های نیمه هادی، تقاضا برای فناوری بسته بندی تراشه در حال افزایش است و فناوری بسته بندی را به سمت توسعه بسته بندی در سطح ویفر سوق می دهد.

هنگام بسته‌بندی چیپس‌های سنتی، فرآیند معمول شامل خرد کردن ویفر به قالب‌های تکی و سپس بسته‌بندی هر قالب جداگانه است. با بلوغ تکنولوژی بسته بندی، در جدیدترین بسته بندی های نیمه هادی، گرایش به ادغام فرآیندهای بسته بندی با فرآیندهای نیمه هادی وجود دارد. این شامل بسته بندی یکنواخت تراشه ها روی ویفرها قبل از خرد کردن آنها برای ایجاد تراشه های مستقل با قابلیت اطمینان بالاتر است.

با استفاده بالغ از فناوری فلیپ چیپ، مصرف جهانی قطعات فلیپ چیپ در حال حاضر از 600,000 واحد در سال فراتر رفته است که با نرخ تقریباً 50 درصد رشد می کند. 3٪ از بسته بندی ویفر برای فناوری ضربه زدن به تراشه های تلنگر استفاده می شود که انتظار می رود در چند سال آینده از 20٪ فراتر رود.

اجزای تراشه فلیپ عمدتاً در دستگاه های نیمه هادی استفاده می شوند. برخی از قطعات، مانند فیلترهای غیرفعال، آنتن‌های حسگر و ماژول‌های حافظه نیز شروع به استفاده از فناوری فلیپ تراشه کرده‌اند. از آنجایی که تراشه ها مستقیماً از طریق برآمدگی ها به زیرلایه ها و حامل ها متصل می شوند، اجزای تراشه فلیپ به طور دقیق تر به عنوان شناخته می شوند.

اتصال مستقیم تراشه (DCA). در نمودار زیر، محصولات الکترونیکی مانند پردازنده‌ها و ماژول‌های حافظه رایج‌ترین دستگاه‌هایی هستند که از فناوری فلیپ تراشه استفاده می‌کنند.

این نمودار اتصال بین تراشه حافظه و برد مدار را در یک ماژول حافظه با استفاده از فناوری فلیپ تراشه نشان می‌دهد و تراشه با استفاده از چسب underfill روی برد مدار ثابت شده است.

در بسته بندی معمولی تراشه فلیپ، تراشه از طریق برجستگی های لحیم کاری 3 تا 5 میل (1 میل = 25 میکرومتر) به حامل تراشه متصل می شود، با مواد پرکننده در پایین برای محافظت از برجستگی های لحیم کاری استفاده می شود. نمودار زیر یک اتصال معمولی تراشه فلیپ را نشان می دهد که در آن تراشه با استفاده از فناوری فلیپ چیپ به بستر زیر متصل می شود.

در فرآیند اتصال متقابل تراشه های فلیپ در تراشه های نیمه هادی، مراحل پیش و پس پردازش زیادی وجود دارد. جزئیات زیر در مورد فرآیند فناوری فلیپ تراشه توضیح داده شده است:

مرحله اول: Under Bump Metalization (UBM)

اولین گام در اتصال متقابل تراشه، ایجاد متالیزاسیون تحت ضربه (UBM) روی سطح تراشه است. ماهیت اتصال فلیپ چیپ در اتصال بین برجستگی های روی تراشه و برجستگی ها (پدها) روی زیرلایه نهفته است. روش های مختلفی برای فلز کردن سطح نیمه هادی وجود دارد:

(الف) کندوپاش: لایه‌های نازک لایه به لایه بر روی ویفر سیلیکونی با استفاده از کندوپاش قرار می‌گیرند و به دنبال آن طرح‌بندی UBM را از طریق فتولیتوگرافی الگوبرداری می‌کنند و قسمت‌های بدون طرح را از بین می‌برند.

(ب) تبخیر: با استفاده از یک ماسک، لایه‌ها با استفاده از تبخیر روی ویفر سیلیکونی قرار می‌گیرند. این رسوب انتخابی از ماسک های مربوط به شکل گیری برجستگی ها استفاده می کند.

ج) آبکاری الکترولس: نیکل با استفاده از روش آبکاری الکترولس به طور انتخابی بر روی لحیم کاری Al آبکاری می شود. سطح Al اغلب با فرآیند نمک روی درمان می شود. این روش نیازی به تجهیزات وکیوم یا لیتوگرافی ندارد و در نتیجه هزینه کمتری دارد. نمودار زیر فرآیند متالیزاسیون تحت ضربه (UBM) بر روی تراشه های نیمه هادی را نشان می دهد.

به دلیل وجود یک لایه اکسید روی سطح لحیم کاری آلومینیومی، آبکاری فلزی نمی تواند به سطح اکسید شده بچسبد. بنابراین، لازم است سطح آلومینیوم را به طور مناسب برای حذف لایه اکسیدی مورد استفاده قرار داد.

یک روش متداول شامل استفاده از روی روی لحیم کاری آلومینیومی است که در آن لایه ای از روی روی سطح آلومینیوم قرار می گیرد تا از اکسیداسیون جلوگیری شود. یکی از اشکالات فرآیند گالوانیزه این است که آلومینیوم نیز می تواند توسط محلول آبکاری خورده شود. از این رو، یک فرآیند گالوانیزه ثانویه مورد نیاز است که در طی آن حدود 0.3-0.4 میلی متر آلومینیوم خورده می شود. در فرآیند گالوانیزه، روی بر روی سطح آلومینیوم رسوب می کند، در حالی که به طور همزمان لایه آلومینیوم و اکسید آلومینیوم خورده می شوند. لایه نازک روی از آلومینیوم در برابر اکسیداسیون بیشتر محافظت می کند.

پس از فرآیند گالوانیزه کردن، آبکاری نیکل شیمیایی بیشتر برای رسوب گذاری UBM استفاده می شود، با نیکل فلزی به عنوان مانعی در برابر انتشار/اتصال عمل می کند. نیکل سرعت انتشار بسیار پایینی دارد و تقریباً هیچ واکنشی با لحیم کاری ندارد و آن را به عنوان فلز UBM برای لحیم کاری یوتکتیک ایده آل می کند. آبکاری نیکل شیمیایی را می توان هم برای رسوب فلز UBM و هم برای تشکیل برآمدگی استفاده کرد. آبکاری طلا ممکن است برای برخی از برجستگی های تراشه ای اعمال شود که به دلیل رسانایی خوب طلا و مقاومت در برابر اکسیداسیون، قابلیت اطمینان را افزایش می دهد.

مرحله دوم: جریان مجدد به شکل برآمدگی ها

روش‌های مختلفی برای تشکیل برجستگی‌های لحیم کاری وجود دارد، از جمله تبخیر، آبکاری الکتریکی، چاپ، برآمدگی گل میخ، قطره توپ و انتقال لحیم، که آبکاری و چاپ به طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرد.

پس از متالیز شدن برجستگی های سطح نیمه هادی، از کوره های جریان مجدد برای تشکیل برجستگی های فلیپ چیپ استفاده می شود.

روند کلی جریان مجدد برای تشکیل برآمدگی ها در نمودار زیر نشان داده شده است.

فرآیند خاص تشکیل برجستگی های لحیم کاری از طریق آبکاری الکتریکی در نمودار زیر نشان داده شده است:

ماده ای که معمولا برای برآمدگی ها استفاده می شود، آلیاژ سرب/ اسن است، زیرا ویژگی های لحیم کاری با جریان مجدد را نشان می دهد و برای تولید صنعتی مناسب است.

علاوه بر آلیاژ Pb/Sn که معمولاً مورد استفاده قرار می گیرد، سایر مواد ضربه گیر مانند آلیاژ طلا و نیکل نیز مورد استفاده قرار می گیرند. برای اطمینان از اتصال قابل اعتماد، Under Bump

متالیزاسیون (UBM) باید با آلیاژ مورد استفاده برای برآمدگی ها سازگار باشد. یک UBM مناسب برای محتوای پر سرب ممکن است لزوما برای لحیم کاری قلع بالا مناسب نباشد. به عنوان مثال، یک لایه مرطوب کننده مس برای لحیم کاری با سرب بالا حاوی 3-5٪ قلع مناسب است، اما برای لحیم کاری با قلع مناسب نیست، زیرا مس به سرعت با Sn واکنش می دهد و ترکیبات بین فلزی Sn-Cu را تشکیل می دهد. اگر مس به طور کامل مصرف شود، لحیم کاری ناحیه لحیم کاری را خیس نمی کند.

نمودار زیر اتصالات فلیپ چیپ را با مواد برآمدگی مختلف نشان می دهد.

ظاهر برجستگی های ایجاد شده روی سطح تراشه همانطور که در زیر میکروسکوپ الکترونی روبشی مشاهده می شود در نمودار زیر نشان داده شده است:

تصویر سمت چپ در نمودار وضعیت برآمدگی را قبل از جریان مجدد (دمای بالا) نشان می دهد، در حالی که تصویر سمت راست وضعیت برآمدگی را پس از قرار گرفتن در معرض دمای بالا نشان می دهد، جایی که برجستگی ها ذوب می شوند و شکل کروی را تشکیل می دهند.

آبکاری شیمیایی UBM و فرآیندهای چاپ شابلون روش های کم هزینه برای آماده سازی برآمدگی در کاربردهای صنعتی هستند.

در زیر جریان فرآیند چاپ استنسیل برجستگی ها و ظاهر برجستگی ها پس از اتمام آورده شده است.

مرحله 3: مونتاژ تراشه را برگردانید

این فرآیند شامل اتصال تراشه‌ها با برجستگی‌های کامل شده به بستر حامل از طریق اتصال تراشه‌های برگردان است.

متداول ترین روش برای اتصال تراشه به حامل، روش پیوند حرارتی است که طلا مناسب ترین ماده برآمدگی است.

برجستگی ها را می توان با استفاده از روش های سنتی آبکاری الکتریکی یا با استفاده از برآمدگی گل میخ، تکنیکی که معمولا در فناوری اتصال سیم استفاده می شود، ایجاد کرد.

برای اتصال حرارتی، این فرآیند فقط برای بسترهای سفت و سخت مانند آلومینا یا سیلیکون مناسب است، زیرا به فشار و دمای بالا نیاز دارد.

علاوه بر این، زیرلایه باید سطح بالایی داشته باشد و سر ترمو فشرده سازی باید دقت تراز موازی بالایی را نشان دهد. برای جلوگیری از آسیب غیرضروری به مواد نیمه هادی، باید یک گرادیان فشار معین در طول فرآیند اعمال شود.

مرحله 4: کم پر کردن و پخت

پس از اتصال تراشه فلیپ، ارتباط بین تراشه و بستر برقرار می شود. برای افزایش پایداری مجموعه فلیپ چیپ، یک چسب کم پر شده بین تراشه و بستر اعمال می شود. فرآیند کم پر شدن در نمودار زیر نشان داده شده است:

مواد پرکننده ته بین تراشه و بستر به طور قابل توجهی مقاومت در برابر خستگی حرارتی را بهبود می بخشد، که در غیر این صورت در صورت عدم پرکردن ته، مشکل اصلی قابلیت اطمینان برای فناوری فلیپ چیپ خواهد بود.

(الف) مواد پرکننده پایین تنش متمرکز را به مواد کپسوله تراشه پراکنده می کند.

(ب) می تواند از خزش لحیم جلوگیری کند و استحکام و استحکام اتصال فلیپ چیپ را افزایش دهد.

(ج) از تراشه در برابر تأثیرات محیطی مانند رطوبت و آلودگی یونی محافظت می کند.

(د) تراشه را قادر می سازد تا در برابر لرزش و ضربه مکانیکی مقاومت کند.

به طور خلاصه، قابلیت اطمینان اتصالات فلیپ تراشه تحت تأثیر عدم تطابق ضریب انبساط حرارتی (CTE) بین بستر و تراشه، و همچنین ارتفاع اتصالات لحیم کاری و حداکثر فاصله بین آنها است. ترک در ناحیه اتصال معمولاً در هنگام خنک شدن از دمای اتصال رخ می دهد.

به دلیل نقطه ذوب بالای طلا نسبت به لحیم کاری حساسیت کمتری به آسیب خستگی دارد. بنابراین، تا زمانی که تنش در طول چرخه حرارتی از استحکام اتصال بین برجستگی و لحیم کاری تجاوز نکند، قابلیت اطمینان نباید مسئله مهمی باشد.

مواد پرکننده پایینی بین تراشه و بستر به طور قابل توجهی مقاومت اتصال را در برابر خستگی حرارتی بهبود می بخشد و بدون آن، خستگی حرارتی مشکل اصلی قابلیت اطمینان برای فناوری فلیپ چیپ خواهد بود.

مونتاژ فلیپ تراشه مخصوصاً برای کاربردهای با فرکانس بالا مناسب است زیرا مسیر اتصال بین تراشه و بستر بسیار کوتاه است. امپدانس سری اتصالات لحیم کاری فلیپ چیپ حدود 1 میلی وات است و اندوکتانس سری 0.025nH است که بسیار کمتر از 5-10nH اتصال سیم است.

دقیقاً به دلیل مزایای مونتاژ فلیپ تراشه است که تأخیر انتقال سیگنال را می توان به میزان قابل توجهی کاهش داد.

مزایا و معایب فناوری Flip-Chip:

مزایای:

(الف) اندازه کوچک: طرح پین IC کوچک (فقط 5٪ از بسته های تخت) قد و وزن را کاهش می دهد.

(ب) بهبود عملکرد: استفاده از فناوری فلیپ تراشه می تواند تعداد ورودی/خروجی ها را افزایش دهد. برخلاف اتصال سیم، ورودی/خروجی ها به حاشیه تراشه محدود نمی شوند. آرایه منطقه می تواند اتصالات بیشتری را در فضای کوچکتر برای سیگنال ها، برق و غیره جای دهد. پدهای فلیپ چیپ معمولی می تواند به 400 برسد.

(ج) افزایش عملکرد: فواصل اتصال کوتاه اندوکتانس، مقاومت و خازن را کاهش می‌دهد، کاهش تاخیر سیگنال، عملکرد فرکانس بالا خوب و مسیرهای حرارتی بهتر از پشت تراشه را تضمین می‌کند.

(د) قابلیت اطمینان بهبود یافته: پرکننده اپوکسی برای تراشه های بزرگ، قابلیت اطمینان بالایی را تضمین می کند. تراشه های فلیپ می توانند تعداد پین های اتصال را تا دو سوم کاهش دهند.

(ه) افزایش اتلاف گرما: تراشه‌های برگردان بدون کپسوله‌سازی اجازه خنک‌سازی موثر پشت تراشه را می‌دهند.

(و) هزینه کم: برآمدگی های تولید انبوه هزینه ها را کاهش می دهند.

معایب:

(الف) آزمایش تراشه های لخت دشوار است.

(ب) سازگاری محدود تراشه های ضربه خورده.

(ج) فناوری PCB با کاهش فاصله و افزایش تعداد پین ها با چالش هایی مواجه می شود.

(د) تجهیزات بازرسی اشعه ایکس برای تشخیص اتصالات لحیم نامرئی ضروری است.

(ه) سازگاری ضعیف با فرآیندهای SMT.

(و) حمل و نقل دشوار با قالب برهنه.

(ز) به دقت مونتاژ بالا نیاز دارد.

(ح) استفاده کنونی از پر کردن کف مستلزم زمان پخت مشخصی است.

(i) برخی از بسترها قابلیت اطمینان پایینی دارند.