फ्लिप चिप प्रौद्योगिकी के बारे में सब कुछ

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2024-03-21 2843

सेमीकंडक्टर पैकेजिंग प्रौद्योगिकी का परिचय

सेमीकंडक्टर उद्योग में शामिल लोग, विशेष रूप से सेमीकंडक्टर पैकेजिंग में, अनिवार्य रूप से कई पैकेजिंग प्रक्रियाओं, अर्थात् चिप बॉन्डिंग, वायर बॉन्डिंग और फ्लिप चिप बॉन्डिंग से परिचित हैं।

इनमें वायर बॉन्डिंग और फ्लिप चिप बॉन्डिंग सबसे आम हैं। टेप ऑटोमेटेड बॉन्डिंग (टीएबी) तकनीक अपनी सीमाओं के कारण पैकेजिंग में धीरे-धीरे समाप्त हो रही है।

फ्लिप चिप बॉन्डिंग तकनीक में चिप पर धक्कों को सब्सट्रेट, कैरियर या सर्किट बोर्ड पर सीधे नीचे की ओर जोड़कर घटकों को आपस में जोड़ना शामिल है। इसके विपरीत, वायर बॉन्डिंग चिप के सामने वाले हिस्से को ऊपर की ओर रखकर और तारों (आमतौर पर सोने के तारों) का उपयोग करके चिप को सर्किट बोर्ड से जोड़ती है।

वायर बॉन्डिंग, टेप ऑटोमेटेड बॉन्डिंग और फ्लिप चिप बॉन्डिंग प्रत्येक की अपनी-अपनी विशेषताएं हैं। उनमें से, फ्लिप चिप बॉन्डिंग अपनी कॉम्पैक्ट संरचना और उच्च विश्वसनीयता के कारण पैकेजिंग उद्योग में तेजी से लोकप्रिय हो रही है।

फ्लिप चिप टेक्नोलॉजी क्या है?

फ्लिप चिप तकनीक की उत्पत्ति IBM से हुई, जिसने 1960 में फ्लिप चिप सोल्डरिंग के लिए चिप्स पर बम्प्स बनाने की प्रक्रिया विकसित की। इस प्रक्रिया में 95Pb5Sn के साथ इलेक्ट्रोप्लेटेड NiAu बम्प्स को घेरना शामिल था। बाद में, PbSn बम्प्स का उपयोग किया गया, जिसमें कंट्रोल्ड कोलैप्स कंपोनेंट कनेक्शन (C4) तकनीक का इस्तेमाल किया गया, जिसे शुरू में उनके बड़े मेनफ्रेम कंप्यूटरों के लिए अत्यधिक विश्वसनीय पैकेजिंग तकनीक के रूप में विकसित किया गया था। C4 चिप्स उत्कृष्ट विद्युत और थर्मल गुणों का प्रदर्शन करते हैं, पैकेजिंग थकान जीवन में कम से कम दस गुना सुधार होता है।

IBM द्वारा C4 प्रौद्योगिकी के सफल अनुप्रयोग के बाद, बाद की तकनीकी प्रगति ने कुछ अर्धचालक कंपनियों को C4 प्रौद्योगिकी को अनुकूलित और उन्नत करने के लिए प्रेरित किया। इसमें फेयरचाइल्ड द्वारा अल बम्प्स का विकास और एमेल्को द्वारा एयू बम्प तकनीक का विकास शामिल है।

सेमीकंडक्टर पैकेजिंग तकनीक क्वाड फ्लैट पैकेज (क्यूएफपी) से बॉल ग्रिड ऐरे (बीजीए) पैकेजिंग और नवीनतम चिप स्केल पैकेज (सीएसपी) पैकेजिंग तक विकसित हुई है।

नीचे दिया गया चित्र पारंपरिक QFP, BGA और अन्य प्रौद्योगिकियों का उपयोग करके पैक किए गए उपकरणों को प्रदर्शित करता है।

सेमीकंडक्टर चिप्स के आकार में धीरे-धीरे कमी के साथ, चिप पैकेजिंग तकनीक की मांग बढ़ रही है, जिससे पैकेजिंग तकनीक वेफर-स्तर और पैकेजिंग विकास की ओर बढ़ रही है।

पारंपरिक चिप्स की पैकेजिंग करते समय, सामान्य प्रक्रिया में वेफर को अलग-अलग डाई में काटना शामिल होता है, इसके बाद प्रत्येक डाई को अलग से पैकेजिंग किया जाता है। पैकेजिंग प्रौद्योगिकी की परिपक्वता के साथ, नवीनतम सेमीकंडक्टर पैकेजिंग में, सेमीकंडक्टर प्रक्रियाओं के साथ पैकेजिंग प्रक्रियाओं को एकीकृत करने की दिशा में एक प्रवृत्ति है। इसमें उच्च विश्वसनीयता के साथ स्वतंत्र चिप्स बनाने के लिए चिप्स को काटने से पहले वेफर्स पर समान रूप से पैकेजिंग करना शामिल है।

फ्लिप चिप प्रौद्योगिकी के परिपक्व अनुप्रयोग के साथ, फ्लिप चिप घटकों की वैश्विक खपत वर्तमान में प्रति वर्ष 600,000 इकाइयों से अधिक है, जो लगभग 50% की दर से बढ़ रही है। वेफर पैकेजिंग का 3% उपयोग फ्लिप चिप बंपिंग तकनीक के लिए किया जाता है, कुछ वर्षों में 20% से अधिक होने की उम्मीद है।

फ्लिप चिप घटकों का उपयोग मुख्य रूप से अर्धचालक उपकरणों में किया जाता है। कुछ घटक, जैसे निष्क्रिय फिल्टर, सेंसिंग एंटेना और मेमोरी मॉड्यूल, भी फ्लिप चिप तकनीक को अपनाने लगे हैं। चूँकि चिप्स सीधे सब्सट्रेट्स और वाहकों से धक्कों के माध्यम से जुड़े होते हैं, फ्लिप चिप घटकों को अधिक सटीक रूप से जाना जाता है

डायरेक्ट चिप अटैच (डीसीए)। नीचे दिए गए चित्र में, सीपीयू और मेमोरी मॉड्यूल जैसे इलेक्ट्रॉनिक उत्पाद सबसे आम उपकरण हैं जो फ्लिप चिप तकनीक लागू करते हैं।

आरेख फ्लिप चिप तकनीक का उपयोग करके मेमोरी मॉड्यूल में मेमोरी चिप और सर्किट बोर्ड के बीच कनेक्शन दिखाता है, जिसमें चिप को अंडरफिल चिपकने वाले का उपयोग करके सर्किट बोर्ड में सुरक्षित किया जाता है।

विशिष्ट फ्लिप चिप पैकेजिंग में, चिप 3 से 5 मिल (1 मिल = 25 माइक्रोमीटर) मोटे सोल्डर बम्प के माध्यम से चिप वाहक से जुड़ा होता है, सोल्डर बम्प की सुरक्षा के लिए नीचे की ओर अंडरफिल सामग्री का उपयोग किया जाता है। नीचे दिया गया चित्र एक विशिष्ट फ्लिप चिप इंटरकनेक्शन को दर्शाता है, जहां चिप फ्लिप चिप तकनीक का उपयोग करके नीचे सब्सट्रेट से जुड़ा होता है।

सेमीकंडक्टर चिप्स में फ्लिप चिप इंटरकनेक्शन की प्रक्रिया में, प्रसंस्करण से पहले और बाद के कई चरण होते हैं। निम्नलिखित विवरण फ्लिप चिप प्रौद्योगिकी प्रक्रिया पर विस्तार से बताते हैं:

चरण एक: बम्प मेटलाइज़ेशन (यूबीएम) के तहत

फ्लिप चिप इंटरकनेक्शन में पहला कदम चिप सतह पर अंडर बम्प मेटलाइजेशन (यूबीएम) बनाना है। फ्लिप चिप कनेक्शन का सार चिप पर धक्कों और सब्सट्रेट पर धक्कों (पैड) के बीच संबंध में निहित है। अर्धचालक सतह को धातुकृत करने के कई तरीके हैं:

(ए) स्पटरिंग: स्पटरिंग का उपयोग करके पतली फिल्मों को सिलिकॉन वेफर पर परत दर परत जमा किया जाता है, इसके बाद फोटोलिथोग्राफी के माध्यम से यूबीएम लेआउट को पैटर्न दिया जाता है और गैर-पैटर्न वाले हिस्सों को उकेरा जाता है।

(बी) वाष्पीकरण: एक मास्क का उपयोग करके, वाष्पीकरण का उपयोग करके सिलिकॉन वेफर पर परतें जमा की जाती हैं। यह चयनात्मक जमाव धक्कों के गठन के अनुरूप मास्क का उपयोग करता है।

(सी) इलेक्ट्रोलेस प्लेटिंग: निकल को इलेक्ट्रोलेस प्लेटिंग विधि का उपयोग करके एएल सोल्डर पैड पर चुनिंदा रूप से चढ़ाया जाता है। अल सतह को अक्सर जिंक नमक प्रक्रिया से उपचारित किया जाता है। इस विधि में वैक्यूम या लिथोग्राफी उपकरण की आवश्यकता नहीं होती है, जिसके परिणामस्वरूप लागत कम होती है। नीचे दिया गया चित्र सेमीकंडक्टर चिप्स पर अंडर बम्प मेटलाइजेशन (यूबीएम) की प्रक्रिया को दर्शाता है।

एल्यूमीनियम सोल्डर पैड की सतह पर ऑक्साइड परत की उपस्थिति के कारण, धातु चढ़ाना ऑक्सीकृत सतह का पालन नहीं कर सकता है। इसलिए, ऑक्साइड परत को हटाने के लिए एल्यूमीनियम की सतह का उचित उपचार करना आवश्यक है।

एक सामान्य विधि में एल्यूमीनियम सोल्डर पैड पर जिंकेशन का उपयोग करना शामिल है, जहां ऑक्सीकरण को रोकने के लिए एल्यूमीनियम की सतह पर जस्ता की एक परत जमा की जाती है। गैल्वनाइजिंग प्रक्रिया का एक दोष यह है कि एल्युमीनियम को चढ़ाना समाधान द्वारा भी संक्षारित किया जा सकता है। इसलिए, एक द्वितीयक गैल्वनाइजिंग प्रक्रिया की आवश्यकता होती है, जिसके दौरान लगभग 0.3-0.4 मिमी एल्यूमीनियम का संक्षारण हो जाएगा। गैल्वनाइजिंग प्रक्रिया में, एल्युमीनियम की सतह पर जस्ता जमा हो जाता है, जबकि साथ ही एल्युमीनियम और एल्युमीनियम ऑक्साइड परत का क्षरण होता है। पतली जस्ता परत एल्यूमीनियम को आगे ऑक्सीकरण से बचाती है।

गैल्वनाइजिंग प्रक्रिया के बाद, रासायनिक निकल चढ़ाना को यूबीएम जमाव के लिए आगे नियोजित किया जाता है, जिसमें धात्विक निकल प्रसार/कनेक्शन के खिलाफ बाधा के रूप में कार्य करता है। निकेल की प्रसार दर बहुत कम है और सोल्डर के साथ लगभग कोई प्रतिक्रिया नहीं होती है, जो इसे यूटेक्टिक सोल्डर के लिए यूबीएम धातु के रूप में आदर्श बनाती है। रासायनिक निकल चढ़ाना का उपयोग यूबीएम धातु जमाव और उभार निर्माण दोनों के लिए किया जा सकता है। कुछ फ्लिप चिप उभारों पर सोना चढ़ाना लगाया जा सकता है, जिससे सोने की अच्छी चालकता और ऑक्सीकरण के प्रतिरोध के कारण विश्वसनीयता बढ़ जाती है।

चरण दो: फॉर्म बम्प्स में पुनः प्रवाहित करें

सोल्डर बम्प बनाने की कई विधियाँ हैं, जिनमें वाष्पीकरण, इलेक्ट्रोप्लेटिंग, प्रिंटिंग, स्टड बम्पिंग, बॉल ड्रॉप और सोल्डर ट्रांसफर शामिल हैं, इलेक्ट्रोप्लेटिंग और प्रिंटिंग का व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है।

अर्धचालक सतह पर उभारों को धातुकृत करने के बाद, फ्लिप चिप उभार बनाने के लिए रिफ्लो ओवन का उपयोग किया जाता है।

उभार बनाने के लिए पुनः प्रवाह की सामान्य प्रक्रिया को नीचे दिए गए चित्र में दर्शाया गया है।

इलेक्ट्रोप्लेटिंग के माध्यम से सोल्डर बम्प बनाने की विशिष्ट प्रक्रिया को निम्नलिखित चित्र में दर्शाया गया है:

धक्कों के लिए आमतौर पर इस्तेमाल की जाने वाली सामग्री पीबी/एसएन मिश्र धातु है, क्योंकि यह अच्छी रिफ्लो सोल्डरिंग विशेषताओं को प्रदर्शित करती है और औद्योगिक उत्पादन के लिए उपयुक्त है।

आमतौर पर उपयोग किए जाने वाले पीबी/एसएन मिश्र धातु के अलावा, अन्य बम्प सामग्री जैसे एयू/नी मिश्र धातु का भी उपयोग किया जाता है। विश्वसनीय इंटरकनेक्शन सुनिश्चित करने के लिए, अंडर बम्प

मेटलाइज़ेशन (यूबीएम) को धक्कों के लिए उपयोग किए जाने वाले मिश्र धातु के साथ संगत होना चाहिए। उच्च-लीड सामग्री के लिए उपयुक्त यूबीएम आवश्यक रूप से उच्च-टिन सोल्डर के लिए उपयुक्त नहीं हो सकता है। उदाहरण के लिए, एक Cu गीला करने वाली परत 3-5% टिन वाले उच्च-लीड सोल्डर के लिए उपयुक्त है, लेकिन यह उच्च-टिन सोल्डर के लिए उपयुक्त नहीं है, क्योंकि Cu, Sn के साथ तेजी से प्रतिक्रिया करके Sn-Cu इंटरमेटेलिक यौगिक बनाता है। यदि Cu पूरी तरह से खपत हो जाता है, तो सोल्डर सोल्डर क्षेत्र को गीला नहीं करेगा।

नीचे दिया गया चित्र विभिन्न बम्प सामग्रियों के साथ फ्लिप चिप कनेक्शन दिखाता है।

स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप के तहत देखी गई चिप की सतह पर बने उभारों की उपस्थिति नीचे दिए गए चित्र में दिखाई गई है:

आरेख में बाईं छवि रिफ्लो (उच्च तापमान) से पहले उभार की स्थिति को दर्शाती है, जबकि दाहिनी छवि उच्च तापमान के संपर्क में आने के बाद उभार की स्थिति को दर्शाती है, जहां उभार पिघल जाते हैं और एक गोलाकार आकार बनाते हैं।

औद्योगिक अनुप्रयोगों में बम्प तैयार करने के लिए रासायनिक प्लेटिंग यूबीएम और स्टैंसिल प्रिंटिंग प्रक्रियाएं कम लागत वाली विधियां हैं।

धक्कों की स्टेंसिल प्रिंटिंग और पूरा होने के बाद धक्कों की उपस्थिति के लिए प्रक्रिया प्रवाह निम्नलिखित है।

चरण 3: फ्लिप चिप असेंबली

इस प्रक्रिया में फ्लिप चिप बॉन्डिंग के माध्यम से वाहक सब्सट्रेट के साथ पूर्ण बम्प्स के साथ चिप्स को इंटरकनेक्ट करना शामिल है।

चिप को कैरियर से जोड़ने का सबसे आम तरीका थर्मोकम्प्रेशन बॉन्डिंग तकनीक है, जिसमें सोना सबसे उपयुक्त बम्प सामग्री है।

पारंपरिक इलेक्ट्रोप्लेटिंग विधियों का उपयोग करके या स्टड बंपिंग का उपयोग करके धक्कों को उत्पन्न किया जा सकता है, जो आमतौर पर वायर बॉन्डिंग तकनीक में उपयोग की जाने वाली तकनीक है।

थर्मोकम्प्रेशन बॉन्डिंग के लिए, यह प्रक्रिया केवल एल्यूमिना या सिलिकॉन जैसे कठोर सब्सट्रेट्स के लिए उपयुक्त है, क्योंकि इसके लिए उच्च दबाव और तापमान की आवश्यकता होती है।

इसके अतिरिक्त, सब्सट्रेट को उच्च समतलता बनाए रखनी चाहिए, और थर्मोकम्प्रेशन हेड को उच्च समानांतर संरेखण सटीकता प्रदर्शित करनी चाहिए। अर्धचालक सामग्रियों को अनावश्यक क्षति से बचने के लिए, प्रक्रिया के दौरान एक निश्चित दबाव ढाल लागू किया जाना चाहिए।

चरण 4: अंडरफिल और क्योरिंग

फ्लिप चिप बॉन्डिंग के बाद, चिप और सब्सट्रेट के बीच संबंध स्थापित हो जाता है। फ्लिप चिप असेंबली की स्थिरता को बढ़ाने के लिए, चिप और सब्सट्रेट के बीच एक अंडरफिल चिपकने वाला लगाया जाता है। अंडरफ़िल प्रक्रिया को नीचे दिए गए चित्र में दर्शाया गया है:

चिप और सब्सट्रेट के बीच निचली फिलिंग सामग्री थर्मल थकान के प्रतिरोध में काफी सुधार करती है, जो अन्यथा फ्लिप-चिप तकनीक के लिए मुख्य विश्वसनीयता का मुद्दा होगा यदि कोई बॉटम फिलिंग नहीं है।

(ए) नीचे की भरने वाली सामग्री चिप की एनकैप्सुलेशन सामग्री पर केंद्रित तनाव को फैलाती है।

(बी) यह सोल्डर रेंगने से रोक सकता है और फ्लिप-चिप कनेक्शन की ताकत और कठोरता को बढ़ा सकता है।

(सी) यह चिप को नमी और आयन संदूषण जैसे पर्यावरणीय प्रभावों से बचाता है।

(डी) यह चिप को यांत्रिक कंपन और झटके का सामना करने में सक्षम बनाता है।

संक्षेप में, फ्लिप-चिप कनेक्शन की विश्वसनीयता सब्सट्रेट और चिप के बीच थर्मल विस्तार (सीटीई) बेमेल के गुणांक के साथ-साथ सोल्डर जोड़ों की ऊंचाई और उनके बीच अधिकतम दूरी से प्रभावित होती है। कनेक्शन क्षेत्र में दरारें आम तौर पर कनेक्शन तापमान के ठंडा होने के दौरान होती हैं।

सोने के उच्च पिघलने बिंदु के कारण, यह सोल्डर की तुलना में थकान क्षति के प्रति कम संवेदनशील होता है। इसलिए, जब तक थर्मल साइक्लिंग के दौरान तनाव बम्प और सोल्डर पैड के बीच कनेक्शन की ताकत से अधिक नहीं हो जाता, विश्वसनीयता एक महत्वपूर्ण मुद्दा नहीं होना चाहिए।

चिप और सब्सट्रेट के बीच नीचे की फिलिंग सामग्री थर्मल थकान के लिए कनेक्शन के प्रतिरोध में काफी सुधार करती है, और इसके बिना, थर्मल थकान फ्लिप-चिप तकनीक के लिए मुख्य विश्वसनीयता मुद्दा होगा।

फ्लिप-चिप असेंबली उच्च-आवृत्ति अनुप्रयोगों के लिए विशेष रूप से उपयुक्त है क्योंकि चिप और सब्सट्रेट के बीच कनेक्शन पथ बहुत छोटा है। फ्लिप-चिप सोल्डर जोड़ों की श्रृंखला प्रतिबाधा लगभग 1mW है, और श्रृंखला अधिष्ठापन 0.025nH है, जो वायर बॉन्डिंग के 5-10nH से बहुत कम है।

फ्लिप-चिप असेंबली के इन फायदों के कारण ही सिग्नल ट्रांसमिशन देरी को काफी कम किया जा सकता है।

फ्लिप-चिप प्रौद्योगिकी के फायदे और नुकसान:

लाभ:

(ए) छोटा आकार: छोटा आईसी पिन लेआउट (फ्लैट पैकेज का केवल 5%) ऊंचाई और वजन कम करता है।

(बी) फ़ंक्शन वृद्धि: फ्लिप-चिप तकनीक का उपयोग करके I/Os की संख्या में वृद्धि की जा सकती है। वायर बॉन्डिंग के विपरीत, I/Os चिप की परिधि तक सीमित नहीं हैं। एरिया ऐरे सिग्नल, पावर आदि के लिए छोटी जगह में अधिक इंटरकनेक्ट को समायोजित कर सकता है। विशिष्ट फ्लिप-चिप पैड 400 तक पहुंच सकते हैं।

(सी) प्रदर्शन में वृद्धि: छोटी इंटरकनेक्ट दूरी प्रेरण, प्रतिरोध और कैपेसिटेंस को कम करती है, जिससे सिग्नल विलंब कम हो जाता है, अच्छा उच्च आवृत्ति प्रदर्शन और चिप के पीछे से बेहतर थर्मल पथ सुनिश्चित होता है।

(डी) बेहतर विश्वसनीयता: बड़े चिप्स के लिए एपॉक्सी फिल उच्च विश्वसनीयता सुनिश्चित करता है। फ्लिप-चिप्स इंटरकनेक्ट पिन संख्या को दो-तिहाई तक कम कर सकते हैं।

(ई) बढ़ी हुई गर्मी अपव्यय: एनकैप्सुलेशन के बिना फ्लिप-चिप्स चिप के पिछले हिस्से को प्रभावी ढंग से ठंडा करने की अनुमति देते हैं।

(एफ) कम लागत: बड़े पैमाने पर उत्पादित बम्प्स लागत को कम करते हैं।

नुकसान:

(ए) नंगे चिप्स का परीक्षण करना कठिन है।

(बी) बम्प्ड चिप्स की सीमित अनुकूलन क्षमता।

(सी) पीसीबी तकनीक को चुनौतियों का सामना करना पड़ता है क्योंकि अंतर कम हो जाता है और पिन गिनती बढ़ जाती है।

(डी) अदृश्य सोल्डर जोड़ों का पता लगाने के लिए एक्स-रे निरीक्षण उपकरण आवश्यक है।

(ई) एसएमटी प्रक्रियाओं के साथ खराब अनुकूलता।

(एफ) नंगे पासे को संभालने में कठिनाई।

(जी) उच्च असेंबली परिशुद्धता की आवश्यकता है।

(ज) बॉटम फिलिंग के वर्तमान उपयोग के लिए एक निश्चित इलाज समय की आवश्यकता होती है।

(i) कुछ सब्सट्रेट्स की विश्वसनीयता कम होती है।

(जे) मरम्मत कठिन या असंभव है।

यह फ्लिप-चिप प्रौद्योगिकी के परिचय का समापन करता है।

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