Segala sesuatu tentang Teknologi Flip Chip

Beranda Kolumnis Dasar-dasar Elektronika Segala sesuatu tentang Teknologi Flip Chip

2024-03-21 2843

Pengantar Teknologi Pengemasan Semikonduktor

Mereka yang berkecimpung dalam industri semikonduktor khususnya dalam pengemasan semikonduktor pasti sudah familiar dengan beberapa proses pengemasan yaitu chip bonding, wire bonding, dan flip chip bonding.

Diantaranya, pengikatan kawat dan pengikatan chip flip adalah yang paling umum. Teknologi Tape Automated Bonding (TAB) secara bertahap mulai dihapuskan dari kemasan karena keterbatasannya.

Teknologi pengikatan chip flip melibatkan interkoneksi komponen dengan mengikat langsung tonjolan pada chip ke bawah ke substrat, pembawa, atau papan sirkuit. Sebaliknya, wire bonding menghubungkan chip dengan papan sirkuit dengan menempatkan sisi depan chip menghadap ke atas dan menggunakan kabel (biasanya kabel emas).

Ikatan kawat, Ikatan Otomatis Pita, dan ikatan chip flip masing-masing memiliki karakteristiknya masing-masing. Diantaranya, pengikatan flip chip menjadi semakin populer di industri pengemasan karena strukturnya yang kompak dan keandalan yang tinggi.

Apa itu Teknologi Flip Chip?

Teknologi chip flip berasal dari IBM, yang mengembangkan proses pembuatan tonjolan pada chip untuk penyolderan chip flip pada tahun 1960. Proses tersebut melibatkan mengelilingi tonjolan tersebut dengan 95Pb5Sn yang membungkus tonjolan NiAu yang dilapisi listrik. Kemudian, benjolan PbSn digunakan, menggunakan teknologi Controlled Collapse Component Connection (C4), yang awalnya dikembangkan untuk komputer mainframe besar sebagai teknik pengemasan yang sangat andal. Chip C4 menunjukkan sifat listrik dan termal yang sangat baik, dengan umur kelelahan kemasan yang ditingkatkan setidaknya sepuluh kali lipat.

Menyusul keberhasilan penerapan teknologi C4 oleh IBM, kemajuan teknologi selanjutnya menyebabkan beberapa perusahaan semikonduktor mengoptimalkan dan meningkatkan teknologi C4. Ini termasuk Fairchild yang mengembangkan Al bumps dan Amelco memperkenalkan teknologi Au bump.

Teknologi pengemasan semikonduktor telah berkembang dari pengemasan Quad Flat Package (QFP) menjadi pengemasan Ball Grid Array (BGA) dan hingga pengemasan terbaru Chip Scale Package (CSP).

Diagram di bawah menampilkan perangkat yang dikemas menggunakan QFP tradisional, BGA, dan teknologi lainnya.

Dengan berkurangnya ukuran chip semikonduktor secara bertahap, permintaan akan teknologi pengemasan chip semakin meningkat, mendorong teknologi pengemasan menuju tingkat wafer dan pengembangan pengemasan.

Saat mengemas keripik tradisional, proses yang biasa dilakukan adalah memotong wafer menjadi cetakan individual, diikuti dengan mengemas setiap cetakan secara terpisah. Dengan semakin matangnya teknologi pengemasan, pada kemasan semikonduktor terkini terdapat kecenderungan untuk mengintegrasikan proses pengemasan dengan proses semikonduktor. Hal ini melibatkan pengemasan chip secara seragam pada wafer sebelum dipotong dadu untuk membuat chip independen dengan keandalan lebih tinggi.

Dengan semakin matangnya penerapan teknologi flip chip, konsumsi global komponen flip chip saat ini melebihi 600,000 unit per tahun, dengan laju pertumbuhan sekitar 50%. 3% kemasan wafer digunakan untuk teknologi flip chip bumping, dengan perkiraan akan melebihi 20% dalam beberapa tahun.

Komponen flip chip terutama digunakan pada perangkat semikonduktor. Beberapa komponen seperti filter pasif, antena penginderaan, dan modul memori juga mulai mengadopsi teknologi flip chip. Karena chip terhubung langsung ke substrat dan pembawa melalui tonjolan, komponen chip flip lebih dikenal sebagai

Pemasangan Chip Langsung (DCA). Pada diagram di bawah, produk elektronik seperti CPU dan modul memori adalah perangkat paling umum yang menerapkan teknologi flip chip.

Diagram menunjukkan sambungan antara chip memori dan papan sirkuit dalam modul memori menggunakan teknologi flip chip, dengan chip diamankan ke papan sirkuit menggunakan perekat underfill.

Dalam kemasan chip flip yang khas, chip dihubungkan ke pembawa chip melalui tonjolan solder setebal 3 hingga 5 mil (1 mil = 25 mikrometer), dengan bahan pengisi di bagian bawah yang digunakan untuk melindungi tonjolan solder. Diagram di bawah mengilustrasikan interkoneksi chip flip pada umumnya, di mana chip dihubungkan ke substrat di bawahnya menggunakan teknologi flip chip.

Dalam proses interkoneksi flip chip pada chip semikonduktor, terdapat banyak langkah pra dan pasca pemrosesan. Rincian berikut menguraikan proses teknologi flip chip:

Langkah Pertama: Under Bump Metallization (UBM)

Langkah pertama dalam interkoneksi flip chip adalah membuat under bump metallization (UBM) pada permukaan chip. Inti dari sambungan flip chip terletak pada sambungan antara tonjolan pada chip dengan tonjolan (bantalan) pada substrat. Ada beberapa cara untuk membuat permukaan semikonduktor menjadi logam:

(a) Sputtering: Film tipis diendapkan lapis demi lapis pada wafer silikon menggunakan sputtering, diikuti dengan membuat pola tata letak UBM melalui fotolitografi dan mengetsa bagian yang tidak berpola.

(b) Penguapan: Dengan menggunakan masker, lapisan diendapkan pada wafer silikon menggunakan penguapan. Pengendapan selektif ini menggunakan masker yang sesuai dengan pembentukan benjolan.

(c) Pelapisan tanpa listrik: Nikel disepuh secara selektif pada bantalan solder Al menggunakan metode pelapisan tanpa listrik. Permukaan Al sering diolah dengan proses garam seng. Metode ini tidak memerlukan peralatan vakum atau litografi, sehingga biayanya lebih rendah. Diagram di bawah menggambarkan proses under bump metallization (UBM) pada chip semikonduktor.

Karena adanya lapisan oksida pada permukaan bantalan solder aluminium, pelapisan logam tidak dapat menempel pada permukaan yang teroksidasi. Oleh karena itu, permukaan aluminium perlu dirawat dengan tepat untuk menghilangkan lapisan oksida.

Metode umum melibatkan penggunaan seng pada bantalan solder aluminium, di mana lapisan seng diendapkan pada permukaan aluminium untuk mencegah oksidasi. Salah satu kelemahan proses galvanisasi adalah aluminium juga dapat terkorosi oleh larutan pelapisan. Oleh karena itu, diperlukan proses galvanisasi sekunder, yang mana sekitar 0.3-0.4 mm aluminium akan terkorosi. Pada proses galvanisasi, endapan seng pada permukaan aluminium, sekaligus lapisan aluminium dan aluminium oksida terkorosi. Lapisan seng tipis melindungi aluminium dari oksidasi lebih lanjut.

Setelah proses galvanisasi, pelapisan nikel kimia selanjutnya digunakan untuk pengendapan UBM, dengan nikel metalik berfungsi sebagai penghalang terhadap difusi/koneksi. Nikel memiliki laju difusi yang sangat rendah dan hampir tidak bereaksi dengan solder, sehingga ideal sebagai logam UBM untuk solder eutektik. Pelapisan nikel kimia dapat digunakan untuk deposisi logam UBM dan pembentukan benjolan. Pelapisan emas dapat diterapkan pada beberapa tonjolan chip flip, meningkatkan keandalan karena konduktivitas emas yang baik dan ketahanan terhadap oksidasi.

Langkah Kedua: Reflow untuk Membentuk Benjolan

Ada berbagai metode untuk membentuk tonjolan solder, termasuk penguapan, pelapisan listrik, pencetakan, benturan tiang, jatuhan bola, dan transfer solder, dengan pelapisan listrik dan pencetakan banyak digunakan.

Setelah membuat tonjolan pada permukaan semikonduktor menjadi logam, oven reflow digunakan untuk membentuk tonjolan chip flip.

Proses umum reflow hingga membentuk benjolan diilustrasikan pada diagram di bawah.

Proses spesifik pembentukan tonjolan solder melalui pelapisan listrik diilustrasikan dalam diagram berikut:

Bahan yang umum digunakan untuk benjolan adalah paduan Pb/Sn, karena memiliki karakteristik penyolderan reflow yang baik dan cocok untuk produksi industri.

Selain paduan Pb/Sn yang umum digunakan, material benturan lainnya seperti paduan Au/Ni juga digunakan. Untuk memastikan interkoneksi yang andal, Under Bump

Metalisasi (UBM) harus kompatibel dengan paduan yang digunakan untuk benjolan. UBM yang cocok untuk kandungan timbal tinggi belum tentu cocok untuk solder dengan kadar timah tinggi. Misalnya, lapisan pembasah Cu cocok untuk solder timbal tinggi yang mengandung 3-5% timah, namun tidak cocok untuk solder dengan timah tinggi, karena Cu bereaksi cepat dengan Sn membentuk senyawa intermetalik Sn-Cu. Jika Cu habis dikonsumsi, solder tidak akan membasahi area solder.

Diagram di bawah mengilustrasikan sambungan flip chip dengan bahan bump yang berbeda.

Penampakan benjolan-benjolan yang terbentuk pada permukaan chip yang diamati di bawah mikroskop elektron pemindaian ditunjukkan pada diagram di bawah ini:

Gambar kiri pada diagram menunjukkan status benjolan sebelum reflow (suhu tinggi), sedangkan gambar kanan menggambarkan status benjolan setelah terkena suhu tinggi, dimana benjolan meleleh dan membentuk bentuk bola.

Proses pelapisan kimia UBM dan pencetakan stensil adalah metode berbiaya rendah untuk persiapan benjolan dalam aplikasi industri.

Berikut alur proses pencetakan stensil benjolan dan penampakan benjolan setelah selesai.

Langkah 3: Perakitan Flip Chip

Proses ini melibatkan interkoneksi chip dengan tonjolan yang telah selesai ke substrat pembawa melalui ikatan flip chip.

Metode yang paling umum untuk menghubungkan chip ke pembawa adalah teknik ikatan termokompresi, dengan emas sebagai bahan benturan yang paling cocok.

Benjolan dapat dihasilkan dengan menggunakan metode pelapisan listrik tradisional atau dengan menggunakan stud bumping, suatu teknik yang biasa digunakan dalam teknologi pengikatan kawat.

Untuk ikatan termokompresi, proses ini hanya cocok untuk substrat kaku seperti alumina atau silikon, karena memerlukan tekanan dan suhu tinggi.

Selain itu, media harus mempertahankan planaritas yang tinggi, dan kepala termokompresi harus menunjukkan akurasi penyelarasan paralel yang tinggi. Untuk menghindari kerusakan yang tidak perlu pada bahan semikonduktor, gradien tekanan tertentu harus diterapkan selama proses berlangsung.

Langkah 4: Isi Kurang dan Penyembuhan

Setelah pengikatan chip flip, koneksi antara chip dan media dibuat. Untuk meningkatkan stabilitas rakitan chip flip, perekat underfill diterapkan antara chip dan substrat. Proses underfill diilustrasikan pada diagram di bawah ini:

Bahan pengisi bagian bawah antara chip dan substrat secara signifikan meningkatkan ketahanan terhadap kelelahan termal, yang sebaliknya akan menjadi masalah keandalan utama teknologi flip-chip jika tidak ada pengisian bagian bawah.

(a) Bahan pengisi bagian bawah menyebarkan tegangan terkonsentrasi ke bahan enkapsulasi chip.

(b) Dapat mencegah creep solder dan meningkatkan kekuatan dan kekakuan sambungan flip-chip.

(d) Memungkinkan chip menahan getaran dan guncangan mekanis.

Singkatnya, keandalan koneksi flip-chip dipengaruhi oleh ketidaksesuaian koefisien ekspansi termal (CTE) antara substrat dan chip, serta ketinggian sambungan solder dan jarak maksimum di antara keduanya. Retakan pada area sambungan biasanya terjadi selama cooldown dari suhu sambungan.

Karena titik leleh emas yang tinggi, emas kurang sensitif terhadap kerusakan akibat kelelahan dibandingkan dengan solder. Oleh karena itu, selama tegangan selama siklus termal tidak melebihi kekuatan sambungan antara tonjolan dan bantalan solder, keandalan tidak akan menjadi masalah yang signifikan.

Bahan pengisi bawah antara chip dan substrat secara signifikan meningkatkan ketahanan sambungan terhadap kelelahan termal, dan tanpanya, kelelahan termal akan menjadi masalah keandalan utama teknologi flip-chip.

Rakitan flip-chip sangat cocok untuk aplikasi frekuensi tinggi karena jalur koneksi antara chip dan media sangat pendek. Impedansi seri sambungan solder flip-chip adalah sekitar 1mW, dan induktansi seri adalah 0.025nH, jauh lebih rendah daripada ikatan kawat 5-10nH.

Justru berkat keunggulan perakitan flip-chip inilah penundaan transmisi sinyal dapat dikurangi secara signifikan.

Kelebihan dan Kekurangan Teknologi Flip-Chip:

Keuntungan:

(a) Ukuran kecil: Tata letak pin IC yang kecil (hanya 5% dari paket datar) mengurangi tinggi dan berat.

(b) Peningkatan fungsi: Penggunaan teknologi flip-chip dapat meningkatkan jumlah I/O. Tidak seperti ikatan kawat, I/O tidak terbatas pada pinggiran chip. Area array dapat menampung lebih banyak interkoneksi dalam ruang yang lebih kecil untuk sinyal, daya, dan sebagainya. Bantalan flip-chip biasanya bisa mencapai 400.

(c) Peningkatan kinerja: Jarak interkoneksi yang pendek mengurangi induktansi, resistansi, dan kapasitansi, memastikan pengurangan penundaan sinyal, kinerja frekuensi tinggi yang baik, dan jalur termal yang lebih baik dari bagian belakang chip.

(d) Peningkatan keandalan: Pengisian epoksi untuk chip besar memastikan keandalan yang tinggi. Flip-chip dapat mengurangi jumlah pin interkoneksi hingga dua pertiganya.

(e) Peningkatan pembuangan panas: Flip-chip tanpa enkapsulasi memungkinkan pendinginan bagian belakang chip secara efektif.

(f) Biaya rendah: Produksi massal mengurangi biaya.

kekurangan:

(a) Chip telanjang sulit untuk diuji.

(b) Terbatasnya kemampuan adaptasi chip yang terbentur.

(d) Peralatan pemeriksaan sinar-X diperlukan untuk mendeteksi sambungan solder yang tidak terlihat.

(e) Kompatibilitas yang buruk dengan proses SMT.

(f) Sulitnya menangani cetakan kosong.

(g) Membutuhkan ketelitian perakitan yang tinggi.

(h) Penggunaan pengisian bagian bawah saat ini memerlukan waktu pengawetan tertentu.

(i) Beberapa media memiliki keandalan yang rendah.

(j) Perbaikan sulit atau tidak mungkin dilakukan.

Ini mengakhiri pengenalan teknologi flip-chip.

sebelumnya

Segala sesuatu tentang transistor sambungan bipolar (BJT)

Selanjutnya

Lima jenis sensor umum di bidang otomasi industri