Segala-galanya tentang Teknologi Flip Chip

Laman Utama Kolumnis Asas Elektronik Segala-galanya tentang Teknologi Flip Chip

2024-03-21 2843

Pengenalan kepada Teknologi Pembungkusan Semikonduktor

Mereka yang terlibat dalam industri semikonduktor, terutamanya dalam pembungkusan semikonduktor, sudah pasti biasa dengan beberapa proses pembungkusan, iaitu ikatan cip, ikatan wayar, dan ikatan cip flip.

Antaranya, ikatan wayar dan ikatan cip flip adalah yang paling biasa. Teknologi Tape Automated Bonding (TAB) secara beransur-ansur dihentikan dalam pembungkusan kerana batasannya.

Teknologi ikatan cip terbalik melibatkan komponen yang saling bersambung dengan mengikat secara terus bonggol pada cip ke bawah pada substrat, pembawa atau papan litar. Sebaliknya, ikatan wayar menghubungkan cip dengan papan litar dengan meletakkan bahagian hadapan cip menghadap ke atas dan menggunakan wayar (biasanya wayar emas).

Ikatan wayar, Ikatan Automatik Pita, dan ikatan cip flip masing-masing mempunyai ciri tersendiri. Antaranya, ikatan cip flip menjadi semakin popular dalam industri pembungkusan kerana strukturnya yang padat dan kebolehpercayaan yang tinggi.

Apakah itu Teknologi Flip Chip?

Teknologi cip flip berasal dari IBM, yang membangunkan proses mencipta bonggol pada cip untuk pematerian cip flip pada tahun 1960. Proses itu melibatkan mengelilingi bonggol dengan 95Pb5Sn membungkus bonggol NiAu bersalut elektrik. Kemudian, bonggol PbSn telah digunakan, menggunakan teknologi Controlled Collapse Component Connection (C4), yang pada mulanya dibangunkan untuk komputer kerangka utama mereka yang besar sebagai teknik pembungkusan yang sangat boleh dipercayai. Cip C4 mempamerkan sifat elektrik dan haba yang sangat baik, dengan hayat keletihan pembungkusan bertambah baik sekurang-kurangnya sepuluh kali ganda.

Berikutan kejayaan penerapan teknologi C4 oleh IBM, kemajuan teknologi seterusnya membawa beberapa syarikat semikonduktor untuk mengoptimumkan dan menaik taraf teknologi C4. Ini termasuk Fairchild membangunkan Al bumps dan Amelco memperkenalkan teknologi Au bump.

Teknologi pembungkusan semikonduktor telah berkembang daripada Pakej Quad Flat (QFP) kepada pembungkusan Ball Grid Array (BGA) dan kepada pembungkusan Chip Scale Package (CSP) terkini.

Rajah di bawah memaparkan peranti yang dibungkus menggunakan QFP tradisional, BGA dan teknologi lain.

Dengan pengurangan beransur-ansur dalam saiz cip semikonduktor, permintaan untuk teknologi pembungkusan cip semakin meningkat, mendorong teknologi pembungkusan ke arah pembangunan tahap wafer dan pembungkusan.

Apabila membungkus cip tradisional, proses biasa melibatkan memotong wafer ke dalam dadu individu, diikuti dengan membungkus setiap dadu secara berasingan. Dengan kematangan teknologi pembungkusan, dalam pembungkusan semikonduktor terkini, terdapat trend ke arah menyepadukan proses pembungkusan dengan proses semikonduktor. Ini melibatkan cip membungkus secara seragam pada wafer sebelum memotongnya untuk menghasilkan cip bebas dengan kebolehpercayaan yang lebih tinggi.

Dengan aplikasi matang teknologi cip flip, penggunaan global komponen cip flip kini melebihi 600,000 unit setahun, berkembang pada kadar kira-kira 50%. 3% daripada pembungkusan wafer digunakan untuk teknologi flip chip bumping, dengan jangkaan melebihi 20% dalam beberapa tahun.

Komponen cip flip digunakan terutamanya dalam peranti semikonduktor. Sesetengah komponen, seperti penapis pasif, antena penderiaan, dan modul memori, juga mula menggunakan teknologi cip flip. Oleh kerana cip disambungkan terus ke substrat dan pembawa melalui bonggol, komponen cip flip lebih tepat dikenali sebagai

Lampiran Cip Langsung (DCA). Dalam rajah di bawah, produk elektronik seperti CPU dan modul memori ialah peranti paling biasa yang menggunakan teknologi cip flip.

Rajah menunjukkan sambungan antara cip memori dan papan litar dalam modul memori menggunakan teknologi cip flip, dengan cip diikat pada papan litar menggunakan pelekat underfill.

Dalam pembungkusan cip flip biasa, cip disambungkan kepada pembawa cip melalui bonggol pateri tebal 3 hingga 5 mil (1 juta = 25 mikrometer), dengan bahan isian bawah di bahagian bawah digunakan untuk melindungi bonggol pateri. Rajah di bawah menggambarkan sambungan cip flip biasa, di mana cip disambungkan ke substrat di bawah menggunakan teknologi cip flip.

Dalam proses penyambungan cip flip dalam cip semikonduktor, terdapat banyak langkah pra dan pasca pemprosesan. Butiran berikut menghuraikan proses teknologi cip flip:

Langkah Satu: Under Bump Metallization (UBM)

Langkah pertama dalam penyambungan cip flip adalah untuk mencipta metalisasi bawah bump (UBM) pada permukaan cip. Intipati sambungan cip flip terletak pada sambungan antara bonggol pada cip dan bonggol (pad) pada substrat. Terdapat beberapa cara untuk logam permukaan semikonduktor:

(a) Sputtering: Filem nipis didepositkan lapisan demi lapisan pada wafer silikon menggunakan sputtering, diikuti dengan mencorak susun atur UBM melalui fotolitografi dan mengecat bahagian yang tidak bercorak.

(b) Penyejatan: Dengan menggunakan topeng, lapisan dimendapkan pada wafer silikon menggunakan penyejatan. Pemendapan terpilih ini menggunakan topeng yang sepadan dengan pembentukan benjolan.

(c) Penyaduran tanpa elektro: Nikel disadur secara terpilih pada pad pateri Al menggunakan kaedah penyaduran tanpa elektro. Permukaan Al sering dirawat dengan proses garam zink. Kaedah ini tidak memerlukan peralatan vakum atau litografi, menyebabkan kos yang lebih rendah. Rajah di bawah menggambarkan proses pemekatan bawah bonggol (UBM) pada cip semikonduktor.

Disebabkan kehadiran lapisan oksida pada permukaan pad pateri aluminium, penyaduran logam tidak boleh melekat pada permukaan teroksida. Oleh itu, adalah perlu untuk merawat permukaan aluminium dengan sewajarnya untuk mengeluarkan lapisan oksida.

Kaedah biasa melibatkan penggunaan zink pada pad pateri aluminium, di mana lapisan zink dimendapkan pada permukaan aluminium untuk mengelakkan pengoksidaan. Satu kelemahan proses galvanizing ialah aluminium juga boleh terhakis oleh larutan penyaduran. Oleh itu, proses galvanizing sekunder diperlukan, di mana kira-kira 0.3-0.4mm aluminium akan terhakis. Dalam proses galvanizing, mendapan zink pada permukaan aluminium, manakala pada masa yang sama lapisan aluminium dan aluminium oksida terhakis. Lapisan zink nipis melindungi aluminium daripada pengoksidaan selanjutnya.

Berikutan proses galvanizing, penyaduran nikel kimia selanjutnya digunakan untuk pemendapan UBM, dengan nikel logam berfungsi sebagai penghalang terhadap penyebaran/sambungan. Nikel mempunyai kadar resapan yang sangat rendah dan hampir tiada tindak balas dengan pateri, menjadikannya ideal sebagai logam UBM untuk pateri eutektik. Penyaduran nikel kimia boleh digunakan untuk kedua-dua pemendapan logam UBM dan pembentukan benjolan. Penyaduran emas boleh digunakan pada beberapa lebam cip flip, meningkatkan kebolehpercayaan disebabkan oleh kekonduksian emas yang baik dan ketahanan terhadap pengoksidaan.

Langkah Kedua: Aliran Semula ke Bentuk Benjolan

Terdapat pelbagai kaedah untuk membentuk benjolan pateri, termasuk penyejatan, penyaduran elektrik, pencetakan, hentakan stud, jatuhan bola, dan pemindahan pateri, dengan penyaduran dan pencetakan digunakan secara meluas.

Selepas menggetalkan bonggol pada permukaan semikonduktor, ketuhar aliran semula digunakan untuk membentuk bonggol cip flip.

Proses umum pengaliran semula untuk membentuk bonggol digambarkan dalam rajah di bawah.

Proses khusus membentuk benjolan pateri melalui penyaduran elektrik digambarkan dalam rajah berikut:

Bahan yang biasa digunakan untuk benjolan ialah aloi Pb/Sn, kerana ia mempamerkan ciri pematerian aliran semula yang baik dan sesuai untuk pengeluaran perindustrian.

Sebagai tambahan kepada aloi Pb/Sn yang biasa digunakan, bahan benjolan lain seperti aloi Au/Ni juga digunakan. Untuk memastikan sambungan yang boleh dipercayai, Under Bump

Metallization (UBM) mestilah serasi dengan aloi yang digunakan untuk bonggol. UBM yang sesuai untuk kandungan plumbum tinggi mungkin tidak semestinya sesuai untuk pateri tin tinggi. Sebagai contoh, lapisan pembasahan Cu sesuai untuk pateri plumbum tinggi yang mengandungi timah 3-5%, tetapi ia tidak sesuai untuk pateri tin tinggi, kerana Cu bertindak balas dengan pantas dengan Sn untuk membentuk sebatian antara logam Sn-Cu. Jika Cu digunakan sepenuhnya, pateri tidak akan membasahi kawasan pateri.

Rajah di bawah menggambarkan sambungan cip flip dengan bahan bonggol yang berbeza.

Penampilan benjolan yang terbentuk pada permukaan cip seperti yang diperhatikan di bawah mikroskop elektron pengimbasan ditunjukkan dalam rajah di bawah:

Imej kiri dalam rajah menunjukkan status bonggol sebelum aliran semula (suhu tinggi), manakala imej kanan menggambarkan status bonggol selepas terdedah kepada suhu tinggi, di mana bonggol cair dan membentuk bentuk sfera.

Penyaduran kimia UBM dan proses pencetakan stensil adalah kaedah kos rendah untuk penyediaan benjolan dalam aplikasi industri.

Berikut ialah aliran proses untuk cetakan stensil benjolan dan rupa benjolan selepas siap.

Langkah 3: Pemasangan Cip Balik

Proses ini melibatkan penyambungan cip dengan bonggol siap ke substrat pembawa melalui ikatan cip flip.

Kaedah yang paling biasa untuk menyambungkan cip kepada pembawa ialah teknik ikatan termokompresi, dengan emas sebagai bahan benjolan yang paling sesuai.

Bonggol boleh dijana menggunakan kaedah penyaduran elektrik tradisional atau dengan menggunakan bumping stud, teknik yang biasa digunakan dalam teknologi ikatan wayar.

Untuk ikatan termomampatan, proses ini hanya sesuai untuk substrat tegar seperti alumina atau silikon, kerana ia memerlukan tekanan dan suhu tinggi.

Di samping itu, substrat mesti mengekalkan planariti yang tinggi, dan kepala termomampatan mesti mempamerkan ketepatan penjajaran selari yang tinggi. Untuk mengelakkan kerosakan yang tidak perlu pada bahan semikonduktor, kecerunan tekanan tertentu harus digunakan semasa proses.

Langkah 4: Pengisian dan Pengawetan

Selepas ikatan cip flip, sambungan antara cip dan substrat diwujudkan. Untuk meningkatkan kestabilan pemasangan cip flip, pelekat underfill digunakan di antara cip dan substrat. Proses pengisian bawah digambarkan dalam rajah di bawah:

Bahan pengisian bawah antara cip dan substrat dengan ketara meningkatkan ketahanan terhadap kelesuan haba, yang sebaliknya akan menjadi isu kebolehpercayaan utama untuk teknologi cip flip jika tiada pengisian bawah.

(a) Bahan pengisi bawah menyebarkan tegasan pekat kepada bahan pengkapsulan cip.

(b) Ia boleh menghalang rayapan pateri dan meningkatkan kekuatan dan ketegaran sambungan cip selak.

(d) Ia membolehkan cip untuk menahan getaran mekanikal dan kejutan.

Ringkasnya, kebolehpercayaan sambungan cip flip dipengaruhi oleh ketidakpadanan pekali pengembangan haba (CTE) antara substrat dan cip, serta ketinggian sambungan pateri dan jarak maksimum di antara mereka. Keretakan di kawasan sambungan biasanya berlaku semasa bertenang daripada suhu sambungan.

Oleh kerana takat lebur emas yang tinggi, ia kurang sensitif terhadap kerosakan keletihan berbanding dengan pateri. Oleh itu, selagi tekanan semasa kitaran haba tidak melebihi kekuatan sambungan antara bonggol dan pad pateri, kebolehpercayaan tidak seharusnya menjadi isu penting.

Bahan pengisian bawah antara cip dan substrat dengan ketara meningkatkan ketahanan sambungan kepada kelesuan haba, dan tanpanya, kelesuan terma akan menjadi isu kebolehpercayaan utama untuk teknologi cip flip.

Pemasangan cip flip amat sesuai untuk aplikasi frekuensi tinggi kerana laluan sambungan antara cip dan substrat adalah sangat pendek. Impedans siri sambungan pateri cip flip adalah kira-kira 1mW, dan kearuhan siri ialah 0.025nH, jauh lebih rendah daripada ikatan wayar 5-10nH.

Oleh kerana kelebihan pemasangan cip flip inilah kelewatan penghantaran isyarat dapat dikurangkan dengan ketara.

Kelebihan dan Kelemahan Teknologi Flip-Chip:

Kelebihan:

(a) Saiz kecil: Susun atur pin IC kecil (hanya 5% daripada pakej rata) mengurangkan ketinggian dan berat.

(b) Peningkatan fungsi: Menggunakan teknologi cip selak boleh meningkatkan bilangan I/O. Tidak seperti ikatan wayar, I/O tidak terhad kepada pinggiran cip. Tatasusunan kawasan boleh menampung lebih banyak sambungan dalam ruang yang lebih kecil untuk isyarat, kuasa dan sebagainya. Pad cip flip biasa boleh mencapai 400.

(c) Peningkatan prestasi: Jarak sambung pendek mengurangkan kearuhan, rintangan dan kemuatan, memastikan kelewatan isyarat berkurangan, prestasi frekuensi tinggi yang baik dan laluan terma yang lebih baik dari belakang cip.

(d) Kebolehpercayaan yang lebih baik: Isi epoksi untuk cip besar memastikan kebolehpercayaan yang tinggi. Cip flip boleh mengurangkan kiraan pin antara sambungan sebanyak dua pertiga.

(e) Pelesapan haba yang dipertingkatkan: Cip-flip tanpa enkapsulasi membenarkan penyejukan yang berkesan pada bahagian belakang cip.

(f) Kos rendah: Bonggol yang dihasilkan secara besar-besaran mengurangkan kos.

Kelemahan:

(a) Cip kosong sukar diuji.

(b) Kebolehsuaian terhad bagi cip yang terhantuk.

(d) Peralatan pemeriksaan sinar-X adalah perlu untuk mengesan sambungan pateri yang tidak kelihatan.

(e) Keserasian yang lemah dengan proses SMT.

(f) Sukar mengendalikan acuan kosong.

(g) Memerlukan ketepatan pemasangan yang tinggi.

(h) Penggunaan semasa pengisian bawah memerlukan masa pengawetan tertentu.

(i) Sesetengah substrat mempunyai kebolehpercayaan yang rendah.

(j) Pembaikan adalah sukar atau mustahil.

Ini menyimpulkan pengenalan kepada teknologi cip flip.

sebelum

Segala-galanya tentang transistor simpang bipolar (BJT)

Seterusnya

Lima jenis sensor biasa dalam bidang automasi industri