Alles over Flip Chip-technologie

Home columnist Basisbeginselen van elektronica Alles over Flip Chip-technologie

2024-03-21 2843

Inleiding tot halfgeleiderverpakkingstechnologie

Degenen die betrokken zijn bij de halfgeleiderindustrie, vooral bij halfgeleiderverpakkingen, zijn onvermijdelijk bekend met verschillende verpakkingsprocessen, namelijk chip-bonding, wire-bonding en flip-chip bonding.

Hiervan zijn wire bonding en flip chip bonding de meest voorkomende. Tape Automated Bonding (TAB)-technologie wordt vanwege de beperkingen ervan geleidelijk uitgefaseerd in verpakkingen.

Flip-chip-bondingtechnologie omvat het onderling verbinden van componenten door de bobbels op de chip direct naar beneden te verbinden op een substraat, drager of printplaat. Wire bonding verbindt daarentegen de chip met de printplaat door de voorkant van de chip naar boven te plaatsen en draden te gebruiken (meestal gouden draden).

Wire bonding, Tape Automated Bonding en flip-chip bonding hebben elk hun eigen kenmerken. Onder hen wordt flip-chip bonding steeds populairder in de verpakkingsindustrie vanwege de compacte structuur en hoge betrouwbaarheid.

Wat is Flip Chip-technologie?

Flip-chiptechnologie is afkomstig van IBM, dat in 1960 het proces ontwikkelde voor het creëren van hobbels op chips voor het solderen van flip-chips. Het proces omvatte het omringen van de hobbels met 95Pb5Sn die gegalvaniseerde NiAu-hobbels omhulden. Later werden PbSn-hobbels gebruikt, waarbij gebruik werd gemaakt van Controlled Collapse Component Connection (C4) -technologie, aanvankelijk ontwikkeld voor hun grote mainframecomputers als een zeer betrouwbare verpakkingstechniek. C4-chips vertonen uitstekende elektrische en thermische eigenschappen, waarbij de levensduur tegen vermoeidheid van de verpakking minstens tien keer is verbeterd.

Na de succesvolle toepassing van de C4-technologie door IBM, brachten de daaropvolgende technologische ontwikkelingen sommige halfgeleiderbedrijven ertoe de C4-technologie te optimaliseren en te upgraden. Dit omvat Fairchild die Al bumps ontwikkelt en Amelco die Au bump-technologie introduceert.

De halfgeleiderverpakkingstechnologie is geëvolueerd van Quad Flat Package (QFP) naar Ball Grid Array (BGA)-verpakking en naar de nieuwste Chip Scale Package (CSP)-verpakking.

In het onderstaande diagram worden apparaten weergegeven die zijn verpakt met traditionele QFP-, BGA- en andere technologieën.

Met de geleidelijke verkleining van de omvang van halfgeleiderchips neemt de vraag naar chipverpakkingstechnologie toe, waardoor de verpakkingstechnologie richting wafer-niveau en verpakkingsontwikkeling wordt geduwd.

Bij het verpakken van traditionele chips bestaat het gebruikelijke proces uit het in blokjes snijden van de wafel in individuele matrijzen, gevolgd door het afzonderlijk verpakken van elke matrijs. Met de rijping van de verpakkingstechnologie, in de nieuwste halfgeleiderverpakkingen, is er een trend naar het integreren van verpakkingsprocessen met halfgeleiderprocessen. Dit houdt in dat chips uniform op wafers worden verpakt voordat ze in blokjes worden gesneden om onafhankelijke chips met een hogere betrouwbaarheid te creëren.

Met de volwassen toepassing van flip-chiptechnologie overschrijdt het wereldwijde verbruik van flip-chipcomponenten momenteel de 600,000 eenheden per jaar, en groeit met een snelheid van ongeveer 50%. 3% van de waferverpakkingen wordt gebruikt voor flip-chip-bumptechnologie, en de verwachting is dat dit percentage binnen enkele jaren de 20% zal overschrijden.

Flip-chipcomponenten worden voornamelijk gebruikt in halfgeleiderapparaten. Sommige componenten, zoals passieve filters, detectieantennes en geheugenmodules, beginnen ook flip-chiptechnologie toe te passen. Omdat chips via hobbels rechtstreeks met substraten en dragers zijn verbonden, worden flip-chipcomponenten nauwkeuriger genoemd

Directe chipbevestiging (DCA). In het onderstaande diagram zijn elektronische producten zoals CPU's en geheugenmodules de meest voorkomende apparaten die flip-chiptechnologie toepassen.

Het diagram toont de verbinding tussen de geheugenchip en de printplaat in een geheugenmodule die gebruikmaakt van flip-chiptechnologie, waarbij de chip met underfill-lijm aan de printplaat is bevestigd.

In typische flip-chipverpakkingen wordt de chip met de chipdrager verbonden via 3 tot 5 mils (1 mil = 25 micrometer) dikke soldeerhobbels, met ondervulmateriaal aan de onderkant dat wordt gebruikt om de soldeerhobbels te beschermen. Het onderstaande diagram illustreert een typische flip-chip-interconnectie, waarbij de chip met behulp van flip-chip-technologie met het onderliggende substraat is verbonden.

Bij het proces van flip-chip-interconnectie in halfgeleiderchips zijn er veel voor- en nabewerkingsstappen. De volgende details gaan dieper in op het flip-chiptechnologieproces:

Stap één: Under Bump Metallization (UBM)

De eerste stap bij de onderlinge verbinding van flip-chips is het creëren van under bump metallisatie (UBM) op het chipoppervlak. De essentie van flip-chipverbinding ligt in de verbinding tussen de bobbels op de chip en de bobbels (pads) op het substraat. Er zijn verschillende manieren om het halfgeleideroppervlak te metalliseren:

(a) Sputteren: Dunne films worden laag voor laag op de siliciumwafel afgezet met behulp van sputteren, gevolgd door het patroon aanbrengen van de UBM-lay-out door middel van fotolithografie en het wegetsen van de niet-gepatroneerde delen.

(b) Verdamping: Met behulp van een masker worden door middel van verdamping lagen op de siliciumwafel afgezet. Bij deze selectieve afzetting worden maskers gebruikt die overeenkomen met de vorming van de bultjes.

(c) Stroomloos plateren: Nikkel wordt selectief geplateerd op Al-soldeervlakken met behulp van een stroomloze galvaniseringsmethode. Het Al-oppervlak wordt vaak behandeld met een zinkzoutproces. Voor deze methode is geen vacuüm- of lithografieapparatuur nodig, wat resulteert in lagere kosten. Het onderstaande diagram illustreert het proces van under bump metallisatie (UBM) op halfgeleiderchips.

Door de aanwezigheid van een oxidelaag op het oppervlak van het aluminium soldeervlak kan de metaalbeplating niet aan het geoxideerde oppervlak hechten. Daarom is het noodzakelijk om het aluminiumoppervlak op de juiste manier te behandelen om de oxidelaag te verwijderen.

Een gebruikelijke methode is het gebruik van zinkering op het aluminium soldeervlak, waarbij een laag zink op het aluminiumoppervlak wordt afgezet om oxidatie te voorkomen. Een nadeel van het galvanisatieproces is dat het aluminium ook kan worden gecorrodeerd door de galvaniseringsoplossing. Daarom is een secundair galvanisatieproces vereist, waarbij ongeveer 0.3-0.4 mm aluminium zal worden gecorrodeerd. Bij het verzinken zet zich zink af op het aluminiumoppervlak, terwijl tegelijkertijd de aluminium- en aluminiumoxidelaag worden gecorrodeerd. De dunne zinklaag beschermt het aluminium tegen verdere oxidatie.

Na het galvanisatieproces wordt verder chemisch vernikkelen gebruikt voor de afzetting van UBM, waarbij metallisch nikkel dient als barrière tegen diffusie/verbinding. Nikkel heeft een zeer lage diffusiesnelheid en vrijwel geen reactie met het soldeer, waardoor het ideaal is als UBM-metaal voor eutectisch soldeer. Chemisch vernikkelen kan worden gebruikt voor zowel UBM-metaalafzetting als bultvorming. Op sommige flip-chip-hobbels kan goudplating worden aangebracht, waardoor de betrouwbaarheid wordt vergroot dankzij de goede geleidbaarheid en weerstand van goud tegen oxidatie.

Stap twee: Reflow om hobbels te vormen

Er zijn verschillende methoden voor het vormen van soldeerhobbels, waaronder verdamping, galvaniseren, printen, stud bumping, ball drop en soldeeroverdracht, waarbij galvaniseren en printen op grote schaal worden gebruikt.

Na het metalliseren van de bobbels op het halfgeleideroppervlak worden reflow-ovens gebruikt om de flip-chip-hobbels te vormen.

Het algemene proces van terugvloeien om bobbels te vormen wordt geïllustreerd in het onderstaande diagram.

Het specifieke proces van het vormen van soldeerbobbels door middel van galvaniseren wordt geïllustreerd in het volgende diagram:

Het meest gebruikte materiaal voor bumps is de Pb/Sn-legering, omdat deze goede reflow-soldeereigenschappen vertoont en geschikt is voor industriële productie.

Naast de algemeen gebruikte Pb/Sn-legering worden ook andere bumpmaterialen zoals Au/Ni-legeringen gebruikt. Om een betrouwbare interconnectie te garanderen, is de Under Bump

Metallisatie (UBM) moet compatibel zijn met de legering die voor de hobbels wordt gebruikt. Een UBM die geschikt is voor een hoog loodgehalte hoeft niet noodzakelijkerwijs geschikt te zijn voor soldeer met een hoog tingehalte. Een Cu-bevochtigingslaag is bijvoorbeeld geschikt voor soldeer met een hoog loodgehalte dat 3-5% tin bevat, maar is niet geschikt voor soldeer met een hoog tingehalte, omdat Cu snel reageert met Sn om intermetallische Sn-Cu-verbindingen te vormen. Als de Cu volledig is verbruikt, zal het soldeer het soldeergebied niet bevochtigen.

Het onderstaande diagram illustreert flip-chipverbindingen met verschillende bumpmaterialen.

Het uiterlijk van de bultjes gevormd op het oppervlak van de chip, zoals waargenomen onder een scanning-elektronenmicroscoop, wordt weergegeven in het onderstaande diagram:

De linkerafbeelding in het diagram toont de bultstatus vóór reflow (hoge temperatuur), terwijl de rechterafbeelding de bultstatus weergeeft na blootstelling aan hoge temperaturen, waarbij de bulten smelten en een bolvorm vormen.

Chemisch plateren UBM en stencilprintprocessen zijn goedkope methoden voor het voorbereiden van oneffenheden in industriële toepassingen.

Hieronder volgt de processtroom voor het stencilprinten van hobbels en het verschijnen van hobbels na voltooiing.

Stap 3: Draai de chipconstructie om

Dit proces omvat het onderling verbinden van de chips met voltooide hobbels op het dragersubstraat door middel van flip-chip-binding.

De meest gebruikelijke methode om de chip aan de drager te bevestigen is de thermocompressieverbindingstechniek, waarbij goud het meest geschikte bumpmateriaal is.

Hobbels kunnen worden gegenereerd met behulp van traditionele galvaniseermethoden of door gebruik te maken van stud bumping, een techniek die vaak wordt gebruikt in de draadverbindingstechnologie.

Voor thermocompressieverbindingen is dit proces alleen geschikt voor stijve substraten zoals aluminiumoxide of silicium, omdat hiervoor hoge druk en temperatuur vereist zijn.

Bovendien moet het substraat een hoge vlakheid behouden, en moet de thermocompressiekop een hoge parallelle uitlijningsnauwkeurigheid vertonen. Om onnodige schade aan halfgeleidermaterialen te voorkomen, moet tijdens het proces een bepaalde drukgradiënt worden toegepast.

Stap 4: Ondervullen en uitharden

Na de flip-chip-binding wordt de verbinding tussen de chip en het substraat tot stand gebracht. Om de stabiliteit van het flip-chipsamenstel te vergroten, wordt een underfill-kleefmiddel aangebracht tussen de chip en het substraat. Het ondervulproces wordt geïllustreerd in het onderstaande diagram:

Het bodemvulmateriaal tussen de chip en het substraat verbetert de weerstand tegen thermische vermoeidheid aanzienlijk, wat anders het belangrijkste betrouwbaarheidsprobleem zou zijn voor de flip-chip-technologie als er geen bodemvulling is.

(a) Het onderste vulmateriaal verspreidt de geconcentreerde spanning naar het inkapselingsmateriaal van de chip.

(b) Het kan soldeerkruip voorkomen en de sterkte en stijfheid van de flip-chipverbinding vergroten.

(d) Het zorgt ervoor dat de chip mechanische trillingen en schokken kan weerstaan.

Samenvattend wordt de betrouwbaarheid van flip-chipverbindingen beïnvloed door de mismatch van de thermische uitzettingscoëfficiënt (CTE) tussen het substraat en de chip, evenals door de hoogte van de soldeerverbindingen en de maximale afstand daartussen. Scheuren in het verbindingsgebied ontstaan doorgaans tijdens het afkoelen van de verbindingstemperatuur.

Door het hoge smeltpunt van goud is het minder gevoelig voor vermoeiingsschade vergeleken met soldeer. Zolang de spanning tijdens thermische cycli de verbindingssterkte tussen de bobbel en het soldeerkussen niet overschrijdt, zou betrouwbaarheid dus geen significant probleem moeten zijn.

Het onderste vulmateriaal tussen de chip en het substraat verbetert de weerstand van de verbinding tegen thermische vermoeidheid aanzienlijk, en zonder dit materiaal zou thermische vermoeidheid het belangrijkste betrouwbaarheidsprobleem zijn voor flip-chip-technologie.

Flip-chip-assemblage is bijzonder geschikt voor hoogfrequente toepassingen omdat het verbindingspad tussen de chip en het substraat zeer kort is. De serie-impedantie van flip-chip-soldeerverbindingen is ongeveer 1 mW, en de serie-inductantie is 0.025 nH, veel lager dan de 5-10 nH van draadverbindingen.

Het is juist dankzij deze voordelen van flip-chip-assemblage dat de signaaloverdrachtvertraging aanzienlijk kan worden verminderd.

Voor- en nadelen van Flip-Chip-technologie:

Voordelen:

(a) Klein formaat: de kleine IC-pin-indeling (slechts 5% van de platte pakketten) vermindert de hoogte en het gewicht.

(b) Functieverbetering: Het gebruik van flip-chiptechnologie kan het aantal I/O's vergroten. In tegenstelling tot wire bonding zijn I/O's niet beperkt tot de periferie van de chip. Area-array biedt plaats aan meer verbindingen in een kleinere ruimte voor signalen, stroom, enzovoort. Typische flip-chip-pads kunnen 400 bereiken.

(c) Prestatieverbetering: Korte verbindingsafstanden verminderen de inductie, weerstand en capaciteit, waardoor een verminderde signaalvertraging, goede prestaties bij hoge frequenties en betere thermische paden vanaf de achterkant van de chip worden gegarandeerd.

(d) Verbeterde betrouwbaarheid: Epoxyvulling voor grote spanen zorgt voor een hoge betrouwbaarheid. Flip-chips kunnen het aantal interconnect-pinnen met tweederde verminderen.

(e) Verbeterde warmteafvoer: Flip-chips zonder inkapseling zorgen voor een effectieve koeling van de achterkant van de chip.

(f) Lage kosten: in massa geproduceerde hobbels verlagen de kosten.

Nadelen:

(a) Kale spanen zijn moeilijk te testen.

(b) Beperkt aanpassingsvermogen van gestoten chips.

(d) Er is röntgeninspectieapparatuur nodig om onzichtbare soldeerverbindingen te detecteren.

(e) Slechte compatibiliteit met SMT-processen.

(f) Moeilijke omgang met kale dobbelsteen.

(g) Vereist een hoge montageprecisie.

(h) Het huidige gebruik van bodemvulling vereist een bepaalde uithardingstijd.

(i) Sommige substraten hebben een lage betrouwbaarheid.

(j) Reparatie is moeilijk of onmogelijk.

Hiermee is de introductie tot flip-chiptechnologie afgerond.

Alles over bipolaire junctie-transistors (BJT's)

Vijf veel voorkomende typen sensoren op het gebied van industriële automatisering