Все о технологии Flip Chip

Главная Обозреватель Основы электроники Все о технологии Flip Chip

2024-03-21 2843

Введение в технологию упаковки полупроводников

Те, кто работает в полупроводниковой промышленности, особенно в области упаковки полупроводников, неизбежно знакомы с несколькими процессами упаковки, а именно склеиванием чипов, проволочным соединением и соединением перевернутых кристаллов.

Среди них наиболее распространены проволочное соединение и соединение с перевернутой микросхемой. Технология автоматического склеивания лент (TAB) постепенно выводится из упаковки из-за ее ограничений.

Технология соединения перевернутых чипов предполагает соединение компонентов путем непосредственного приклеивания выступов чипа вниз к подложке, держателю или печатной плате. Напротив, проводное соединение соединяет чип с печатной платой, помещая переднюю сторону чипа вверх и используя провода (обычно золотые провода).

Проволочное соединение, автоматическое соединение лентой и соединение флип-чипом имеют свои особенности. Среди них склеивание флип-чипов становится все более популярным в упаковочной промышленности благодаря своей компактной структуре и высокой надежности.

Что такое технология флип-чипа?

Технология перевернутых чипов возникла в компании IBM, которая в 1960 году разработала процесс создания выступов на чипах для пайки перевернутых чипов. Этот процесс заключался в окружении выступов 95Pb5Sn, покрытых гальваническим покрытием NiAu. Позже были использованы выступы PbSn с использованием технологии соединения компонентов с контролируемым сжатием (C4), первоначально разработанной для их больших мейнфреймов как высоконадежный метод упаковки. Чипы C4 обладают превосходными электрическими и термическими свойствами, а усталостная долговечность корпуса увеличена как минимум в десять раз.

После успешного применения IBM технологии C4 последующие технологические достижения побудили некоторые полупроводниковые компании оптимизировать и модернизировать технологию C4. Это включает в себя Fairchild, разрабатывающую Al-выступы, и Amelco, внедряющую технологию Au-Bump.

Технология упаковки полупроводников прошла путь от упаковки Quad Flat Package (QFP) к упаковке Ball Grid Array (BGA) и к новейшей упаковке Chip Scale Package (CSP).

На схеме ниже показаны устройства, упакованные с использованием традиционных QFP, BGA и других технологий.

С постепенным уменьшением размеров полупроводниковых чипов спрос на технологию упаковки микросхем растет, что подталкивает технологию упаковки к уровню пластин и развитию упаковки.

При упаковке традиционных чипов обычный процесс включает в себя нарезку пластины на отдельные матрицы с последующей упаковкой каждой матрицы отдельно. С развитием технологий упаковки в новейших полупроводниковых упаковках наблюдается тенденция к интеграции процессов упаковки с полупроводниковыми процессами. Это предполагает равномерную упаковку чипов на пластинах перед их нарезкой для создания независимых чипов с более высокой надежностью.

Благодаря развитому применению технологии флип-чипов мировое потребление компонентов флип-чипов в настоящее время превышает 600,000 50 единиц в год, увеличиваясь примерно на 3%. 20% упаковки пластин используется для технологии флип-чипа, и ожидается, что через несколько лет этот показатель превысит XNUMX%.

Компоненты с перевернутым кристаллом в основном используются в полупроводниковых устройствах. Некоторые компоненты, такие как пассивные фильтры, сенсорные антенны и модули памяти, также начинают использовать технологию флип-чипов. Поскольку чипы напрямую соединяются с подложками и носителями через выступы, компоненты флип-чипа более точно известны как

Прямое подключение чипа (DCA). На диаграмме ниже электронные продукты, такие как процессоры и модули памяти, являются наиболее распространенными устройствами, в которых применяется технология флип-чипов.

На схеме показано соединение между микросхемой памяти и монтажной платой в модуле памяти с использованием технологии флип-чипа, при этом микросхема крепится к печатной плате с помощью клея для заливки.

В типичной упаковке с перевернутым чипом чип соединяется с держателем чипа через выступы припоя толщиной от 3 до 5 мил (1 мил = 25 микрометров), а материал для заполнения внизу используется для защиты выступов припоя. На схеме ниже показано типичное соединение перевернутого кристалла, при котором чип подключается к подложке ниже с использованием технологии перевернутого кристалла.

В процессе соединения перевернутых кристаллов в полупроводниковых чипах существует множество этапов предварительной и последующей обработки. Следующие подробности подробно описывают технологический процесс флип-чипа:

Шаг первый: металлизация под ударом (UBM)

Первым шагом в соединении перевернутых чипов является создание рельефной металлизации (UBM) на поверхности чипа. Суть соединения перевернутых чипов заключается в соединении выступов на чипе и выступов (площадок) на подложке. Существует несколько способов металлизации поверхности полупроводника:

(а) Напыление: тонкие пленки наносятся слой за слоем на кремниевую пластину с помощью распыления с последующим формированием рисунка макета UBM посредством фотолитографии и травлением частей без рисунка.

(б) Испарение: с помощью маски на кремниевую пластину наносятся слои путем испарения. При этом избирательном осаждении используются маски, соответствующие образованию выступов.

(c) Химическое покрытие: никель выборочно наносится на алюминиевые площадки припоя с использованием метода химического химического покрытия. Поверхность Al часто обрабатывают с помощью соли цинка. Этот метод не требует вакуумного или литографического оборудования, что приводит к снижению затрат. На диаграмме ниже показан процесс металлизации под выступом (UBM) полупроводниковых чипов.

Из-за наличия оксидного слоя на поверхности алюминиевой паяльной площадки металлическое покрытие не может прилипать к окисленной поверхности. Поэтому необходимо соответствующим образом обработать поверхность алюминия для удаления оксидного слоя.

Распространенный метод включает в себя цинкование алюминиевой паяльной площадки, при котором на поверхность алюминия наносится слой цинка для предотвращения окисления. Одним из недостатков процесса цинкования является то, что алюминий также может подвергаться коррозии под действием гальванического раствора. Следовательно, необходим процесс вторичного цинкования, в ходе которого будет подвергнуто коррозии около 0.3-0.4 мм алюминия. В процессе цинкования на поверхности алюминия образуется отложение цинка, при этом алюминий и слой оксида алюминия подвергаются коррозии. Тонкий слой цинка защищает алюминий от дальнейшего окисления.

После процесса гальванизации для нанесения UBM дополнительно используется химическое никелирование, при этом металлический никель служит барьером против диффузии/соединения. Никель имеет очень низкую скорость диффузии и почти не реагирует с припоем, что делает его идеальным металлом UBM для эвтектического припоя. Химическое никелирование может использоваться как для осаждения металла UBM, так и для образования выступов. На некоторые выступы перевернутого чипа может быть нанесено золотое покрытие, что повышает надежность благодаря хорошей проводимости золота и устойчивости к окислению.

Шаг второй: перекомпоновка для формирования выпуклостей

Существуют различные методы формирования выступов припоя, включая испарение, гальваническое покрытие, печать, надавливание шпильками, падение шарика и перенос припоя, при этом широко используются гальваническое покрытие и печать.

После металлизации выступов на поверхности полупроводника используются печи оплавления для формирования выступов перевернутого кристалла.

Общий процесс оплавления для формирования выпуклостей показан на диаграмме ниже.

Конкретный процесс формирования выступов припоя при гальванике показан на следующей диаграмме:

Обычно для изготовления выступов используется сплав Pb/Sn, поскольку он обладает хорошими характеристиками пайки оплавлением и подходит для промышленного производства.

Помимо широко используемого сплава Pb/Sn, также используются другие материалы, такие как сплав Au/Ni. Чтобы обеспечить надежное соединение, Under Bump

Металлизация (УБМ) должна быть совместима со сплавом, из которого изготовлены неровности. UBM, подходящий для работы с высоким содержанием свинца, не обязательно подходит для припоя с высоким содержанием олова. Например, смачивающий слой Cu подходит для припоя с высоким содержанием свинца, содержащего 3-5% олова, но не подходит для припоя с высоким содержанием олова, поскольку Cu быстро реагирует с Sn с образованием интерметаллических соединений Sn-Cu. Если медь полностью израсходована, припой не будет смачивать область пайки.

На диаграмме ниже показаны соединения перевернутых микросхем с различными материалами выступов.

Внешний вид выступов, образовавшихся на поверхности чипа, наблюдаемый под сканирующим электронным микроскопом, показан на схеме ниже:

Левое изображение на диаграмме показывает состояние выпуклостей до оплавления (высокая температура), а правое изображение показывает состояние выпуклостей после воздействия высоких температур, когда выступы плавятся и принимают сферическую форму.

Химическое покрытие UBM и процессы трафаретной печати являются недорогими методами подготовки рельефа в промышленности.

Ниже представлена технологическая схема трафаретной печати неровностей и внешний вид неровностей после завершения.

Шаг 3: Переверните сборку чипа

Этот процесс включает в себя соединение чипов с готовыми выступами с несущей подложкой посредством соединения перевернутых чипов.

Наиболее распространенным методом соединения чипа с держателем является метод термокомпрессионной сварки, причем наиболее подходящим материалом для выступов является золото.

Выпуклости могут быть созданы с использованием традиционных методов гальваники или с помощью ударов шпилек - метода, обычно используемого в технологии соединения проводов.

Для термокомпрессионного соединения этот процесс подходит только для жестких подложек, таких как оксид алюминия или кремний, поскольку он требует высокого давления и температуры.

Кроме того, подложка должна сохранять высокую плоскостность, а термокомпрессионная головка должна обеспечивать высокую точность параллельного выравнивания. Чтобы избежать ненужного повреждения полупроводниковых материалов, во время процесса следует применять определенный градиент давления.

Шаг 4: Недоливка и отверждение

После соединения флип-чипа устанавливается соединение между чипом и подложкой. Чтобы повысить стабильность сборки перевернутого чипа, между чипом и подложкой наносится клей для заливки. Процесс недолива показан на схеме ниже:

Материал нижнего наполнителя между чипом и подложкой значительно повышает устойчивость к термической усталости, что в противном случае было бы основной проблемой надежности для технологии перевернутых чипов, если бы нижняя начинка отсутствовала.

(а) Материал нижнего наполнителя распределяет сосредоточенное напряжение на герметизирующем материале чипа.

(б) Это может предотвратить расползание припоя и повысить прочность и жесткость соединения флип-чипа.

(d) Это позволяет чипу выдерживать механическую вибрацию и удары.

Таким образом, на надежность соединений типа «перевернутый кристалл» влияет несоответствие коэффициента теплового расширения (КТР) между подложкой и чипом, а также высота паяных соединений и максимальное расстояние между ними. Трещины в области соединения обычно возникают во время охлаждения от температуры соединения.

Из-за высокой температуры плавления золота оно менее чувствительно к усталостным повреждениям по сравнению с припоем. Следовательно, пока напряжение во время термоциклирования не превышает прочность соединения между выступом и площадкой для пайки, надежность не должна быть серьезной проблемой.

Нижний наполнитель между чипом и подложкой значительно повышает устойчивость соединения к термической усталости, и без него термическая усталость была бы основной проблемой надежности для технологии флип-чипа.

Сборка с перевернутым кристаллом особенно подходит для высокочастотных приложений, поскольку путь соединения между чипом и подложкой очень короткий. Последовательное сопротивление паяных соединений типа «перевернутая микросхема» составляет около 1 мВт, а последовательная индуктивность составляет 0.025 нГн, что намного ниже, чем 5–10 нГн при проволочном соединении.

Именно благодаря этим преимуществам сборки с перевернутым кристаллом задержка передачи сигнала может быть значительно уменьшена.

Преимущества и недостатки технологии Flip-Chip:

Преимущества:

(а) Малый размер: небольшое расположение выводов микросхемы (только 5% плоских корпусов) уменьшает высоту и вес.

(б) Расширение функций: использование технологии флип-чипа может увеличить количество операций ввода-вывода. В отличие от проводного соединения, ввод-вывод не ограничивается периферией чипа. Массив области может вместить больше межсоединений в меньшем пространстве для сигналов, питания и т. д. Типичные площадки с флип-чипом могут достигать 400.

(c) Увеличение производительности: короткие расстояния между соединениями уменьшают индуктивность, сопротивление и емкость, обеспечивая уменьшение задержки сигнала, хорошие высокочастотные характеристики и лучшие тепловые пути от задней части чипа.

(г) Повышенная надежность: эпоксидная заливка крупных чипов обеспечивает высокую надежность. Флип-чипы могут уменьшить количество контактов межсоединения на две трети.

(д) Улучшенное рассеивание тепла: перевернутые чипы без инкапсуляции обеспечивают эффективное охлаждение задней части чипа.

(f) Низкая стоимость. Массовое производство шишек снижает затраты.

Минусы:

(а) Голые чипы трудно протестировать.

(б) Ограниченная адаптируемость чипов с ударами.

(c) Технология печатных плат сталкивается с проблемами, поскольку расстояние между ними уменьшается, а количество контактов увеличивается.

(d) Для обнаружения невидимых паяных соединений необходимо оборудование для рентгеновского контроля.

(e) Плохая совместимость с процессами SMT.

(f) Трудное обращение с голым штампом.

(g) Требует высокой точности сборки.

(h) Текущее использование нижнего заполнения требует определенного времени отверждения.

(i) Некоторые подложки имеют низкую надежность.

(j) Ремонт затруднен или невозможен.

На этом завершается знакомство с технологией флип-чипа.

Все о биполярных транзисторах (BJT)

Пять распространенных типов датчиков в области промышленной автоматизации