ทุกอย่างเกี่ยวกับเทคโนโลยี Flip Chip

หน้าแรก คอลัม พื้นฐานอิเล็กทรอนิกส์ ทุกอย่างเกี่ยวกับเทคโนโลยี Flip Chip

2024-03-21 2843

รู้เบื้องต้นเกี่ยวกับเทคโนโลยีบรรจุภัณฑ์เซมิคอนดักเตอร์

ผู้ที่เกี่ยวข้องกับอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในบรรจุภัณฑ์เซมิคอนดักเตอร์ ย่อมคุ้นเคยกับกระบวนการบรรจุภัณฑ์หลายอย่างอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ กล่าวคือ การติดชิป การติดลวด และการติดฟลิปชิป

การเชื่อมด้วยลวดและการติดฟลิปชิปเป็นเรื่องธรรมดาที่สุด เทคโนโลยีการติดด้วยเทปอัตโนมัติ (TAB) กำลังค่อยๆ ยุติลงในบรรจุภัณฑ์เนื่องจากข้อจำกัด

เทคโนโลยีการติดชิปแบบพลิกเกี่ยวข้องกับการเชื่อมต่อส่วนประกอบต่างๆ เข้าด้วยกันโดยการติดส่วนนูนบนชิปโดยตรงลงไปบนพื้นผิว ตัวพา หรือแผงวงจร ในทางตรงกันข้าม การเชื่อมด้วยลวดจะเชื่อมต่อชิปกับแผงวงจรโดยหงายด้านหน้าของชิปขึ้นแล้วใช้สายไฟ (โดยปกติจะเป็นลวดสีทอง)

การติดลวด การติดด้วยเทปอัตโนมัติ และการติดฟลิปชิป ต่างก็มีลักษณะเฉพาะของตัวเอง ในบรรดาสิ่งเหล่านั้น การติดฟลิปชิปกำลังได้รับความนิยมมากขึ้นในอุตสาหกรรมบรรจุภัณฑ์ เนื่องจากมีโครงสร้างที่กะทัดรัดและมีความน่าเชื่อถือสูง

เทคโนโลยี Flip Chip คืออะไร?

เทคโนโลยีฟลิปชิปมีต้นกำเนิดจาก IBM ซึ่งพัฒนากระบวนการสร้างปุ่มบนชิปสำหรับการบัดกรีฟลิปชิปในปี 1960 กระบวนการนี้เกี่ยวข้องกับการล้อมรอบปุ่มด้วย 95Pb5Sn ที่หุ้มปุ่ม NiAu ที่เคลือบด้วยไฟฟ้า ต่อมา มีการใช้ PbSn bump โดยใช้เทคโนโลยี Controlled Collapse Component Connection (C4) ซึ่งเริ่มแรกพัฒนาขึ้นสำหรับคอมพิวเตอร์เมนเฟรมขนาดใหญ่ในฐานะเทคนิคการบรรจุหีบห่อที่มีความน่าเชื่อถือสูง ชิป C4 มีคุณสมบัติทางไฟฟ้าและความร้อนที่ดีเยี่ยม พร้อมอายุการใช้งานความล้าของบรรจุภัณฑ์ดีขึ้นอย่างน้อยสิบเท่า

หลังจากการประยุกต์ใช้เทคโนโลยี C4 ที่ประสบความสำเร็จของ IBM ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีในเวลาต่อมาทำให้บริษัทเซมิคอนดักเตอร์บางแห่งเพิ่มประสิทธิภาพและอัพเกรดเทคโนโลยี C4 ซึ่งรวมถึง Fairchild ที่กำลังพัฒนา Al bumps และ Amelco ที่แนะนำเทคโนโลยี Au bump

เทคโนโลยีบรรจุภัณฑ์เซมิคอนดักเตอร์ได้พัฒนาจากแพ็คเกจ Quad Flat Package (QFP) ไปจนถึงบรรจุภัณฑ์ Ball Grid Array (BGA) และไปจนถึงบรรจุภัณฑ์ Chip Scale Package (CSP) ใหม่ล่าสุด

แผนภาพด้านล่างแสดงอุปกรณ์ที่บรรจุโดยใช้ QFP, BGA แบบดั้งเดิม และเทคโนโลยีอื่นๆ

เมื่อขนาดของชิปเซมิคอนดักเตอร์ลดลงทีละน้อย ความต้องการเทคโนโลยีการบรรจุชิปก็เพิ่มขึ้น โดยผลักดันเทคโนโลยีการบรรจุไปสู่ระดับเวเฟอร์และการพัฒนาบรรจุภัณฑ์

เมื่อบรรจุชิปแบบดั้งเดิม กระบวนการปกติเกี่ยวข้องกับการหั่นเวเฟอร์เป็นลูกเต๋าแต่ละอัน ตามด้วยการบรรจุแต่ละแม่พิมพ์แยกกัน ด้วยเทคโนโลยีบรรจุภัณฑ์ที่เติบโตเต็มที่ ในบรรจุภัณฑ์เซมิคอนดักเตอร์ล่าสุด จึงมีแนวโน้มในการบูรณาการกระบวนการบรรจุภัณฑ์เข้ากับกระบวนการเซมิคอนดักเตอร์ ซึ่งเกี่ยวข้องกับการบรรจุภัณฑ์ชิปที่สม่ำเสมอบนเวเฟอร์ก่อนที่จะหั่นเป็นชิ้นเพื่อสร้างชิปอิสระที่มีความน่าเชื่อถือสูงขึ้น

ด้วยการประยุกต์ใช้เทคโนโลยีฟลิปชิปอย่างเต็มรูปแบบ ปัจจุบันการบริโภคส่วนประกอบฟลิปชิปทั่วโลกเกินกว่า 600,000 หน่วยต่อปี ซึ่งเติบโตในอัตราประมาณ 50% 3% ของบรรจุภัณฑ์เวเฟอร์ใช้สำหรับเทคโนโลยีพลิกชิปกระแทก โดยคาดว่าจะเกิน 20% ในอีกไม่กี่ปีข้างหน้า

ส่วนประกอบของชิปพลิกส่วนใหญ่จะใช้ในอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ ส่วนประกอบบางอย่าง เช่น ตัวกรองแบบพาสซีฟ เสาอากาศตรวจจับ และโมดูลหน่วยความจำ ก็เริ่มนำเทคโนโลยีฟลิปชิปมาใช้เช่นกัน เนื่องจากชิปเชื่อมต่อโดยตรงกับซับสเตรตและพาหะผ่านการกระแทก ส่วนประกอบของฟลิปชิปจึงเป็นที่รู้จักมากขึ้นในชื่อ

การแนบชิปโดยตรง (DCA) ในแผนภาพด้านล่าง ผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ เช่น CPU และโมดูลหน่วยความจำเป็นอุปกรณ์ทั่วไปที่ใช้เทคโนโลยีฟลิปชิป

แผนภาพแสดงการเชื่อมต่อระหว่างชิปหน่วยความจำและแผงวงจรในโมดูลหน่วยความจำโดยใช้เทคโนโลยีฟลิปชิป โดยที่ชิปจะยึดเข้ากับแผงวงจรโดยใช้กาวเติมด้านล่าง

ในบรรจุภัณฑ์ฟลิปชิปทั่วไป ชิปจะเชื่อมต่อกับตัวพาชิปผ่านการบัดกรีหนา 3 ถึง 5 มิล (1 มิล = 25 ไมโครเมตร) โดยมีวัสดุเติมด้านล่างที่ด้านล่างที่ใช้เพื่อป้องกันการบัดกรี แผนภาพด้านล่างแสดงการเชื่อมต่อระหว่างชิปฟลิปโดยทั่วไป โดยที่ชิปเชื่อมต่อกับซับสเตรตด้านล่างโดยใช้เทคโนโลยีฟลิปชิป

ในกระบวนการเชื่อมต่อฟลิปชิปในชิปเซมิคอนดักเตอร์ มีขั้นตอนก่อนและหลังการประมวลผลมากมาย รายละเอียดต่อไปนี้อธิบายอย่างละเอียดเกี่ยวกับกระบวนการเทคโนโลยีฟลิปชิป:

ขั้นตอนที่หนึ่ง: ภายใต้ Bump Metallization (UBM)

ขั้นตอนแรกในการเชื่อมต่อฟลิปชิปคือการสร้างโลหะภายใต้การชน (UBM) บนพื้นผิวชิป สาระสำคัญของการเชื่อมต่อฟลิปชิปอยู่ที่การเชื่อมต่อระหว่างปุ่มบนชิปและปุ่ม (แผ่น) บนพื้นผิว มีหลายวิธีในการทำให้พื้นผิวเซมิคอนดักเตอร์เป็นโลหะ:

(ก) การสปัตเตอร์: ฟิล์มบางจะถูกสะสมทีละชั้นบนแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนโดยใช้สปัตเตอร์ริ่ง ตามด้วยการสร้างลวดลายเค้าโครง UBM ผ่านการพิมพ์หินด้วยแสง และกัดส่วนที่ไม่มีลวดลายออกไป

(b) การระเหย: การใช้หน้ากาก ชั้นจะสะสมอยู่บนแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนโดยใช้การระเหย การทับถมแบบเลือกนี้ใช้มาสก์ที่สอดคล้องกับการก่อตัวของการกระแทก

(c) การชุบแบบไม่ใช้ไฟฟ้า: ชุบนิกเกิลแบบเลือกสรรบนแผ่นบัดกรีอัลโดยใช้วิธีการชุบแบบไม่ใช้ไฟฟ้า พื้นผิวอัลมักได้รับการบำบัดด้วยกระบวนการเกลือสังกะสี วิธีนี้ไม่จำเป็นต้องใช้อุปกรณ์สุญญากาศหรือการพิมพ์หิน ส่งผลให้ต้นทุนลดลง แผนภาพด้านล่างแสดงกระบวนการ under bump metallization (UBM) บนชิปเซมิคอนดักเตอร์

เนื่องจากมีชั้นออกไซด์อยู่บนพื้นผิวแผ่นบัดกรีอะลูมิเนียม การชุบโลหะจึงไม่สามารถยึดติดกับพื้นผิวที่ถูกออกซิไดซ์ได้ ดังนั้นจึงจำเป็นต้องรักษาพื้นผิวอลูมิเนียมอย่างเหมาะสมเพื่อขจัดชั้นออกไซด์

วิธีการทั่วไปเกี่ยวข้องกับการใช้สังกะสีบนแผ่นบัดกรีอะลูมิเนียม โดยที่ชั้นของสังกะสีจะเกาะอยู่บนพื้นผิวอะลูมิเนียมเพื่อป้องกันการเกิดออกซิเดชัน ข้อเสียเปรียบประการหนึ่งของกระบวนการชุบสังกะสีก็คืออลูมิเนียมสามารถสึกกร่อนได้ด้วยสารละลายชุบ ดังนั้นจึงจำเป็นต้องมีกระบวนการชุบสังกะสีขั้นที่สอง ในระหว่างนั้นอะลูมิเนียมประมาณ 0.3-0.4 มม. จะสึกกร่อน ในกระบวนการชุบสังกะสี สังกะสีจะสะสมบนพื้นผิวอะลูมิเนียม ในขณะเดียวกันชั้นอะลูมิเนียมและอะลูมิเนียมออกไซด์ก็เกิดการกัดกร่อน ชั้นสังกะสีบางๆ ช่วยปกป้องอะลูมิเนียมจากการเกิดออกซิเดชันเพิ่มเติม

หลังจากกระบวนการชุบสังกะสี จะมีการชุบนิกเกิลด้วยสารเคมีเพิ่มเติมสำหรับการสะสม UBM โดยมีนิกเกิลโลหะทำหน้าที่เป็นอุปสรรคต่อการแพร่กระจาย/การเชื่อมต่อ นิกเกิลมีอัตราการแพร่กระจายต่ำมากและแทบไม่มีปฏิกิริยากับโลหะบัดกรี จึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับเป็นโลหะ UBM สำหรับการบัดกรียูเทคติก การชุบนิกเกิลด้วยสารเคมีสามารถใช้ได้ทั้งการสะสมโลหะของ UBM และการเกิดกระแทก การชุบทองอาจนำไปใช้กับการพลิกชิปบางจุดได้ ซึ่งช่วยเพิ่มความน่าเชื่อถือเนื่องจากการนำทองได้ดีและทนทานต่อการเกิดออกซิเดชัน

ขั้นตอนที่สอง: จัดเรียงใหม่เพื่อสร้างการกระแทก

มีวิธีการต่างๆ มากมายในการขึ้นรูปโลหะบัดกรี รวมถึงการระเหย การชุบด้วยไฟฟ้า การพิมพ์ การกระแทกแกน การตกลูก และการถ่ายโอนการบัดกรี โดยมีการใช้การชุบด้วยไฟฟ้าและการพิมพ์กันอย่างแพร่หลาย

หลังจากที่ทำให้โลหะกระแทกบนพื้นผิวเซมิคอนดักเตอร์แล้ว เตาอบแบบรีโฟลว์จะถูกนำมาใช้เพื่อสร้างฟลิปชิป

กระบวนการทั่วไปของการจัดเรียงใหม่เพื่อสร้างการนูนแสดงไว้ในแผนภาพด้านล่าง

กระบวนการเฉพาะของการขึ้นรูปบัดกรีบัดกรีผ่านการชุบด้วยไฟฟ้าแสดงไว้ในแผนภาพต่อไปนี้:

วัสดุที่ใช้กันทั่วไปสำหรับการกระแทกคือโลหะผสม Pb/Sn เนื่องจากมีคุณลักษณะการบัดกรีแบบรีโฟลว์ที่ดีและเหมาะสำหรับการผลิตทางอุตสาหกรรม

นอกจากโลหะผสม Pb/Sn ที่ใช้กันทั่วไปแล้ว ยังใช้วัสดุกันกระแทกอื่นๆ เช่น โลหะผสม Au/Ni อีกด้วย เพื่อให้แน่ใจว่าการเชื่อมต่อโครงข่ายที่เชื่อถือได้ Under Bump

การชุบโลหะ (UBM) จะต้องเข้ากันได้กับโลหะผสมที่ใช้สำหรับการกระแทก UBM ที่เหมาะกับปริมาณตะกั่วสูงอาจไม่เหมาะกับการบัดกรีที่มีดีบุกสูงเสมอไป ตัวอย่างเช่น ชั้นเปียก Cu เหมาะสำหรับบัดกรีตะกั่วสูงที่มีดีบุก 3-5% แต่ไม่เหมาะสำหรับการบัดกรีที่มีดีบุกสูง เนื่องจาก Cu ทำปฏิกิริยาอย่างรวดเร็วกับ Sn เพื่อสร้างสารประกอบระหว่างโลหะ Sn-Cu ถ้าใช้ Cu เต็มที่ เหล็กบัดกรีจะไม่ทำให้บริเวณที่บัดกรีเปียก

แผนภาพด้านล่างแสดงการเชื่อมต่อฟลิปชิปกับวัสดุกันกระแทกต่างๆ

ลักษณะของการกระแทกที่เกิดขึ้นบนพื้นผิวของชิปตามที่สังเกตด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราดแสดงไว้ในแผนภาพด้านล่าง:

ภาพด้านซ้ายในแผนภาพแสดงสถานะการกระแทกก่อนการรีโฟลว์ (อุณหภูมิสูง) ในขณะที่ภาพด้านขวาแสดงสถานะการกระแทกหลังจากสัมผัสกับอุณหภูมิสูง ซึ่งการกระแทกจะละลายและก่อตัวเป็นรูปร่างทรงกลม

การชุบด้วยสารเคมี UBM และกระบวนการพิมพ์ลายฉลุเป็นวิธีการที่มีต้นทุนต่ำสำหรับการเตรียมการกันกระแทกในงานอุตสาหกรรม

ต่อไปนี้คือผังกระบวนการสำหรับการพิมพ์ลายฉลุของรอยนูนและลักษณะที่ปรากฏของรอยนูนหลังเสร็จสิ้น

ขั้นตอนที่ 3: การประกอบชิปพลิก

กระบวนการนี้เกี่ยวข้องกับการเชื่อมต่อชิปเข้ากับซับสเตรตของพาหะโดยสมบูรณ์ผ่านการติดฟลิปชิป

วิธีที่ใช้กันทั่วไปในการเชื่อมต่อชิปเข้ากับตัวพาคือเทคนิคการเชื่อมด้วยการบีบอัดด้วยความร้อน โดยทองคำเป็นวัสดุกันกระแทกที่เหมาะสมที่สุด

การกระแทกสามารถเกิดขึ้นได้โดยใช้วิธีการชุบด้วยไฟฟ้าแบบดั้งเดิม หรือใช้การกระแทกแบบสตั๊ด ซึ่งเป็นเทคนิคที่ใช้กันทั่วไปในเทคโนโลยีการเชื่อมด้วยลวด

สำหรับการติดประสานด้วยการบีบอัดด้วยความร้อน กระบวนการนี้เหมาะสำหรับพื้นผิวที่แข็ง เช่น อลูมินาหรือซิลิคอน เท่านั้น เนื่องจากต้องใช้แรงดันและอุณหภูมิสูง

นอกจากนี้ วัสดุพิมพ์จะต้องรักษาระนาบที่สูง และหัวเทอร์โมคอมเพรสชั่นจะต้องมีความแม่นยำในการวางตำแหน่งแบบขนานในระดับสูง เพื่อหลีกเลี่ยงความเสียหายที่ไม่จำเป็นต่อวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ ควรใช้การไล่ระดับความดันบางอย่างในระหว่างกระบวนการ

ขั้นตอนที่ 4: การเติมเต็มและการบ่ม

หลังจากการติดฟลิปชิปแล้ว การเชื่อมต่อระหว่างชิปและซับสเตรตจะถูกสร้างขึ้น เพื่อเพิ่มความเสถียรของการประกอบฟลิปชิป จะมีการติดกาวด้านล่างระหว่างชิปและซับสเตรต กระบวนการบรรจุด้านล่างแสดงไว้ในแผนภาพด้านล่าง:

วัสดุอุดด้านล่างระหว่างชิปและซับสเตรตช่วยเพิ่มความต้านทานต่อความล้าจากความร้อนได้อย่างมาก ซึ่งอาจเป็นปัญหาด้านความน่าเชื่อถือหลักสำหรับเทคโนโลยีฟลิปชิป หากไม่มีไส้ด้านล่าง

(a) วัสดุอุดด้านล่างจะกระจายความเค้นที่เข้มข้นไปยังวัสดุห่อหุ้มของชิป

(b) สามารถป้องกันการคืบของบัดกรีและเพิ่มความแข็งแรงและความแข็งแกร่งของการเชื่อมต่อฟลิปชิป

(d) ช่วยให้ชิปทนทานต่อการสั่นสะเทือนและการกระแทกทางกล

โดยสรุป ความน่าเชื่อถือของการเชื่อมต่อฟลิปชิปได้รับอิทธิพลจากค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อน (CTE) ที่ไม่ตรงกันระหว่างซับสเตรตและชิป รวมถึงความสูงของข้อต่อบัดกรีและระยะห่างสูงสุดระหว่างข้อต่อเหล่านั้น รอยแตกร้าวในพื้นที่การเชื่อมต่อมักเกิดขึ้นระหว่างช่วงคูลดาวน์จากอุณหภูมิการเชื่อมต่อ

เนื่องจากมีจุดหลอมเหลวสูง จึงมีความไวต่อความเสียหายจากความเมื่อยล้าน้อยกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับโลหะบัดกรี ดังนั้น ตราบใดที่ความเครียดระหว่างการหมุนเวียนด้วยความร้อนไม่เกินความแข็งแรงในการเชื่อมต่อระหว่างปุ่มกันกระแทกและแผ่นบัดกรี ความน่าเชื่อถือก็ไม่ควรเป็นปัญหาสำคัญ

วัสดุอุดด้านล่างระหว่างชิปและซับสเตรตช่วยเพิ่มความต้านทานของการเชื่อมต่อต่อความล้าจากความร้อนได้อย่างมาก และหากไม่มีสิ่งนี้ ความล้าจากความร้อนจะเป็นปัญหาความน่าเชื่อถือหลักสำหรับเทคโนโลยีฟลิปชิป

การประกอบฟลิปชิปเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานที่มีความถี่สูง เนื่องจากเส้นทางการเชื่อมต่อระหว่างชิปและซับสเตรตสั้นมาก ความต้านทานแบบอนุกรมของข้อต่อฟลิปชิปบัดกรีคือประมาณ 1mW และการเหนี่ยวนำแบบอนุกรมคือ 0.025nH ซึ่งต่ำกว่าการต่อลวดที่ 5-10nH มาก

เนื่องจากข้อดีของการประกอบฟลิปชิปเหล่านี้จึงสามารถลดความล่าช้าในการส่งสัญญาณได้อย่างมาก

ข้อดีและข้อเสียของเทคโนโลยี Flip-Chip:

ข้อดี:

(a) ขนาดเล็ก: รูปแบบพิน IC ขนาดเล็ก (เพียง 5% ของบรรจุภัณฑ์แบบเรียบ) ช่วยลดความสูงและน้ำหนัก

(b) การปรับปรุงฟังก์ชัน: การใช้เทคโนโลยีฟลิปชิปสามารถเพิ่มจำนวน I/O ได้ ต่างจากการเชื่อมด้วยลวด I/O ไม่ได้จำกัดอยู่ที่ขอบของชิป Area Array สามารถรองรับการเชื่อมต่อระหว่างกันได้มากขึ้นในพื้นที่ขนาดเล็กสำหรับสัญญาณ พลังงาน และอื่นๆ แผ่นฟลิปชิปทั่วไปสามารถเข้าถึงได้ถึง 400

(c) ประสิทธิภาพเพิ่มขึ้น: ระยะการเชื่อมต่อที่สั้นช่วยลดความเหนี่ยวนำ ความต้านทาน และความจุไฟฟ้า ทำให้มั่นใจได้ว่าสัญญาณล่าช้าลดลง ประสิทธิภาพความถี่สูงที่ดีและเส้นทางระบายความร้อนที่ดีขึ้นจากด้านหลังของชิป

(d) ความน่าเชื่อถือที่ดีขึ้น: การเติมอีพ็อกซี่สำหรับชิปขนาดใหญ่ช่วยให้มั่นใจในความน่าเชื่อถือสูง Flip-chips สามารถลดจำนวนพินการเชื่อมต่อระหว่างกันลงได้สองในสาม

(จ) การกระจายความร้อนที่เพิ่มขึ้น: ชิปพลิกที่ไม่มีการห่อหุ้มช่วยให้ระบายความร้อนด้านหลังของชิปได้อย่างมีประสิทธิภาพ

(f) ต้นทุนต่ำ: การกระแทกที่เกิดขึ้นจำนวนมากช่วยลดต้นทุน

ข้อเสีย:

(ก) เศษเปลือยนั้นทดสอบได้ยาก

(b) ความสามารถในการปรับตัวที่จำกัดของชิปกระแทก

(d) จำเป็นต้องใช้อุปกรณ์ตรวจสอบเอ็กซ์เรย์เพื่อตรวจจับข้อต่อบัดกรีที่มองไม่เห็น

(e) ความเข้ากันได้ไม่ดีกับกระบวนการ SMT

(f) การจัดการแม่พิมพ์เปลือยที่ยากลำบาก

(g) ต้องใช้ความแม่นยำในการประกอบสูง

(h) การใช้ไส้ด้านล่างในปัจจุบันต้องใช้เวลาบ่มพอสมควร

(i) วัสดุพิมพ์บางชนิดมีความน่าเชื่อถือต่ำ

(ญ) การซ่อมแซมทำได้ยากหรือเป็นไปไม่ได้