stringtranslate.com

Флип-чип

Intel Mobile Celeron в корпусе BGA с перевернутым кристаллом (FCBGA-479); перевернутый кристалл, подложка BGA темно-желтого цвета, а кремниевый кристалл выглядит темно-синим
Видны нижняя сторона кристалла корпуса перевернутого кристалла, верхний металлический слой на кристалле ИС или верхний слой металлизации, а также металлизированные площадки для монтажа перевернутого кристалла.

Перевернутый кристалл , также известный как контролируемое коллапсное соединение кристалла или его аббревиатура C4 , [1] представляет собой метод соединения кристаллов, таких как полупроводниковые приборы , микросхемы IC , интегрированные пассивные устройства и микроэлектромеханические системы (MEMS), с внешними цепями с помощью припойных столбиков, которые были нанесены на контактные площадки чипа. Метод был разработан отделом легкой военной электроники General Electric , Ютика, Нью-Йорк . [2] Припойные столбики наносятся на контактные площадки чипа на верхней стороне пластины во время заключительного этапа обработки пластины . Чтобы установить чип на внешнюю схему (например, печатную плату или другой чип или пластину), его переворачивают так, чтобы его верхняя сторона была обращена вниз, и выравнивают так, чтобы его контактные площадки совпадали с соответствующими контактными площадками на внешней цепи, а затем припой оплавляется для завершения соединения. Это отличается от проволочного соединения , при котором чип устанавливается вертикально, а тонкие провода привариваются к контактным площадкам чипа и контактам выводной рамки для соединения контактных площадок чипа с внешней схемой. [3]

Этапы процесса

  1. Интегральные схемы создаются на пластине .
  2. На поверхность чипов нанесены металлизированные контактные площадки.
  3. На каждую из контактных площадок наносится шарик припоя в процессе, называемом столбчатым выводом пластины.
  4. Чипсы нарезаны.
  5. Чипы переворачиваются и располагаются таким образом, чтобы шарики припоя были обращены к разъемам внешней схемы.
  6. Затем шарики припоя переплавляются (обычно с помощью оплавления горячим воздухом ).
  7. Установленный чип «недозаполнен» с помощью (показано здесь капиллярного) электроизолирующего клея . [4] [5]

Сравнение технологий монтажа

Сварка проволокой/термозвуковая сварка

Соединения в силовом блоке выполнены с помощью толстых алюминиевых проводов (от 250 до 400 мкм), соединенных клиновым методом.

В типичных системах изготовления полупроводников чипы собираются в большом количестве на одной большой пластине полупроводникового материала, как правило, кремния. Отдельные чипы имеют рисунок с небольшими контактными площадками металла около их краев, которые служат соединениями с конечным механическим носителем. Затем чипы вырезаются из пластины и прикрепляются к своим носителям, как правило, с помощью проводного соединения, такого как термозвуковое соединение . Эти провода в конечном итоге ведут к штырям на внешней стороне носителей, которые прикрепляются к остальной части схемы, составляющей электронную систему.

Флип-чип

Схематическое изображение типичного монтажа перевернутого кристалла (боковой вид)

Обработка перевернутого чипа похожа на традиционное изготовление ИС, с несколькими дополнительными этапами. [6] Ближе к концу производственного процесса контактные площадки металлизируются, чтобы сделать их более восприимчивыми к припою. Обычно это состоит из нескольких обработок. Затем на каждую металлизированную площадку наносится небольшая точка припоя. Затем чипы вырезаются из пластины как обычно.

Чтобы прикрепить перевернутый чип к схеме, чип переворачивается, чтобы свести точки припоя на разъемы или площадки на базовой электронике или плате или подложке. Затем припой снова расплавляется для создания электрического соединения, как правило, с использованием термозвукового соединения или альтернативного процесса оплавления припоя . [7]

Это также оставляет небольшое пространство между схемой чипа и нижележащим креплением. Во многих случаях электроизоляционный клей затем «недоливается», чтобы обеспечить более прочное механическое соединение, обеспечить тепловой мост и гарантировать, что паяные соединения не будут напряжены из-за дифференциального нагрева чипа и остальной части системы. Недолив распределяет несоответствие теплового расширения между чипом и платой, предотвращая концентрацию напряжения в паяных соединениях, которая может привести к преждевременному выходу из строя. [8]

Шарики припоя можно монтировать на чипы, отдельно изготавливая шарики, а затем прикрепляя их к чипам с помощью вакуумного захвата, чтобы захватить шарики и затем поместить их в чип с флюсом, нанесенным на контактные площадки для шариков, или с помощью гальванопокрытия, при котором затравочные металлы сначала осаждаются на пластину с чипами, которые должны быть выдавлены. Это позволяет припою прилипать к контактным площадкам чипов во время процесса гальванопокрытия. Затравочные металлы представляют собой сплавы и осаждаются путем напыления на пластину с чипами, которые должны быть выдавлены. Фоторезистивная маска используется только для нанесения затравочного металла поверх контактных площадок чипов. Затем пластина подвергается гальванопокрытию, и слой фоторезиста удаляется или зачищается. Затем припой на чипах подвергается оплавлению припоя, чтобы сформировать выпуклости в их окончательной форме. Весь этот процесс известен как выдавливание пластин. Шарики припоя часто имеют диаметр от 75 до 500 микрон. [9] [10]

В 2008 году высокоскоростные методы монтажа развивались благодаря сотрудничеству между Reel Service Ltd. и Siemens AG в разработке высокоскоростной монтажной ленты, известной как «MicroTape»[1]. Благодаря добавлению процесса ленты и катушки в методологию сборки , размещение на высокой скорости стало возможным, достигая скорости захвата 99,90% и скорости размещения 21 000 комп./ч (компонентов в час) с использованием стандартного оборудования для сборки печатных плат.

Корпуса Flip Chip часто состоят из кремниевого кристалла, расположенного на «подложке», которая затем располагается на традиционной печатной плате. Подложка может иметь шариковую решетку (BGA) на нижней стороне. Подложка делает соединения с кристаллом доступными для использования печатной платой. [11] Подложки, изготовленные с использованием наплавленной пленки, такой как Ajinomoto Build up Film (ABF), производятся вокруг сердечника, а пленка укладывается на сердечник слоями с помощью вакуумного ламинирования при высоких температурах. После нанесения каждого слоя пленка отверждается, и лазерные переходы изготавливаются с помощью CO2 или УФ-лазеров, затем глухие переходы в подложке очищаются, а наплавленная пленка становится шероховатой химическим способом с помощью перманганата, а затем медь осаждается с помощью химического меднения , после чего на меди создается рисунок с помощью фотолитографии и травления, а затем этот процесс повторяется для каждого слоя подложки. [12] [13]

Автоматизированное склеивание лентой

Ленточно-автоматизированное соединение (TAB) было разработано для соединения кристаллов с помощью термокомпрессии или термозвукового соединения с гибкой подложкой, включающей от одного до трех проводящих слоев. Также с помощью TAB можно одновременно соединять выводы кристалла, как и при монтаже перевернутого кристалла на основе пайки. Первоначально TAB мог производить соединения с более мелким шагом по сравнению с перевернутым кристаллом, но с развитием перевернутого кристалла это преимущество уменьшилось и оставило TAB специализированной техникой соединения драйверов дисплеев или аналогичной, требующей специальной системы сборки типа «рулон-рулон» (R2R, reel-to-reel), соответствующей TAB.

Преимущества

Полученная в результате сборка флип-чипа намного меньше традиционной системы на основе носителя; чип располагается непосредственно на печатной плате и намного меньше носителя как по площади, так и по высоте. Короткие провода значительно снижают индуктивность , позволяя передавать сигналы с более высокой скоростью, а также лучше проводить тепло.

Недостатки

У перевернутых чипсов есть несколько недостатков.

Отсутствие носителя означает, что они не подходят для легкой замены или невооруженной ручной установки. Они также требуют очень плоских монтажных поверхностей, что не всегда легко организовать, а иногда и трудно поддерживать, поскольку платы нагреваются и остывают. Это ограничивает максимальный размер устройства.

Кроме того, короткие соединения очень жесткие, поэтому тепловое расширение чипа должно соответствовать тепловому расширению поддерживающей платы, иначе соединения могут треснуть. [14] Материал под заливкой действует как промежуточное звено между разницей в КТР чипа и платы.

История

Первоначально этот процесс был представлен в коммерческих целях компанией IBM в 1960-х годах для отдельных транзисторов и диодов, упакованных для использования в ее мэйнфреймовых системах. [15]

Керамические подложки для BGA с перевернутыми кристаллами были заменены органическими подложками для снижения затрат и использования существующих технологий производства печатных плат для производства большего количества корпусов за раз за счет использования более крупных панелей печатных плат в процессе производства. [16] Пленка для сборки Ajinomoto (ABF) была разработана в 1999 году и стала материалом, широко используемым в корпусах с перевернутыми кристаллами, используемым для производства подложек для перевернутых кристаллов в полуаддитивном процессе, впервые примененном Intel. [17] [18] [19] Пленка для сборки помогла отрасли перейти от керамических подложек, и теперь эта пленка необходима в производстве органических подложек для корпусов с перевернутыми кристаллами. [20] [21]

Альтернативы

С момента появления перевернутого чипа было представлено несколько альтернатив припойным столбикам, включая золотые шарики или формованные штифты, электропроводящий полимер и процесс «покрытия столбика», при котором изолирующее покрытие удаляется химическим путем. Перевернутые чипы недавно приобрели популярность среди производителей сотовых телефонов и другой малой электроники, где экономия размера имеет значение. [ необходима цитата ]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ EJ Rymaszewski, JL Walsh и GW Leehan, «Технология полупроводниковой логики в IBM», IBM Journal of Research and Development , 25, № 5 (сентябрь 1981 г.): 605.
  2. ↑ Фильтр-центр, Aviation Week & Space Technology , 23 сентября 1963 г., т. 79, № 13, стр. 96.
  3. ^ Питер Элениус и Ли Левин, Обзор Chip Scale. «Сравнение технологий межсоединений Flip-Chip и Wire-Bond». Июль/август 2000 г. Получено 30 июля 2015 г.
  4. ^ «BGA Underfill для повышения прочности COTS». NASA. 2019.
  5. ^ «Повторный взгляд на недолив: как десятилетняя технология позволяет создавать более компактные и долговечные печатные платы». 2011.
  6. ^ Джордж Райли, Flipchips.com. «Solder Bump Flip Chip». Ноябрь 2000 г. Получено 30 июля 2015 г.
  7. ^ https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/application-notes/AN-617.pdf [ простой URL PDF ]
  8. ^ Венкат Нандивада. «Улучшение электронных характеристик с помощью эпоксидных компаундов». Design World. 2013.
  9. ^ «Конечный процесс: Шаг 7 – Пошаговая пайка столбиками | Semiconductor Digest».
  10. ^ "Flip Chip—The Bumping Processes". Упаковка, сборка и соединения интегральных схем . Springer. 2007. стр. 143–167. doi :10.1007/0-387-33913-2_10. ISBN 978-0-387-28153-7.
  11. ^ Хербст, Вольфганг. "Процесс бэкэнда: Шаг 5 – Присоединение перевернутого кристалла. Варианты процесса и материалов". Semiconductor Digest . Получено 24.08.2024 .
  12. ^ Материалы для усовершенствованной упаковки. Springer. 18 ноября 2016 г. ISBN 978-3-319-45098-8.
  13. ^ Хе, Лэй (2010). «Система в корпусе: перспективы электрических и компоновочных решений». Основы и тенденции в автоматизации электронного проектирования . 4 (4): 223–306. doi :10.1561/1000000014.
  14. ↑ Demerjian, Charlie (2008-12-17), Чипы Nvidia демонстрируют проблемы с недоливом, The Inquirer, заархивировано из оригинала 21 июля 2009 г. , извлечено 2009-01-30{{citation}}: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка )
  15. ↑ Джордж Райли, Введение в Flip Chip: Что, Почему, Как, Flipchips.com, октябрь 2000 г.
  16. ^ Материалы для усовершенствованной упаковки. Springer. 17 декабря 2008 г. ISBN 978-0-387-78219-5.
  17. ^ «Секретный ингредиент Ajinomoto теперь жизненно важен для гигантов по производству чипов». 9 ноября 2022 г.
  18. ^ Ли, Тенгюй; Ли, Пэн; Сан, Ронг; Ю, Шухуэй (2023). «Нанокомпозиты на основе полимеров в корпусе полупроводников». IET Nanodielectrics . 6 (3): 147–158. doi : 10.1049/nde2.12050 .
  19. ^ Материалы для усовершенствованной упаковки. Springer. 17 декабря 2008 г. ISBN 978-0-387-78219-5.
  20. ^ «Нехватка субстратов ABF может помешать поставкам новых чипов ЦП и ГП в 2021 году». 14 декабря 2020 г.
  21. ^ Материалы для усовершенствованной упаковки. Springer. 18 ноября 2016 г. ISBN 978-3-319-45098-8.

Внешние ссылки