Монтаж методом перевёрнутого кристалла (Flip-Chip) – ключевая технология корпусирования интегральных схем, применяемая в большинстве современных ПЛИС и других типах устройств в связи с улучшенными относительно стандартного метода микропроволочных соединений электрическими, теплопроводящими и габаритными свойствами изделий. Выбор конкретного метода определяет сложность изготовления, электрические и тепловые параметры, а также область применения конечного электронного компонента/
Технология монтажа методом перевернутого кристалла развивается с 1960-х годов прошлого столетия, начиная с первых опытных изделий от компании IBM (рис.1). Основанием для развития данной технологии как альтернативы микропроволочным соединениям в создании электрического контакта между кристаллом/кристаллами и подложкой являются:
- Меньшая длина микросоединений, а значит большая компактность и лучшие электрические характеристики;
- Большая плотность контактов на единицу площади кристалла, так как микросоединения могут быть сформированы по всей площади кристалла, а не только по граням;
- Более равномерное распределения тепла по кристаллу;
- Лучший отвод тепла от кристалла (возможность создания теплоотвода, в том числе сверху).
Эти преимущества особенно актуальны для многовыводных устройств (>200 соединений). При упаковке подобных электронных компонентов создание микропроволочных электрических контактов сопряжено с чрезмерной сложностью и плотностью этих соединений. Использование очень тонких проволок (<20 мкм), необходимость, в ряде случаев, многоярусной микросварки (2 и более уровней) – эти факторы создают как закономерное ограничение в количестве контактов на единицу площади кристалла, так и высокий риск брака при монтаже таких соединений (короткое замыкание, дефект сварки, обрыв проволоки и т. д.). Таким образом, развитие и совершенствование высокопроизводительных вычислительных устройств требует использования технологии Flip-Chip взамен Wire bonding как гораздо более компактного и продвинутого метода корпусирования.
Процесс монтажа методом перевернутого кристалла (лицевой стороной вниз) по сути объединяет процессы монтажа кристаллов (лицевой стороной вверх) и микросварки проволокой в случае стандартного метода корпусирования (рис.2). Формирование соединений начинается еще до монтажа кристалла путём создания матрицы выводов (бампов) на его поверхности, которые в дальнейшем путем совмещения с зеркальной матрицей площадок на подложке обеспечат электрический и механический контакт кристалла с подложкой, будь то печатные платы, стекло, кремний или иные материалы, перераспределяющие электрический сигнал и тепловую энергию.
Использование такого типа контактов делает более доступным развитие двух важнейших трендов в микроэлектронике последних десятков лет: миниатюризация и вертикальная интеграция.
Целесообразность использование метода Flip-Chip
Необходимость в миниатюрных электронных компонен- тах, обеспечивающих максимальную производительность при минимальной площади размещения на печатной плате, требует искать всё более компактные методы упаковки, а значит – уменьшение различия в геометрических размерах между кристаллом и подложкой. Методы корпусирования Chip Scale Packaging (CSP), также иногда называемые как Fan-in, позволяют снизить эту разницу до коэффициента 1,2 и меньше. Данный метод активно развивался и при использовании проволочных соединений, однако применение Flip-Chip контактов позволяет теоретически свести это различие до полного соответствия геометрических размеров кристалла и подложки.
Дополнением и развитием тренда на миниатюризацию компонентов является вертикальная интеграция микросхем в рамках одного изделия. Основным драйвером для поиска решений по размещению интегральных схем не только по осям XY, но и по Z, стали тяжело преодолимые ограничения по размещению всех элементов на одном кристалле (компоновка типа System-on-Chip). Постоянное увеличение геометрических размеров кристалла вкупе с увеличивающей сложностью каждого отдельного элемента критически повышает риск брака при изготовлении ИС. Более оптимальным методом на определенном этапе развития микроэлектроники стало создание изделий на основе нескольких высокоинтегрированных между собой ИС. Это позволило сочетать в электронном компоненте кристаллы на разных техпроцессах, снижать риск брака относительно всего изделия, быть более гибким в компоновке и промежуточной модернизации изделия.
Опять же, направление вертикальной интеграции имеет свое развитие и при использовании микропроволочных соединений, размещая кристаллы поверх друг друга и оставляя площадки для проводов доступными для разварки.
Компоновки типа Package-on-Package (PoP) или 3D Stacking позволяют размещать микросхемы поверх друг друга и без использования матрицы выводов на кристалле, однако использование более компактных и электрически более совершенных соединений с использованием бампов открывает гораздо более широкие возможности к увеличению производительности и быстродействию устройств на единицу площади.
В процессе развития технологии монтажа методом перевернутого кристалла исследователи опробовали как различные материалы, которые могут использоваться для перемычек между кристаллом и подложкой, так и материалы подложки. Эти материалы должны обеспечивать надежный электрический и физический контакт между составными частями электронного компонента, выдерживать перепады температур в процессе эксплуатации и быть достаточно технологичными, чтобы переход от микропроволочных соединений был оправданным.
Методы бампирования и монтажа кристаллов
Каждый из применяемых на текущий момент типов бампов имеет свои особенности, определяющие его использование в различных приложениях, и соответствующие им методы монтажа. Целесообразно рассматривать каждый метод по следующим параметрам, чтобы выявить уместность их применения в тех или иных случаях:
- Предельная плотность матрицы контактов: минимальный размер бампа, минимальное расстояние между бампами;
- Надежность соединения: устойчивость к перепадам температуры, влияние на качество контакта дефектов геометрии бампа и смещений в процессе монтажа;
- Материал матрицы контактов подложки;
- Требования к процессу монтажа: требуемая точность, давление на кристалл, наличие флюса;
- Сложность создания матрицы контактов на кристалле: количество технологических этапов при ее формировании, скорость монтажа бампов, надежность монтажа бампов.
Рассмотрим наиболее распространенные на текущий момент методы бампировании и монтажа кристаллов.
Золотые бампы (gold stud bumps)
Бампы из золота являются наиболее простой для освоения технологией Flip-Chip монтажа на текущий момент. Для бампирования применяется оборудование, конструкционно схожее с оборудованием для УЗ-микросварки методом шарик-клин с тем лишь принципиальным отличием, что после формировании шарика хвост проволоки обрывается, не формируя вторую точку контакта.
Типичная геометрия бампа – это конус с остатком оборванной проволоки на его конце, что является характерным следствием использования типичных для установок УЗ-микросварки капилляров. В ряде случаев подобный «хвост» является недопустимым, и применяют операцию с общеупотребительным названием «coining», по сути расплющивая дефекты в верхней части бампа и приводя его геометрию к более симметричной (рис.3).
Характерный размер шарика при его оплавлении в капилляре в 2-3 раза больше диаметра используемой проволоки, поэтому практическим пределом размера бампа является ~50-60 мкм с типичным в данном случае шагом матрицы бампов в ~90-100 мкм.
Для технологии gold stud bumping существует широкий спектр допустимых материалов контактных площадок подложки в зависимости от типа монтажа. Этот диапазон обеспечивается тем, что золото является физическим инертным материалом, и отсутствие оксидной плёнки на его поверхности исключает необходимость применения флюса и иной существенной химической обработки бампов перед монтажом. Это позволяет широко использовать данный метод в лазерных устройствах, где крайне нежелательно применение флюса. Последовательно рассмотрим каждый из методов монтажа.
Термокомпрессионный монтаж
Данному методу в большинстве случаев соответствует золото в качестве материалов контактных площадок. В процессе монтажа матрицы площадок и бампов разогреваются до типичных для данного метода температур ~350 C, и при контакте золота к золоту применяется усилие, обеспечивающее взаимное проникновение материалов матриц (рис.4). Далее, при необходимости, выполняется подзаливка подкристального пространства (underfill) высокотекучим клеем, чтобы обеспечить более устойчивое физическое крепление кристалла, а также улучшить теплопроводящие параметры устройства.
Термозвуковой монтаж
В случае, когда термокомпрессионное усилие и/или температура нагрева являются чрезмерными, близкой альтернативной становится монтаж с приложением ультразвука для стимуляции процесса создания сварного соединения. Поперечные смещения кристалла на единицы микрометров в процессе монтажа локально разогревают точки контакта, тем самым уменьшается необходимое давление на кристалл и температура нагрева материалов.
Однако такой способ не может считаться однозначно лучшей альтернативой термокомпрессии, так как УЗ-колебания также создают риск повреждения кристалла при монтаже. Основная сложность – выбор инструмента захвата кристалла, обеспечивающего передачу УЗ-колебаний, не нанося при этом критических повреждений интегральной схеме.
Монтаж на непроводящий адгезив
При использовании данного метода контакт кристалла с подложкой обеспечивается, в первую очередь, не сварным соединением контактов, но непроводящим адгезивом (NCA), предварительно нанесенным на матрицу контактов подложки. Кристалл продавливается сквозь адгезив до момента обеспечения электрического контакта (рис. 5), и после полимеризации клея электрическое и физическое соединение кристалла с подложкой становится стабильным. В данном случае предпочтительна плоская геометрия бампа для увеличения потенциальной площади контакта бампа с площадкой.
Такой метод, по сути, снимает необходимость проведения процесса underfill, существенного нагрева кристалла в процессе монтажа, работ с флюсом и иных технически сложных операций. Однако очевидным образом возникают проблемы как с качеством электрического контакта, так и с его надежностью, более низкой относительно сварного соединения особенно после многих циклов термоциклирования.
Монтаж на анизотропный проводящий адгезив
Модификацией метода выше является монтаж с использованием клея, в составе которого относительно разреженно распределены частицы из проводящего материала (ACA). Подобный адгезив, соответственно его названию, обеспечивает в местах приложения давления проводимость по оси Z, не допуская прохождения тока по осям XY. Проводящие частицы при монтаже оказываются между бампом и площадкой, и за счет приложенного давления обеспечивают между ними электрический контакт (рис. 6).
Данный метод несколько увеличивает качество и надежность электрического контакта. Неизбежной издержкой становится использование более дорогого и сложного адгезива с высокими требованию к его качеству и техническим параметрам.
Монтаж на изотропный клей
Диаметрально отличным способом в случае Flip-Chip монтажа с использованием адгезива является нанесение проводящего клея на каждую отдельную контактную площадку подложки (рис. 7). Бамп при монтаже кристалла в таком случае имеет существенно большую эффективную площадь электрического контакта с площадкой, при этом всё еще обеспечивается механическое сцепление кристалла с подложкой.
Ключевой сложностью данного метода является нанесение предельно малых доз клея на площадки, исключая при этом короткое замыкание между ними как до, так и после размещения на них бампов. Существует ряд технических решений, позволяющих обеспечивать требуемую точность дозирования, будь то трафаретная печать, матричное штемпеливание или каплеструйное дозирование токопроводящего клея. Однако это остается сложной технологической задачей, особенно с уменьшением размера бампов и расстояния между ними.
Область применения технологии gold stud bump
Ключевыми особенностями данного метода бампирования являются дешевизна оборудования, необходимого для старта освоения технологии, а также относительно высокая плотность контактов. Отсутствие необходимости использования флюса при монтаже также упрощает производственный процесс устройства.
Но есть существенный недостаток данного метода – относительно большое давление на кристалл в процессе монтажа независимо от того, будет это термокомпрессионый монтаж или монтаж на адгезив. Нестабильную геометрию бампа и сложности в обеспечении надежного электрического контакта тоже следует принимать во внимание. Также важно, что матрица бампов наносится последовательно, один за другим, превращая бампирование одной пластины в крайне продолжительный процесс, что ограничивает масштабируемость этого технологического этапа.
Все это определило основной областью для этой технологии производство лазерных и оптических устройств, в которых использование флюса крайне не- желательно, применение ультратонких кристаллов не повсеместно, а значит приложение большого усилия в процессе монтажа не является критичным препятствием. Эта технология также популярна в опытном и мелкосерийном производствах, для которых существенным ограничением являются стоимость необходимого оборудования.
Бампы шариков припоя типа C4
Припойные бампы (т.н. тип C4 – Controlled Collapse Chip Connection) являются первым методом создания матрицы контактов, нашедшей свое массовое применение в изготовлении коммерчески успешных ПЛИС. Материалами могут выступать припои типов PbSn, SnAg, SnCu, InSn, AuSn и др. Характерными размерами бампов типа C4 являются 75-200 мкм в диаметре. Таким образом, минимальный шаг матрицы ограничен значениями в ~120 мкм.
Методы формирования матрицы контактов
Основным методом нанесения служит гальваническое осаждение свинцового или бессвинцового припоя поверх слоя подбамповой металлизации (UBM – under bump metallization), чаще всего на основе Ti / TiW-Cu, сквозь маску из фоторезиста с характерной толщиной ~40 мкм. После нанесение припоя и снятия фоторезиста матрица бампов оплавляется в контролируемой среде, приобретая характерную шарообразную форму (рис. 8). Эта технология позволяет за один производственный цикл произвести бампирование по всей площади пластины.
Альтернативные и относительно распространенные методы нанесения C4-бампов – это магнетронное осаждение, трафаретная печать и последовательный лазерный монтаж.
Магнетронное нанесение является более медленной и более ограниченной в спектре материалов альтернативой гальваническому осаждению. Необходимость последовательного осаждения тонких слоёв двух металлов для создания эвтектического соединения (напр. AuSn), более медленная скорость роста плёнок – всё это определяет использование данной техники только при невозможности внедрения в производство гальванического метода.
Трафаретная печать предполагает поэтапное заполнение окон в литографической маске припойной пастой. Последовательной многократной печатью поверх слоя UBM формируются столбики из паяльной пасты, которые после снятия фоторезиста оплавляются аналогично стандартным гальваническим С4-бампам. Этот метод также менее требователен к оснащенности производственной линии, однако относительно стандартного гальванического метода трафаретная печать как делает более затруднительным формирование бездефектной матрицы без замыканий между соседними контактами, так и даёт меньшее соотношение между высотой бампа и шагом матрицы.
Метод последовательного лазерного монтажа бампов, ведущим разработчиком которого является компания PacTech, является дешевой альтернативой гальванике в нише мелкосерийного производства. Предварительно изготовленные шарики припоя необходимого диаметра последовательно помещаются в сопле установки в процессе бампирования. Интегрированный в сопло лазерный источник расплавляет шарик, а поток инертного газа выдувает его в направлении площадки на пластине, окружая его в процессе полёта защитной от окисления средой. Такой метод позволяет обходиться минимальным количеством технологических этапов для создания матрицы контактов на кристалле. Но очевидным недостатком, делающим этот метод нецелесообразным в массовом производстве, является последовательный характер нанесения, что, как и в случае золотых контактов, делает бампирование узким и трудномасштабируемым этапом при большой серии.
Метод монтажа
Основной применяемый на текущий момент метод монтажа кристаллов с матрицей контактов данного типа состоит из следующих этапов (рис. 9):
Флюсование матрицы контактов
После переворота кристалла матрица контактов опускается в тонкий слой флюса, обволакиваюшего каждый бамп в отдельности непосредственно перед размещением на подложке. Альтернативный метод – нанесение слоя флюса непосредственно на подложку.
Монтаж на подложку
Кристалл совмещается с зеркальной ей матрицей площадок подложки и временно закрепляется на ней за счет преднанесенного флюса.
Оплавление припоя
Подложка помещается в печь для оплавления шариков припоя и их крепления к матрице контактов.
Отмывка подложки от флюса
Подкристальное пространство очищается от остатков флюса на контактах по аналогии со стандартной процедурой отмывки печатных плат при, например, монтаже электронных компонентов на плату.
Подзаливка подкристального пространства
Заполнение адгезивом пространства между кристаллом и подложкой улучшает механическое соединение и повышает теплопроводимость устройства.
Важная особенность бампов типа С4, отраженная в его названии, – это способность к самовыравниванию на этапе оплавления припоя. Матрица под воздействием разницы сил поверхностного натяжения смещается к площадкам на подложки, даже если перед этим при монтаже было допущено смещение их относительно друг друга.
Область применения
Способность к самовыравниванию, малое механическое воздействие на кристалл при монтаже, возможность параллельного нанесения бампов по всей пластине – существенные преимущества относительно технологии золотых бампов. Это определило широкое применение технологии при производстве многовыводных вычислительных устройств, предполагающих большое количество контактов и малые толщины кристалла, не допускающие грубых методов монтажа при корпусировании.
Стоит отметить, что применение припойных шариковых бампов на основе AuSn позволяет использовать C4-метод и в производстве лазерных компонентов без использования флюса.
Припойные бампы стали повсеместно использоваться при корпусировании ПЛИС как компактная и удобная альтернатива проволочным выводам. Это дало толчок к дальнейшему развитию таких методов компоновки, как «система в корпусе» (SiP – System in Package) и «система на кристалле» (SoC – System on Chip), а также сделало возможным появление методов «корпусирование на уровне пластины» (WLP – wafer level Packaging) и иные способы вертикальной интеграции ИС в рамках одного устройства.
Однако низкая предельная плотность контактов (>~120 мкм) стала основанием для перехода данной технологии на следующий этап.
Медно-припойные бампы типа C2
С целью уменьшения шага матрицы бампов по мере всё увеличивающихся требований к компактности изделий и количеству размещаемых выводов была разработана технология размещения шапки припоя на столбике из меди (copper pillar bump) с промежуточной Ni- металлизацией для защиты от диффузии материалов c образованием соединений Cu₃Sn и Cu₆Sn₅, разрушающих бамп. Матрица контактов изготавливается по той же процедуре, что и гальваническое осаждение бампов типа C4, с разницей лишь в наличии этапов осаждения меди и никеля перед нанесением припоя (рис. 10).
Наиболее продвинутой разновидностью данного метода является монтаж кристалла на матрицы медных столбиков с припойной шапкой (Cu Pillar/SAC305 или Cu Pillar/ PbSn), и она предпочтительна при проектировании ПЛИС как при стандартном процессе Chip-on-Substrate, так и при 2,5D/3D-интеграции компонентов при процессах Chip-on-Wafer (CoWoS) и даже Wafer-on-Wafer (W2W).
Данная технология позволяет добиться существенно меньших относительно типа C4 размеров бампов (~25 мкм в диаметре) с меньшим шагом в ~40 мкм и более высокой теплопроводимости (~400 Вт/м*К для меди к ~60 Вт/м*К для PbSn). Однако свойство самовыравнивания становится неактуальным для бампов типа С2 из-за меньших размеров шапки припоя и другого типа площадки на кристалле.
Это определяет ряд особенностей процесса монтажа для данных кристаллов.
Методы монтажа
Для медно-припойных бампов всё так же актуальна процедура монтажа кристаллов, типичная для припойных бампов C4. Однако меньший шаг между бампами и отсутствие эффекта самовыравнивания определяет повышенные требования к точности монтажа кристаллов на подложку. Если для матрицы бампов на основе припоя в большинстве случаев достаточно постмонтажной точности в диапазоне 7-10 мкм, то для медно-припойных бампов требуется обеспечить точность монтажа примерно 3 мкм, что доступно лишь наиболее продвинутым единицам оборудования.
Сложности подобного рода, особенно риск относительного смещения матриц бампов и контактов перед оплавлением, побуждают к использованию термокомпрессионного метода монтажа как равноправной альтернативы.
Кристалл при данном методе монтируется сквозь слой преднанесённого на подложку NCA. Таким образом, бамп механически цепляется за подложку уже на этапе раз- мещения на ней, и дальнейшая процедура полимеризаци адгезива также окончательно оплавляет бамп для сцепле- ния с площадкой.
Недостаток данного метода – это невозможность отмывки бампов от флюса после монтажа, что неизбежно ухудшает электрические характеристики соединений и создаёт дополнительные риски при длительной эксплуатации изделий. Однако такой метод считается наиболее перспективным для дальнейшего развития данной техно- логии. В планах ведущих мировых компаний заявляется разработка методов бампирования и монтажа пластин с характерным размером бампов в ~10 мкм.
Области применения
Предельная на текущее время плотность размещения бампов позволяет разработку высокоинтегрированных электронных компонентов по технологиям Chip-to-Wafer для 2,5D интегрированных сборок и Wafer-to-Wafer для 3D-интегрированных сборок в современных вычислительных устройствах. Высокая плотность контактов дает возможность размещать в одном корпусе множество различных кристаллов, объединённых с использованием промежуточного носителя – интерпозера. При этом относительно метода Package-on-Package сохраняется достаточная компактность устройств по оси Z.
Никелевые бампы
Еще одной бюджетной альтернативой гальваническому нанесению бампов является технология жидкостного химического осаждения, не требующая гальванического и литографического оборудования. На предварительно активированные контактные площадки на кристалле через промежуточное покрытие наносится слой металла (преимущественно никеля) с внешним иммерсионным золотым покрытием для защиты от окисления и улучшения паяемости (рис. 12).
Таким образом, никелево-золотые бампы становятся аналогом метода gold stud bump, при этом позволяя проводить бампирование одновременно по всей площади пластин вплоть до 300 мм, что малодоступно в случае использования золотых бампов. Для такой матрицы контактов в той же степени актуальны процессы монтажа на непроводящий или анизотропный адгезив, допустим эвтектический монтаж на припойные площадки на подложке. Однако при таком методе бампирования существенным ограничением является малое соотношение высоты бампа к его диаметру в силу анизотропного характера осаждения никеля.
Заключение
На текущий момент большинство микроэлектронных устройств всё так же корпусируется с использованием технологии wire bonding. Гибкость, относительная дешевизна и простота в освоении определяют его использование при производстве всех основных типов электронных компонентов.
Современные вычислительные устройства, имеющие в своем составе множество специализированных СБИС, требуют компактного и эффективного соединения её составных частей. При корпусировании ПЛИС, оптических, СВЧ- и иных типов устройств в определенных случаях возникает необходимость поиска альтернативы микропроволочным соединениям, и метод перевернутого кристалла становится основной ему заменой.
Выбор конкретного типа Flip-Chip корпусирования определяется не только расчетными электрическими и габаритными параметрами устройства, характеристиками кристаллов и подложек, областью применения устройства, но и предполагаемыми объёмами производства и удельной стоимостью каждого электронного компонента. С учетом накопленного за десятилетия научного и производственного опыта по технологии Flip-Chip для производителей электроники в большинстве случаев есть выбор из нескольких допустимых методов корпусирования.
________________________________________
Григорий Савушкин
Пресейл-инженер по вопросам микросборки и корпусирования
Сентябрь 2024
_________________________________________
Подписывайтесь на наш канал на Яндекс.Дзен
Вебсайт Остек-ЭК: решения по микросборке и корпусированию
#Flip-Chip #C4_bump #C2_bump #System_in_Package #System_on_Chip #wafer_level_Packaging #корпусирование #микросборка