Введение
Тема реферата«Технология миниатюризации электронных устройств. Технологии “flip-chip”» подисциплине «Конструирование вычислительной техники».
Работа знакомит сособенностями технологии “flip-chip”, которая сегодня широко используется длясоздания миниатюрных электронных устройств.
1. Технология миниатюризации электронных устройств
Технология “flip-chip”
Технология “flip-chip”,названная ControlledCollapse Chip Connection(монтаж кристалла методом контролируемого сплющивания) или С4, была разработанафирмой IBM в 1960 году. В соответствии с этой технологией на поверхностикристалла микросхемы создается поле столбиковых выводов из оловянно-свинцовогосплава, затем перевернутый кристалл припаивается методом оплавления к площадкамподложки.
Сегодня многие фирмышироко используют flip-chip технологию для изготовления миниатюрных электронныхустройств. Так, например, для медицинского применения по этой технологииизготавливают микросборки имплантантов, миниатюрные беспроводные устройства идр. Последние достижения этой технологии при трехмерном (пространственном)расположении чипов позволяют достичь беспрецедентной степени миниатюризации инадежности. При разработке технологии изготовления изделий, для которых основнымитребованиями являются минимальный объем, надежность и максимальный срок службы,основное внимание следует уделить выбору оптимального способа монтажа чипа натонкие гибкие подложки.
2. Критерии миниатюризации
Три основных критерияопределяют степень миниатюризации изделия. Во-первых, с уменьшением размеровмикросхемы можно рассчитывать на повышение объемов ее продажи и увеличениеприменения, особенно в таких областях, как медицина, телекоммуникации,космонавтика и военная промышленность. Однако оптимальный выбор размеровизделия представляет собой компромисс между возможностями технологии изатратами на его изготовление.
Во-вторых, для отраслей,в которых расходы на миниатюризацию изделий являются оправданными, одним изпервоочередных требований является их высокая надежность.
Существующие технологииминиатюризации позволяют сократить общее число соединений и их длину. При этомуменьшается индуктивность выводов, повышается КПД изделия и уменьшается егоперегрев. В результате увеличивается надежность изделия.
В-третьих, принятиерешения о миниатюризации изделий нередко связано с производственными проблемами(плотностью размещения кристаллов микросхем, свойствами подложки с печатнымипроводниками, наличием компонентов, возможностью автоматизации производства), атакже с ожидаемым соотношением производственных затрат и планируемой прибыли.
Если успех изделия нарынке зависит от степени его миниатюризации, способности работы на более высокихчастотах и уменьшения рассеиваемой мощности, то большинство технологическихпроблем при его изготовлении так или иначе связано с монтажом кристалла на подложку.К примеру, с уменьшением размера кристаллов микросхем все более важнойстановится оптимальная трассировка проводников.
Неудачная трассировкаможет привести к увеличению паразитных емкости, индуктивности и сопротивленияпроводников, что увеличит потребляемую мощность и паразитные связи между элементами.Слишком плотное размещение дорожек может привести к увеличению отказов из-закороткого замыкания между ними.
flip chipминиатюризация электронный
3. Особенности монтажа flip-chip-кристалла
В настоящее времяиспользуются следующие способы монтажа flip-chip-кристалла на подложку:
— формированиеоловянно-свинцовых выводов и припаивание их к подложке методом оплавления
— формирование золотыхстолбиковых выводов гальваническим методом и создание контакта с золотымиплощадками подложки способом термокомпрессии (рис. 1)
— приклеивание выводовкристалла к подложке с помощью электропроводного клея.
В зависимости отиспользуемой технологии могут потребоваться дополнительные операции, например, созданиедобавочного слоя металлизации под будущими выводами, что связано с затратамивремени и средств.
При пайке оплавлениемвозникает необходимость в операции очистки от остатков флюса, т. к. их наличиеспособствует образованию пустот в толще паяного соединения и растеканию флюса всторону от места расположения вывода.
В случае монтажакристаллов больших размеров может возникнуть погрешность в расположении его крайнихвыводов относительно площадок подложки, обусловленная различными коэффициентамилинейного расширения кристалла и подложки.
Не следует такженедооценивать механические напряжения, возникающие в паяном соединении в процессеизменения температуры. Влияние этого фактора возрастает с увеличением размеровкристалла.
Для его компенсациимежду кристаллом и подложкой вводят промежуточный слой полимера, называемого недоливком.Качество недоливка существенно влияет на надежность изделия. Во избежаниеотслоения выводов и потери контакта недоливок должен быть однородным, безпустот и обладать хорошей адгезией как к кристаллу, так и к подложке.
Различие коэффициентовлинейного расширения влияет также и на изделия, монтируемые с помощью электропроводныхклеев. Здесь также используют недоливок. Однако, если при нагревании онрасширяется больше, чем электропроводный клей, контакт между кристаллом иподложкой может быть нарушен.
Кроме того, следуетучитывать, что электрический контакт, создаваемый с помощью электропроводного клея,образуется вследствие наличия в нем токопроводящих частиц диаметром менее 1 мил(25 мкм). Поэтому во избежание потери контакта неплоскостность сочленяющихсяповерхностей не должна превышать этой величины. В идеальном случае композитныйклей должен был бы иметь тот же коэффициент линейного расширения, что и находящийсяс ним в контакте диэлектрик, достичь чего можно было бы значительно проще, еслибы в клее не было проводящих частиц. Поэтому здесь необходимо использоватьразличные способы крепления.
Уменьшение размеровконтактных площадок ограничено свойствами подложки. Как правило, на гибких подложкахдопустимы площадки меньших размеров.
Это объясняется соотношениеммежду толщиной подложки и диаметром переходных отверстий, соединяющих различныеее слои. При большой толщине подложки создание переходных отверстий малогодиаметра не представляется возможным. Кроме того, при соотношении толщины подложкии диаметра отверстия более чем 5:1, невозможно создать в отверстии качественныйслой металлизации. Если, например, в некотором изделии ширина дорожек ирасстояние между ними должны быть не более 50 мкм, то диаметр переходныхотверстий также должен быть равен этой величине. Следовательно, толщинаподложки в этом случае должна быть не более 250 мкм. Дополнительноепреимущество гибких подложек заключается в возможности придания им различнойформы, и, как следствие, в большем разнообразии форм и габаритов корпусовмикросхем.
В зависимости отспособа миниатюризации подготовка кристалла микросхемы к монтажу может быть выполненакак до резки кремниевой пластины на отдельные кристаллы, так и после нее. Кпримеру, на кристалл могут быть нанесены дополнительные слои металлизации иливыполнено перераспределение выводов. Кристаллы, предназначенные для пайки или приклеиванияэлектропроводными клеями, лучше всего готовить до резки пластины. Для монтажа сприменением непроводящих клеев формирование столбиковых выводов можноосуществить сравнительно простыми способами, как на неразрезанной кремниевойпластине, так и на отдельном кристалле. Пайка или склейка электропроводнымиклеями предпочтительны для крупносерийного производства, в то время как монтажс помощью непроводящих клеев больше применим для выпуска малых и средних серий.
В таблице представленысравнительные характеристики трех основных способов монтажа микросхем.
4. Скорость монтажа и возможность его автоматизации
Способы монтажа спомощью золотых выводов и электропроводных клеев лишены многих недостатков, присущихпайке. Являясь по сути механическими операциями, они могут быть легкоавтоматизированы.
Правда, в некоторыхслучаях возникает необходимость в ручной сборке, что требует участияквалифицированных монтажников. Во всяком случае, использование этих способовпредоставляет широкие возможности монтажа различных типов микросхем наразличные подложки.
Процесс созданиязолотых столбиковых выводов на поверхности кристалла может быть автоматизированкак для неразрезанной кремниевой пластины, так и для отдельного кристалла. Вотличие от других способов монтажа для выращивания золотых выводов (см.рис.1)не требуется предварительная металлизация.
Используемый длямонтажа непроводящий клей наносят на подложку способом трафаретной печати.
Применение непроводящихтермопластичных клеев позволяет несколько уменьшить действие сил, возникающихвследствие различных коэффициентов линейного расширения кристалла и подложки.Эти клеи размягчаются при нагревании, что позволяет упростить и ускорить монтаж,сведя его к трем операциям: нагреву, прижиму и охлаждению кристалла. Типовымипараметрами процесса монтажа являются:
— сила прижима (на одинвывод) от 50 до 80 г;
— температура от 150 до250 °С;
— время отвердевания неболее 10 с;
— точностьпозиционирования кристалла ±5 мкм.
Термопластичныенепроводящие клеи отличаются низким газовыделением, так как при их примененииотсутствует химическая реакция. Это дает возможность использовать их в герметизированнойаппаратуре. Скорости изготовления изделий с применением этих клеев и хорошоизвестных эпоксидных соизмеримы. Отличие состоит в том, что первые допускаютремонт печатных плат с заменой микросхем. Это особенно важно в случае применениямикросхем с большим числом выводов, замена которых экономически оправдана.
Установка микросхем напечатную плату может осуществляться как вручную, так и автоматически в зависимостиот способа соединения, числа выводов и т. д. При автоматической илиполуавтоматической установке для позиционирования микросхемы относительно местапосадки используют серийно выпускаемое или специализированное оборудование.Затем микросхему прижимают к плате, в результате чего ее выводы сплющиваются ипод действием местного нагрева (в течение 10 с) создается надежное соединениезолотых выводов и контактной площадки, а также отвердевание клея. Монтаж спомощью клея существенно ускоряет процесс изготовления изделий и обеспечиваетнадежность соединения.
На хорошо спроектированномоборудовании все соединения можно выполнить за одну технологическую операцию,при этом шаг между выводами может быть менее 100 мкм, а толщина гибкой подложки– 25 мкм.
В таком оборудованиипредусматривается возможность регулировки силы прижима выводов микросхемы для компенсациинеровности подложки и различий в форме выводов. Это особенно важно в случаемонтажа микросхем с большим числом выводов.
5. Характеристики и производительность
Использованиеflip-chip- и SMD-компонентов в сочетании с гибкими подложками позволяет достичьмаксимальной степени миниатюризации изделий.
Гибкой подложке сустановленными на нее микросхемами может быть придана форма многоярусной конструкции(рис. 2).
Вывод
Выбор наиболееприемлемой flip-chip-технологии является решающим фактором для успешного продвиженияизделия на рынке, однако должно быть принято всесторонне обдуманное решение обоптимальной степени миниатюризации. Например, существующие технологии позволяютпровести дальнейшую миниатюризацию мобильных телефонов. Однако, полученное врезультате этого изделие может оказаться более трудоемким и дорогостоящим визготовлении и менее удобным в эксплуатации. С другой стороны, увеличение расходовна дальнейшую миниатюризацию может быть оправдано для медицинских имплантантов,так как они составляют лишь незначительную часть общих расходов на лечение.
Литература
1. J.Jay Wimer, “3-D Chip Scale with Lead-Free Processes”. – Журнал“Semiconductor International”, 2003, No 10.
2. Электронныекомпоненты и системы, 2009, № 1, с. 43-46
3. МельниченкоА. Технология миниатюризации РЭА – Учебник – Х., Феникс, 2009 – 486 с.