Реклама на сайте

вход на сайт

Имя пользователя :
Пароль :

Восстановление пароля Регистрация
C4NP: Дешевая бессвинцовая технология монтажа паяльными столбиками
Требования снижения массогабаритных характеристик и стоимости, повышения надежности и быстродействия должны реализовываться на всех стадиях производства электронных устройств, в том числе - и при корпусировании микросхем. Традиционные технологии корпусирования уже становятся ограничивающим фактором при реализации современных требований. Нужны новые методы и материалы. Прорывом специалисты считают относительно новую технологию электронного монтажа - формирование контактных столбиков на пластине (wafer bumping, WB) для последующего монтажа кристаллов в корпус. Она используется в популярном сегодня методе монтажа в корпус перевернутого кристалла (flip-chip). Перспективным в этом плане выглядит процесс C4NP - новая технология монтажа кристаллов паяльными контактными столбиками с малым шагом крепления, допускающая широкий выбор паяльных сплавов.

C4NP: Дешевая бессвинцовая технология монтажа паяльными столбиками

Рис.1. Схема процесса C4NP. Операции на пластине и изложнице (матрице) проводятся раздельно до момента совмещения процессов, когда все паяльные шарики за одну операцию переносятся со стеклянной изложницы на кремниевую пластину


Ранние работы показали, что методы получения паяльных столбиков посредством литья обладают достаточной гибкостью для задач формирования на пластине контактных столбиков. Отметим, что термин "столбик" - это скорее дань традиции, поскольку его реальная геометрическая форма отличается от цилиндра. Метод C4NP (Controlled Collapse Chip Connection New Process - новый процесс подсоединения чипа при управляемом сжатии), обладающий рядом достоинств, явился развитием этих технологий. Уникальное свойство данного метода -используя традиционное оборудование (что обуславливает низкую стоимость), он совместим с новыми материалами как самих столибковых выводов, так и контактных площалок на кристалле [1].

ОБОРУДОВАНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ C4NP

Суть метода (рис.1) - на стеклянной пластине (изложнице) формируется набор лунок, расположение которых зеркально отражает будущее размещение столбиковых выводов на пластине. В начале технологического цикла изложница продвигается под литником резервуара с расплавленным припоем, который заполняет все лунки (рис.2). Причем размеры столбиковых выводов определяются глубиной и диаметром ямок. На заполненную припоем изложницу помещается и совмещается с ней, вплоть до касания, кремниевая пластина с сформированными электронными элементами (контактными площадками кристаллов к изложнице). После нагрева свыше температуры плавления припой в ямках изложницы приобретает сферическую форму (рис.З). Шарики расплавленного припоя выступают над поверхностью изложницы на 10-20 мкм, в зависимости от размера шарика и лунки. Поскольку не все шарики располагаются в центре лунок, совмещение их с контактными площадками - важный аспект всего процесса. Шарики припоя смачивают материал контактных площадок пластины и благодаря адгезии механически переносятся на нее после затвердевания. Затем пластина и изложница разделяются (рис.4). Пластина поступает на остальные стадии обработки (скрайбирование, монтаж в корпус и т.п.), а изложница после очистки отправляется за очередной порцией припоя.

C4NP: Дешевая бессвинцовая технология монтажа паяльными столбиками

Рис.2. Процесс формирования выводов по C4NP


Изложницы делаются из высокотемпературного боросиликатного стекла (Borofloat), температурный коэффициент расширения (ТКР) которого близок к ТКР кремния. Лунки на поверхности изложницы формируют литографически [2]. Контактные площадки на пластине не только обеспечивают адгезию, но и создают диффузионный барьер, предотвращающий попадание ионов припоя вглубь кристалла. В качестве материалов контактных площадок используются сплавы NiV/Cu, AI/NiV/Cu, AI/NiV/Cu и Ti/NiV/Cu.

Изложницы и сам процесс переноса позволяют использовать широкий спектр паяльных материалов (табл.1). Такая гибкость позволяет применять в C4NP как старые, так и новые паяльные сплавы и материалы контактных площадок, включая бессвинцовые композиции [3].

C4NP: Дешевая бессвинцовая технология монтажа паяльными столбиками

Рис.З. Шарики расплавленного припоя на изложнице


ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ И СЕБЕСТОИМОСТЬ

Для крупного производства набор оборудования C4NP должен включать пакет модулей для переноса припоя и механический загрузчик, обеспечивающие выпуск ЗООхЗОО-мм пластин в день, т.е. приблизительно 4 мин на пластину. Стоит заметить, что производительность C4NP не зависит от размера пластины.

Стоимость обработки одной пластины складывается из суммы расходов по следующим статьям: оплата персонала, стоимость материалов, обслуживание и ремонт оборудования, амортизация оборудования, коэффициент выхода годных, накладные расходы, допроизводственные расходы по новой про-
дукции, стоимость интеллектуальной собственности. Для сравнения стоимости производства по технологии C4NP с другими альтернативными технологическими процессами, такими как гальванопокрытие или трафаретная печать, была разработана сложная модель затрат. При моделировании различных вариантов C4NP оказалась самой дешевой технологией монтажа перевернутых кристаллов контактными столбиками с малым шагом.

C4NP: Дешевая бессвинцовая технология монтажа паяльными столбиками

Таблица 1. Базовые паяльные материалы, применяемые в технологии C4NP


Одним из наиболее существенных отличий C4NP от альтернативных столбиковых технологий монтажа является использование изложниц. Стоимость изложниц непосредственно влияет на себестоимость единицы продукции. Их минимально необходимое количество зависит от числа типономиналов выпускаемых пластин. В то же время существенно количество циклов переноса припоя на пластину. Считается, что изложница может выдержать несколько сот технологических циклов, обеспечивая достаточно низкую себестоимость в пересчете на одну пластину.

В данной статье не делается расчет себестоимости обработки пластины - это зависит от особенностей работы каждой конкретной компании. Однако некоторые исследования в этой области показали снижение себестоимости производства пластин с применением технологии C4NP на 10-30% по сравнению применением гальванопокрытий [5, 6].

C4NP: Дешевая бессвинцовая технология монтажа паяльными столбиками

Рис.4. Паяльные шарики (100 мкм), перенесенные на пластину по технологии C4NP


ПРОЦЕСС C4NP С БЕССВИНЦОВЫМИ КОНТАКТНЫМИ СТОЛБИКАМИ

Внедрение бессвинцовых припоев для изготовления плат с контактными столбиками было самым сильным стимулом разработки технологии C4NP. Особенности применения бессвинцовых материалов сказались и на специфике материалов покрытий контактных площадок кристаллов.

Поскольку бессвинцовые припои имеют в основном высокое содержание олова [2], например сплавы 96,3Sn3,7Ag и 99,3SnO,7Cu, они химически очень активны по отношению к меди. На рис.5 показано поперечное сечение места присоединения бессвинцового контактного столбика к толстой медной контактной площадке. Виден сформированный на разделе при-пой-контактная площадка интерметаллик Cu-Sn, который обеспечивает прочное паяное соединение. Данные по надежности крепления бессвинцового сплава Sn-Cu с толстым медным слоем контактных площадок были опубликованы во многих источниках [7].

Соответствие материала покрытия контактной площадки выбранному паяльному сплаву является критически важным для монтажа по технологии столбиковых выводов. Ключевым параметром в надежности паяного соединения считается состав сплава между столбиковым выводом и контактной площадкой. Бес-свинцовые сплавы имеют более высокие температуры плавления, чем эвтектика PbSn. Помимо этого, их поведение в условиях термомеханической усталости значительно отличается от поведения бинарного свинцово-оловянного сплава.

C4NP: Дешевая бессвинцовая технология монтажа паяльными столбиками

Рис.5. Поперечное сечение бес-свинцового контактного столбика, присоединенного к площадке с толстым слоем меди. Интерметаллики видны на границе раздела


Обычный метод защиты от уменьшения толщины меди на слоистой структуре металлической пленки между контактной площадкой и контактным столбиком заключается в нанесении никеля. Ni слабее, чем медь, вступает в реакцию со сплавами с высоким содержанием Sn. Никель можно наносить различными способами, будь то химическое осаждение, электролитическое лужение или напыление. В любом случае C4NP обеспечивает отличное прилипание бессвинцовых шариков припоя к любым сплавам с Ni на контактных площадках.

Важно сравнить прочность соединения с контактной площадкой столбиковых выводов, сформированных методом C4NP и полученными путем электроосаждения. Для этого проводилась серия испытаний на сдвиг для оценки прочности паяного шва. В них использовались сплавы SnCu и SnAgCu и пластины с контактными площадками с толстослойным медным покрытием. Результаты для двух технологий формирования столбиковых выводов оказались практически идентичными, причем сопротивление сдвигу у сплава SnAgCu оказалось несколько выше, что объясняется его более высокими пределом текучести и твердостью.

ПРОМЫШЛЕННОЕ ОСВОЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ C4NP

Как происходит с любой новой технологией, наиболее острой проблемой C4NP является внедрение в промышленное производство. Концепция разделения процессов формирования столбиков и их переноса на пластину подразумевает совершенно новый подход к организации производства в целом. В сложившейся практике производителей интегрированных устройств и поставщиков услуг по корпусированию, стадии формирования контактных площадок на кристаллах и контактных столбиков являются частью одного цельного процесса изготовления интегральных схем. В противоположность традиционному подходу, благодаря технологии C4NP производители интегральных схем могут ограничиваться стадией формирования контактных площадок. А столбиковые выводы на пластине могут быть сформированы когда и где угодно: как на своем предприятии, так и на любом другом. Это особенно важно для популярных сегодня методов производства СБИС по fabless-технологиям.

В промышленном производстве важными показателями являются высокая производительность и низкая себестоимость. Технология C4NP показала отличную производительность при работе опытного производства. Компания IBM в ходе шестинедельных пробных испытаний проверила в действии 75 изложниц диаметром 200 мм. Проводилась полностью автоматизированная проверка наличия дефектов после каждого наполнения и после переноса припоя на пластину (табл.2). Количество столбиков, непригодных для дальнейшего процесса (без учета брака, связанного с контактными площадками), оказалось менее 10 на миллион [4].

C4NP: Дешевая бессвинцовая технология монтажа паяльными столбиками

Таблица 2. Дефекты контактных столбиков при процессе C4NP после расплава в изложнице и после переноса на корпус. Отмеченные дефекты на изложнице зачастую не проявляются как дефект на пластине. Все отмеченные дефекты легкоустранимы на пластине


Испытания IBM также показали, что изложницы после 150 циклов не имеют следов износа на стеклянной поверхности. Для определения предела использования изложницы были подвергнуты моделирующим испытаниям, включавшим 1000 циклов заполнения, причем с физическим контактом литьевой насадки и поверхности изложницы при высокой температуре [2]. По окончании испытаний на поверхности изложницы не было отмечено следов износа. Хотя необходимо получить больше производственных данных, можно обоснованно предположить, что изложницы способны выдержать сотни и сотни рабочих циклов и, следовательно, их вклад в себестоимость всего технологического процесса не будет существенным. Несомненно, стоимость оборудования и материалов несколько повысит себестоимость обработки пластины. Тем не менее, простота технологии C4NP, соединенная с отсутствием отходов производства, обеспечивают ее низкую себестоимость.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Отказ от содержащих свинец паяльных сплавов в любых электронных изделиях, включая корпуса с перевернутыми кристаллами с малым шагом выводов, несомненно, становится одним из наиболее активно проводимых технологических изменений в полупроводниковой промышленности. Представленная IBM новая технология столбикового монтажа C4NP позволяет формировать бессвинцовые или любые другие паяльные столбики на кремниевые пластины со СБИС диаметром до 300 мм. Применение изложниц дает возможность отделить процесс формирования контактных столбиков от нанесения металлизации на контактных площадках кристаллов, что допускает использование любого припоя. Больше того, с C4NP можно создавать совершенно новые припои или комбинированные материалы. Эти особые качества C4NP в соединении с применением привычных химикатов и материалов, позволяют размещать контактные столбики с шагом менее 50 мкм и использовать 300-мм пластины. А самое важное, высокая производительность технологии C4NP делает ее реальной альтернативой всех существующих технологий монтажа контактными столбиками.

Авторы: Клаус Румер, Эрик Лайне (компания SUSS MicroTec), Питер Грубер (компания IBM)
Статья из журнала «Печатный монтаж»


ЛИТЕРАТУРА

1. J. Lau. Low Cost Flip Chip Technologies. - McGraw-Hill Book, New York, 2000.
2. P.A. Gruber et al. Low Cost Wafer Bumping. - IBM J. Res. & Dev., 2005, Vol. 49, Nq 4/5, July/September.
3. B. Hochlowski, D. Naugle, P.A. Gruber. Low-Cost Wafer Bumping using C4NP. - Future Fab Article, January 2005.
4. Dr. R. Levine. Unpublished Report: IBM Systems and Technology Group. - Presentation in Asia, September 2005.
5. K. Ruhmer et al. C4NP: New Solder Bumping Technology -Low Cost and Lead Free. - IMAPS FlipChip Advanced Technology Workshop, Austin, TX, June 2005.
6. D. Danovitch, P.A. Gruber et al. IMS-Injection Molded Soldering/ - IMAPS 2000.
7. P.A. Gruber et al. Injection Molded Solder Technology for Pb-free Wafer Bumping. - ECTC 2004.

  • 0
Новость опубликована 5-12-2014, 00:32, её прочитали 1216 раз(а)
Понравилась тема? Посмотрите эти:
Информация
Посетители, находящиеся в группе Гости, не могут оставлять комментарии к данной публикации.