eng
Выпуск #9/2018
Сидоренко Виталий Николаевич, Вертянов Денис Васильевич, Долговых Юрий Геннадьевич, Ковалев Анатолий Андреевич, Змеев Сергей Викторович, Тимошенков Сергей Петрович
Конструктивно-технологические особенности fl ip-chip монтажа кристаллов в производстве высокоинтегрированных 2,5D и 3D микросборок
Конструктивно-технологические особенности fl ip-chip монтажа кристаллов в производстве высокоинтегрированных 2,5D и 3D микросборок
Просмотры: 3877
В статье рассмотрены преимущества применения технологии flip-chip монтажа кристаллов при создании микросборок в 2,5D и 3D исполнении. Представлены конструктивно-технологические особенности и ограничения flip-chip монтажа кристаллов в производстве высокоинтегрированных микросборок. Приведены результаты оценки профиля структуры поверхности бескорпусной микросхемы с микробампами и профилей бампов после их установки на контактные площадки тестовых кристаллов. Представлены результаты исследования прочности на сдвиг бампов SAC305 от контактных площадок кристаллов с покрытием из Au и от контактных площадок кремниевых подложек с покрытием из ImmSn.
УДК 621.3.049.76
DOI: 10.22184/1993-8578.2018.82.203.210
УДК 621.3.049.76
DOI: 10.22184/1993-8578.2018.82.203.210
Теги: bump die flip-chip mounting flip-chip монтаж microassembly silicon substrate underfill заливка компаунда под кристалл кристалл микросборка подложка из кремния шариковый вывод
Современный рынок высокопроизводительных электронных устройств предъявляет к конструкции изделий все более жесткие условия. Такие конструкции должны быть не только высокопроизводительными и иметь минимальные габаритные размеры, но и обеспечивать при этом максимально возможную функциональность. На сегодняшний день для обеспечения более высокого уровня функциональности при минимальных размерах и максимальном быстродействии перспективным представляется путь развития конструкции изделий в 2,5D и 3D исполнении с применением технологии flip-chip монтажа кристаллов [1].
Для высокоинтегрированных микросборок в 2,5D и 3D исполнении характерны такие особенности конструкции, как высокая плотность размещения элементов, многоуровневая разводка, большое количество выводов, а также высокая надежность соединений. Данные конструктивные особенности предъявляют повышенные требования к технологическим процессам сборки и монтажа с целью получения изделий с высоким и стабильным процентом выхода годных. Современные технологии при создании 2,5D и 3D микросборок позволяют эффективно сократить площадь (объем, массу) электронного узла в составе аппаратуры [2, 3].
В рамках работы успешно отработаны технологические решения и проведен ряд исследований направленных на определение конструктивно-технологических особенностей и ограничений flip-chip монтажа кристаллов в производстве высокоинтегрированных 2,5D и 3D микросборок.
Современное сборочно-монтажное оборудование (FC150 и FC300 High Precision), используемое в данной работе, позволяет с высокой точностью проводить операции совмещения и монтажа кристаллов в области подогреваемого столика с размерами 200 × 200 мм и верхнего прижимного инструмента с размерами 50 × 50 мм. Инструмент и столик могут нагреваться до 450 °С, обеспечивая прижимное усилие до 4000 Н с дискретностью в 1 грамм, а оптико-механическая система совмещения позволяет проводить совмещение объектов с точностью до 0,5 мкм. Данные характеристики оборудования позволили с большим конструктивно-технологическим запасом справиться с такой задачей, как совмещение кристаллов размером 20 × 20 мм, содержащих массив микробампов (рис. 1а) диаметром около 10 мкм в количестве 30 тысяч шт. на 1 см2. На бесконтактном оптическом профилометре ContourGT-K фирмы Bruker проведена оценка профиля структуры поверхности кристаллов с разновысотными индиевыми микробампами (рис. 1б). С помощью рентгеноскопической цифровой системы контроля микросхем с функцией томографии XD7600NT (DAGE Precision Industries Ltd, Великобритания) была проведена оценка точности совмещения микробампов (рис. 1в), а также оценка степени избыточности давления инструмента при установке кристаллов. Более точное подтверждение степени давления при установке, а также плоскостности кристаллов после установки определено с помощью растрового электронного микроскопа FEI Quanta 3D FEG (рис. 1г) путем измерения зазора между кристаллами по 4 углам микросборки. При этом разброс размеров составил до 1,5 мкм при зазоре 10 мкм.
Были проведены исследования по формированию, оценке профиля и прочности бампов (шариковых выводов) диаметрами 100 и 60 мкм на поверхности контактных площадок тестовых кристаллов с покрытием из Au и на контактных площадках коммутационной подложки с покрытием из ImmSn. В большинстве случаев бескорпусные микросхемы отечественного производства имеют контактные площадки из Al, что обусловлено технологией производства полупроводниковых интегральных схем и их последующей сборки в традиционные корпуса методом разварки проволокой. Установка бампов из припоя на алюминиевые контактные площадки требует наличия покрытия Ni/Au. Бампы представляют собой припойные шарики SAC305 (Sn = 96,5 %; Ag = 3 %; Cu = 0,5 % − Тликвидуса = 220 °С, Тсолидуса = 217 °С) диаметром 100 мкм (рис. 2, 3). Для определения оптимальных физико-механических параметров проводилась отработка и исследования технологических режимов химического осаждения структуры металлов Ni/Au на контактные площадки из Al размером 100 × 100 мкм. Оптимальная толщина Ni подбиралась в диапазоне от 3 до 8 мкм, толщина Au от 0,1 до 0,8 мкм. Технологический процесс формирования покрытия Ni/Au в общем виде состоит из последовательных операций очистки, активации поверхности (удаления естественного оксидного слоя), цинкатной обработки, селективного осаждения никеля и иммерсионного осаждения золота. При формировании покрытия ImmSn оптимальная толщина подбиралась в диапазоне от 0,5 до 1 мкм.
В процессе отработки формирования бампов на комплексе SB2-Jet фирмы Packaging Technologies определен оптимальный диапазон геометрических размеров шариковых выводов после установки их на контактные площадки кристаллов и коммутационные подложки из кремния (рис. 4). При начальном диаметре бампа ∅ = 100±3 мкм, после его установки высота составляет 60–85 мкм, а диаметр находится в диапазоне от 110 до 120 мкм. Данные значения получены при различных режимах работы. Оборудование позволяет устанавливать бампы размером от 40 до 760 мкм со скоростью до 10 шт. в секунду, при этом повторяемость размеров составляет ±5 %.
В работе проведены исследования прочности на сдвиг бампов SAC305 диаметром 100 мкм от контактных площадок кристаллов с покрытием из Au и от контактных площадок коммутационных подложек с покрытием из ImmSn (как альтернативное покрытие золоту). Исследование проводилось на установке тестирования микросоединений DAGE 4000Plus. В результате исследований установлено:
с Ni/Au, покрытие не отслаивается от контактных площадок при сдвиге бампов, имеет хорошую адгезию, что обеспечивает возможность дальнейшего монтажа кристаллов с бампами в составе высокоинтегрированных микросборок. Среднее значение силы сдвига одного бампа составило 0,7 Н;
с ImmSn, иммерсионное олово не отслаивается от контактных площадок при сдвиге бампов, имеет хорошую адгезию, что обеспечивает возможность дальнейшего монтажа кристаллов с бампами в составе высокоинтегрированных микросборок. Среднее значение силы сдвига одного бампа составило 0,5 Н (рис. 5а, б).
После исследований на прочность одиночных бампов определялось усилие сдвига кристаллов с размерами 5 × 5 мм и толщиной 460 мкм (покрытие контактных площадок Ni/Au) от коммутационных подложек из кремния толщиной 300 мкм, смонтированных по технологии flip-chip, c разным покрытием контактных площадок:
с Ni/Au, среднее значение величины прочности на сдвиг кристалла с бампами SAC305 (с исходным диаметром 100 мкм) от кремниевой подложки составило 7,5 Н (рис. 6а, б);
с ImmSn, среднее значение величины прочности на сдвиг кристалла с бампами SAC305 (с исходным диаметром 100 мкм) от кремниевой подложки составило 5 Н.
По результатам отработки технологических процессов и исследований разработана технология сборки высокоинтегрированного изделия. На основе разработанной технологии изготовлены экспериментальные образцы микросборок в 2,5D исполнении. Микросборка представляет собой коммутационную подложку из кремния (интерпозер) толщиной 250 мкм с планарными размерами 17 × 17 мм со смонтированными по методу flip-chip кристаллами. В состав микросборки входят кристаллы с размерами 2 × 2 мм в количестве 2 шт., 3 × 5 мм в количестве 1 шт. и 10 × 10 мм в количестве 1 шт. Поскольку в одной плоскости, в данной микросборке, должны располагаться 4 кристалла с разной толщиной, использовался инструмент (технологическая оснастка) для захвата кристаллов с пьедесталом, изготовленным отдельно под определенный диапазон размеров бескорпусных микросхем и взаимного расположения их на подложке. Был проведен прецизионный монтаж с автосовмещением кристаллов и подложки. При построении термокомпрессионного профиля процесса использовались физические характеристики материала микробампов SAC305 (LF45) и корректировка его после измерений степени сдавливания в рентгеновском микроскопе. При начальном диаметре бампа ∅ = 100±3 мкм, после термокомпрессии его высота достигла 50±5 мкм.
На рис. 7 представлен образец 2,5D микросборки, установленной в металлокерамический корпус типа CPGA с кристаллом, имеющим более 500 бампов из припоя SAC305 диаметром 100 мкм.
После проведения монтажа бескорпусных микросхем были отработаны процессы заполнения межкристального пространства сверхтекучим компаундом (в литературе используется термин underfill), обладающим капиллярным эффектом затекания в узкие зазоры и обеспечивающим надежность при воздействии окружающей среды. Заливка компаундом осуществлялась в несколько проходов с помощью комплекса для заполнения зазора компаундом между подложкой и кристаллом AeroJet MUSASHI Engineering (Япония). При этом компаунд при заполнении изначально скапливается вдоль одной или двух сторон компонента, где затем капиллярные силы перемещают его к другим сторонам компонента, в результате чего полностью герметизируются монтажные соединения под ним. Параметры подбирались опытным путем. Контроль дефектности заполнения проводился на цифровом акустическом микроскопе Sonoscan (рис. 8). Отверждение компаунда осуществлялось в сушильном шкафу с заданным температурным профилем в течение 3 часов.
В рамках работы успешно отработаны технологические решения по химическому осаждению структуры металлов Ni/Au и ImmSn на контактные площадки, по формированию бампов SAC305 на контактных площадках из Ni/Au и ImmSn, по прецизионному совмещению и монтажу кристаллов на кремниевую подложку по методу flip-chip, по заливке компаундом пространства под кристаллами.
Получены результаты исследований, направленных на определение конструктивно-технологических особенностей и ограничений flip-chip монтажа кристаллов в производстве высокоинтегрированных 2,5D и 3D микросборок:
толщина Ni определена в диапазоне от 3 до 8 мкм, толщина Au от 0,1 до 0,8 мкм, толщина ImmSn от 0,5 до 1 мкм;
оптимальные размеры бампов SAC305 с исходным диаметром 100 мкм после установки на контактные площадки кристалла или кремниевой подложки составили: высота 60–85 мкм, диаметр 110–120 мкм, после монтажа кристалла на подложку высота бампа достигает около 50 мкм;
среднее значение усилия сдвига бампов SAC305 с исходным диаметром 100 мкм от контактной площадки с покрытием Ni/Au составило 0,7 Н, с покрытием ImmSn составило 0,5 Н;
среднее значение усилия сдвига кристаллов с бампами SAC305 с исходным диаметром 100 мкм от кремниевой подложки с контактными площадками из Ni/Au составило 7,5 Н, с контактными площадками из ImmSn составило 5 Н.
Установлено, что покрытие ImmSn на контактных площадках под монтаж бампов SAC305 способно стать альтернативным вариантом покрытию Ni/Au.
На основе разработанной технологии сборки и монтажа бескорпусных микросхем по методу flip-chip изготовлены экспериментальные образцы микросборок в 2,5D исполнении, представляющие собой коммутационные подложки из кремния (интерпозер) толщиной 250 мкм с планарными размерами 17 × 17 мм и смонтированными по методу flip-chip кристаллами 4 типов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Медведев А. М. Электронные компоненты и монтажные подложки // Журнал «Компоненты и технология», 2006. — № 12.
2. Vertyanov D. V., Tikhonov K. S., Timoshenkov S. P., Petrov V. S. Peculiarities of Multichip Micro Module Frameless Design with Ball Contacts on the Flexible Board. 2013 IEEE 33rd International ScientificConference on Electronics and Nanotechnology, ELNANO 2013 — Conference Proceedings, 6552038, pp. 417–419.
3. Погалов А. И., Блинов Г. А., Долговых Ю. Г. Разработка бескорпусной многовыводной интегральной схемы с шариковыми выводами на гибкой плате // Оборонный комплекс — научно-техническому прогрессу России. — М., 2011. — № 4. — С. 38–43.
Для высокоинтегрированных микросборок в 2,5D и 3D исполнении характерны такие особенности конструкции, как высокая плотность размещения элементов, многоуровневая разводка, большое количество выводов, а также высокая надежность соединений. Данные конструктивные особенности предъявляют повышенные требования к технологическим процессам сборки и монтажа с целью получения изделий с высоким и стабильным процентом выхода годных. Современные технологии при создании 2,5D и 3D микросборок позволяют эффективно сократить площадь (объем, массу) электронного узла в составе аппаратуры [2, 3].
В рамках работы успешно отработаны технологические решения и проведен ряд исследований направленных на определение конструктивно-технологических особенностей и ограничений flip-chip монтажа кристаллов в производстве высокоинтегрированных 2,5D и 3D микросборок.
Современное сборочно-монтажное оборудование (FC150 и FC300 High Precision), используемое в данной работе, позволяет с высокой точностью проводить операции совмещения и монтажа кристаллов в области подогреваемого столика с размерами 200 × 200 мм и верхнего прижимного инструмента с размерами 50 × 50 мм. Инструмент и столик могут нагреваться до 450 °С, обеспечивая прижимное усилие до 4000 Н с дискретностью в 1 грамм, а оптико-механическая система совмещения позволяет проводить совмещение объектов с точностью до 0,5 мкм. Данные характеристики оборудования позволили с большим конструктивно-технологическим запасом справиться с такой задачей, как совмещение кристаллов размером 20 × 20 мм, содержащих массив микробампов (рис. 1а) диаметром около 10 мкм в количестве 30 тысяч шт. на 1 см2. На бесконтактном оптическом профилометре ContourGT-K фирмы Bruker проведена оценка профиля структуры поверхности кристаллов с разновысотными индиевыми микробампами (рис. 1б). С помощью рентгеноскопической цифровой системы контроля микросхем с функцией томографии XD7600NT (DAGE Precision Industries Ltd, Великобритания) была проведена оценка точности совмещения микробампов (рис. 1в), а также оценка степени избыточности давления инструмента при установке кристаллов. Более точное подтверждение степени давления при установке, а также плоскостности кристаллов после установки определено с помощью растрового электронного микроскопа FEI Quanta 3D FEG (рис. 1г) путем измерения зазора между кристаллами по 4 углам микросборки. При этом разброс размеров составил до 1,5 мкм при зазоре 10 мкм.
Были проведены исследования по формированию, оценке профиля и прочности бампов (шариковых выводов) диаметрами 100 и 60 мкм на поверхности контактных площадок тестовых кристаллов с покрытием из Au и на контактных площадках коммутационной подложки с покрытием из ImmSn. В большинстве случаев бескорпусные микросхемы отечественного производства имеют контактные площадки из Al, что обусловлено технологией производства полупроводниковых интегральных схем и их последующей сборки в традиционные корпуса методом разварки проволокой. Установка бампов из припоя на алюминиевые контактные площадки требует наличия покрытия Ni/Au. Бампы представляют собой припойные шарики SAC305 (Sn = 96,5 %; Ag = 3 %; Cu = 0,5 % − Тликвидуса = 220 °С, Тсолидуса = 217 °С) диаметром 100 мкм (рис. 2, 3). Для определения оптимальных физико-механических параметров проводилась отработка и исследования технологических режимов химического осаждения структуры металлов Ni/Au на контактные площадки из Al размером 100 × 100 мкм. Оптимальная толщина Ni подбиралась в диапазоне от 3 до 8 мкм, толщина Au от 0,1 до 0,8 мкм. Технологический процесс формирования покрытия Ni/Au в общем виде состоит из последовательных операций очистки, активации поверхности (удаления естественного оксидного слоя), цинкатной обработки, селективного осаждения никеля и иммерсионного осаждения золота. При формировании покрытия ImmSn оптимальная толщина подбиралась в диапазоне от 0,5 до 1 мкм.
В процессе отработки формирования бампов на комплексе SB2-Jet фирмы Packaging Technologies определен оптимальный диапазон геометрических размеров шариковых выводов после установки их на контактные площадки кристаллов и коммутационные подложки из кремния (рис. 4). При начальном диаметре бампа ∅ = 100±3 мкм, после его установки высота составляет 60–85 мкм, а диаметр находится в диапазоне от 110 до 120 мкм. Данные значения получены при различных режимах работы. Оборудование позволяет устанавливать бампы размером от 40 до 760 мкм со скоростью до 10 шт. в секунду, при этом повторяемость размеров составляет ±5 %.
В работе проведены исследования прочности на сдвиг бампов SAC305 диаметром 100 мкм от контактных площадок кристаллов с покрытием из Au и от контактных площадок коммутационных подложек с покрытием из ImmSn (как альтернативное покрытие золоту). Исследование проводилось на установке тестирования микросоединений DAGE 4000Plus. В результате исследований установлено:
с Ni/Au, покрытие не отслаивается от контактных площадок при сдвиге бампов, имеет хорошую адгезию, что обеспечивает возможность дальнейшего монтажа кристаллов с бампами в составе высокоинтегрированных микросборок. Среднее значение силы сдвига одного бампа составило 0,7 Н;
с ImmSn, иммерсионное олово не отслаивается от контактных площадок при сдвиге бампов, имеет хорошую адгезию, что обеспечивает возможность дальнейшего монтажа кристаллов с бампами в составе высокоинтегрированных микросборок. Среднее значение силы сдвига одного бампа составило 0,5 Н (рис. 5а, б).
После исследований на прочность одиночных бампов определялось усилие сдвига кристаллов с размерами 5 × 5 мм и толщиной 460 мкм (покрытие контактных площадок Ni/Au) от коммутационных подложек из кремния толщиной 300 мкм, смонтированных по технологии flip-chip, c разным покрытием контактных площадок:
с Ni/Au, среднее значение величины прочности на сдвиг кристалла с бампами SAC305 (с исходным диаметром 100 мкм) от кремниевой подложки составило 7,5 Н (рис. 6а, б);
с ImmSn, среднее значение величины прочности на сдвиг кристалла с бампами SAC305 (с исходным диаметром 100 мкм) от кремниевой подложки составило 5 Н.
По результатам отработки технологических процессов и исследований разработана технология сборки высокоинтегрированного изделия. На основе разработанной технологии изготовлены экспериментальные образцы микросборок в 2,5D исполнении. Микросборка представляет собой коммутационную подложку из кремния (интерпозер) толщиной 250 мкм с планарными размерами 17 × 17 мм со смонтированными по методу flip-chip кристаллами. В состав микросборки входят кристаллы с размерами 2 × 2 мм в количестве 2 шт., 3 × 5 мм в количестве 1 шт. и 10 × 10 мм в количестве 1 шт. Поскольку в одной плоскости, в данной микросборке, должны располагаться 4 кристалла с разной толщиной, использовался инструмент (технологическая оснастка) для захвата кристаллов с пьедесталом, изготовленным отдельно под определенный диапазон размеров бескорпусных микросхем и взаимного расположения их на подложке. Был проведен прецизионный монтаж с автосовмещением кристаллов и подложки. При построении термокомпрессионного профиля процесса использовались физические характеристики материала микробампов SAC305 (LF45) и корректировка его после измерений степени сдавливания в рентгеновском микроскопе. При начальном диаметре бампа ∅ = 100±3 мкм, после термокомпрессии его высота достигла 50±5 мкм.
На рис. 7 представлен образец 2,5D микросборки, установленной в металлокерамический корпус типа CPGA с кристаллом, имеющим более 500 бампов из припоя SAC305 диаметром 100 мкм.
После проведения монтажа бескорпусных микросхем были отработаны процессы заполнения межкристального пространства сверхтекучим компаундом (в литературе используется термин underfill), обладающим капиллярным эффектом затекания в узкие зазоры и обеспечивающим надежность при воздействии окружающей среды. Заливка компаундом осуществлялась в несколько проходов с помощью комплекса для заполнения зазора компаундом между подложкой и кристаллом AeroJet MUSASHI Engineering (Япония). При этом компаунд при заполнении изначально скапливается вдоль одной или двух сторон компонента, где затем капиллярные силы перемещают его к другим сторонам компонента, в результате чего полностью герметизируются монтажные соединения под ним. Параметры подбирались опытным путем. Контроль дефектности заполнения проводился на цифровом акустическом микроскопе Sonoscan (рис. 8). Отверждение компаунда осуществлялось в сушильном шкафу с заданным температурным профилем в течение 3 часов.
В рамках работы успешно отработаны технологические решения по химическому осаждению структуры металлов Ni/Au и ImmSn на контактные площадки, по формированию бампов SAC305 на контактных площадках из Ni/Au и ImmSn, по прецизионному совмещению и монтажу кристаллов на кремниевую подложку по методу flip-chip, по заливке компаундом пространства под кристаллами.
Получены результаты исследований, направленных на определение конструктивно-технологических особенностей и ограничений flip-chip монтажа кристаллов в производстве высокоинтегрированных 2,5D и 3D микросборок:
толщина Ni определена в диапазоне от 3 до 8 мкм, толщина Au от 0,1 до 0,8 мкм, толщина ImmSn от 0,5 до 1 мкм;
оптимальные размеры бампов SAC305 с исходным диаметром 100 мкм после установки на контактные площадки кристалла или кремниевой подложки составили: высота 60–85 мкм, диаметр 110–120 мкм, после монтажа кристалла на подложку высота бампа достигает около 50 мкм;
среднее значение усилия сдвига бампов SAC305 с исходным диаметром 100 мкм от контактной площадки с покрытием Ni/Au составило 0,7 Н, с покрытием ImmSn составило 0,5 Н;
среднее значение усилия сдвига кристаллов с бампами SAC305 с исходным диаметром 100 мкм от кремниевой подложки с контактными площадками из Ni/Au составило 7,5 Н, с контактными площадками из ImmSn составило 5 Н.
Установлено, что покрытие ImmSn на контактных площадках под монтаж бампов SAC305 способно стать альтернативным вариантом покрытию Ni/Au.
На основе разработанной технологии сборки и монтажа бескорпусных микросхем по методу flip-chip изготовлены экспериментальные образцы микросборок в 2,5D исполнении, представляющие собой коммутационные подложки из кремния (интерпозер) толщиной 250 мкм с планарными размерами 17 × 17 мм и смонтированными по методу flip-chip кристаллами 4 типов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Медведев А. М. Электронные компоненты и монтажные подложки // Журнал «Компоненты и технология», 2006. — № 12.
2. Vertyanov D. V., Tikhonov K. S., Timoshenkov S. P., Petrov V. S. Peculiarities of Multichip Micro Module Frameless Design with Ball Contacts on the Flexible Board. 2013 IEEE 33rd International ScientificConference on Electronics and Nanotechnology, ELNANO 2013 — Conference Proceedings, 6552038, pp. 417–419.
3. Погалов А. И., Блинов Г. А., Долговых Ю. Г. Разработка бескорпусной многовыводной интегральной схемы с шариковыми выводами на гибкой плате // Оборонный комплекс — научно-техническому прогрессу России. — М., 2011. — № 4. — С. 38–43.
Отзывы читателей
