eng
Выпуск #9/2018
Вертянов Денис Васильевич, Бураков Михаил Михайлович, Кручинин Сергей Михайлович, Сидоренко Виталий Николаевич, Брыкин Арсений Валерьевич
Трехмерная микросборка на основе коммутационных плат из кремния и бескорпусных элементов МЭМС
Трехмерная микросборка на основе коммутационных плат из кремния и бескорпусных элементов МЭМС
Просмотры: 3765
В статье представлена концепция технологии трехмерной микросборки на основе коммутационных плат из кремния. Описаны преимущества применения данной технологии для производства малогабаритных изделий микросистемной техники на основе бескорпусных элементов МЭМС. Представлены результаты исследований процессов формирования сквозных металлизированных отверстий в коммутационных платах из кремния. Рассмотрены конструкции отечественных акселерометров, разработанных по технологии трехмерной микросборки.
УДК 621.3.049.76
DOI: 10.22184/1993-8578.2018.82.521.531
УДК 621.3.049.76
DOI: 10.22184/1993-8578.2018.82.521.531
Теги: 3d microassembly accelerometer die embedded component technology mems silicon substrate tsv unpackaged sensitive element акселерометр бескорпусной чувствительный элемент внутренний монтаж коммутационная плата из кремния кристалл мэмс переходное отверстие в кремнии трехмерная микросборка
С каждым годом возрастают требования по соблюдению минимальных массогабаритных параметров отечественных изделий микросистемной техники при одновременном повышении их производительности и функциональной сложности. Обеспечение данных требований путем использования традиционных решений уже достигло своего предела. Под традиционным и самым распространенным решением понимается использование корпусированных элементов, объединенных в схему на печатной плате (печатных платах) из стеклотекстолита (керамики). При этом, в настоящее время отечественные чувствительные элементы (ЧЭ) МЭМС и интегральные схемы (ИС) корпусируются, как правило, в металлостеклянные или металлокерамические корпуса. Большинство таких корпусов помимо явных достоинств имеют ряд недостатков: высокая стоимость, относительно большие массогабаритные показатели, используются традиционные технологии сборки и монтажа в корпус, предполагающие процессы разварки проволокой или пайки.
Перспективными решениями, позволяющими производить конкурентоспособные изделия микросистемной техники, являются технологии внутреннего монтажа и трехмерной (3D) микросборки на основе коммутационных плат из кремния [1].
КОНЦЕПЦИЯ ТЕХНОЛОГИИ 3D МИКРОСБОРКИ
Технология 3D микросборки может включать в себя различные комбинации методов и конструктивно-технологических решений (рис. 1):
• flip-chip монтаж;
• корпусирование на уровне пластины (wafer level packaging — WLP);
• TSV (through silicon via), интерпозеры, встроенные кристаллы (embedded dies).
Наибольшую плотность интеграции среди всех высокоплотных технологий имеет интеграция с помощью TSV [2]. TSV используется для создания 3D сборки микросхем памяти, структур МЭМС совместно с кристаллами управляющей логики, а также интерпозеров. При этом применение TSV в микросхемах ограничено высокой стоимостью и сложностью технологии (рис. 2).
На основе конструктивно-технологических решений и методов, применяемых в технологиях flip-chip монтажа, многокристальных модулях, внутреннего монтажа, группового корпусирования кристаллов на уровне пластины, интерпозеров с TSV-отверстиями была разработана технология изготовления 3D микросборок из кремния.
3D микросборка представляет собой унифицированную многоуровневую сборку из кремниевых коммутационных плат с TSV (интерпозеров) по периметру (рис. 3а). Кристалл (микросхема в бескорпусном исполнении) с заранее сформированными бампами из припоя на контактных площадках монтируется на коммутационную плату методом flip-chip (рис. 3б). Уровни сборки соединяются между собой посредством коммутационных рамок из кремния (рис. 3в), имеющие также по периметру TSV и бампы для обеспечения объемной коммутации. Свободное пространство в микросборке заполняется двумя типами компаундов (на кремнийорганической и эпоксидной основе). Унификация достигается за счет одинакового количества внешних контактных площадок (КП) с переходными отверстиями (TSV) для каждого типоразмера коммутационной платы и рамки, при этом внутренняя топология изменяется в зависимости от схемы уровня. Каждый уровень в 3D микросборке может являться функционально-законченным модулем.
Для выбора оптимального базового материала коммутационных плат 3D микросборки проведен сравнительный анализ наиболее распространенных материалов (табл. 1): Al2O3 — оксидная керамика, AlN — алюмонитридная керамика, Si — кремний, FR4 — стеклотекстолит, TGV — твердое стекло, TQV — синтетический кварц, PTFE/E-glass — материал на основе политетрафторэтилена и алюмоборосиликатного стекла с содержанием оксидов щелочных металлов.
По результатам анализа в качестве материала для создания 3D микросборок был выбран кремний. Применение кремния в качестве коммутационных плат позволяет обеспечить высокую теплопроводность (в 50 раз больше, чем у LTCC керамики), более высокие топологические нормы, чем на стеклотекстолите и керамике (диаметр переходных отверстий менее 70 мкм, ширина проводника и зазор между проводниками менее 80 мкм), максимально близкий ТКЛР с базовыми материалами элементов МЭМС и интегральных схем (ИС).
Из достоинств применения кремния вытекают преимущества и недостатки технологии TSV.
Преимущества TSV:
• монокристаллическая структура материала;
• малый диаметр и шаг отверстий при высоком аспектном соотношении;
• доступность материала (стандартные пластины кремния без специальных требований);
• возможность применения для формирования топологии на поверхности подложки стандартных технологий производства ИС;
• минимальные топологические нормы;
• отсутствие разности ТКЛР между материалом кристалла и материалом подложки с TSV;
• возможность использования в качестве подложки для TSV кристалла ИС;
Недостатки:
• кремний является полупроводником и имеет небольшое сопротивление, поэтому для формирования отверстий в кремнии необходимо предварительно создавать слой диэлектрика, как правило, оксида или нитрида кремния;
• кремний относительно хрупкий материал;
• дорогая технология при формировании TSV в структуре ИС с последующей 3D сборкой.
Для вертикальной коммутации уровней микросборки необходимо наличие в коммутационных платах из кремния сквозных металлизированных отверстий с высокой проводимостью (рис. 4). Задача формирования переходных отверстий в кремнии с максимально низким сопротивлением является наиболее сложной и востребованной в настоящее время для отечественной микроэлектроники.
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ФОРМИРОВАНИЯ СКВОЗНЫХ МЕТАЛЛИЗИРОВАННЫХ ОТВЕРСТИЙ В КРЕМНИИ
В первую очередь проведено моделирование сопротивления структуры металлов, осажденных на поверхности отверстия. Моделирование проводилось со следующими условиями: плоскость земли и источник располагались на контактных площадках пластины с верхней и нижней сторон при максимальном удалении друг от друга (плоскость источника на краю верхней КП, плоскость земли на противоположном по отношению к плоскости источника краю нижней КП), основной проводящий материал — медь. Для упрощения расчета был установлен ток источника равный 1А (рис. 5). Размер контактных площадок с двух сторон носителя составляет 0,8 мм на 0,4 мм. Толщина кремниевой пластины 300 мкм, толщина SiO2 1 мкм, толщина подслоя хрома 50 нм.
По результатам моделирования была определена зависимость сопротивления сквозного металлизированного отверстия от толщины металлизации:
1. Для толщины металла в 10 мкм сопротивление составило: Rот10 = 1,7 мОм;
2. Для толщины металла в 15 мкм сопротивление составило: Rот15 = 1,3 мОм;
3. Для полностью заполненного металлом отверстия ∅ 60 мкм Rот30 = 0,7 мОм.
В работе использовался монокристаллический кремний р-типа проводимости с удельным сопротивлением от 0,5–20 Ом∙см с ориентацией «111» и толщиной 300 мкм, диаметры формируемых отверстий от 40 до 120 мкм.
Формирование отверстий разного диаметра проходило на установке глубокого плазменного травления. Вытравливались как сквозные, так и несквозные отверстия в зависимости от варианта технологического процесса. Установлено влияние формы отверстия на особенности реализации последующих процессов металлизации. Отверстия в кремнии формировались Bosсh-процессом. Параметры Bosсh-процесса варьируются в зависимости от выбранного конструктивно-технологического варианта создания отверстий. Для формирования фасок дополнительно вводилась стадия изотропного травления. На рис. 6 представлены примеры реализации различных вариантов профиля отверстий в кремниевой пластине. Исследования проводились на растровом электронном микроскопе FEI Quanta 3D FEG.
Из рассмотренных способов формирования сквозных отверстий в кремнии был выбран вариант с вертикальными стенками и небольшими фасками с обеих сторон отверстия. Как показали результаты исследований, предпочтительным вариантом реализации технологии металлизации является маршрут, предусматривающий нанесение подслоя из хрома и меди магнетронным способом, с последующим наращиванием меди электрохимическим осаждением. На рис. 7 представлены изображения металлизации отверстий после формирования подслоя и электрохимического осаждения меди (профили отверстий для исследований получены методом дисковой резки пластины на заданную глубину с последующим разламыванием). В случае магнетронного распыления осажденный слой имеет характерную столбчатую структуру, описываемую моделью Мовчана – Демчишина. Морфология медного слоя в значительной степени зависит от скорости осаждения, при этом возможно получение как пористых, так и плотных непористых слоев [3]. При отработке процесса электрохимического осаждения режимы были выбраны таким образом, чтобы обеспечить максимально плотную непористую структуру осаждаемой пленки.
По результатам отработки и исследований технологических процессов формирования отверстий, осаждения диэлектрического слоя и металлизации, подобраны оптимальные режимы и разработана технология изготовления интерпозеров (рис. 8), а также проведены измерения сопротивления в переходных отверстиях в изготовленных тестовых образцах (рис. 9).
Среднее значение сопротивления составило 23,5 мОм (данный результат получен с учетом сопротивления в местах контакта КП и измерительных щупов). Измерения проводились на цифровом мультиметре Agilent 34405A.
Проведены также два эксперимента на работоспособность образцов при крайних значениях рабочих температур и воздействии на вибрацию.
Среднее значение сопротивления переходных отверстий после температурного воздействия с учетом погрешности составило 24,1 мОм. Условия проведения: понижение температуры с комнатной до –60 °C в течение часа, затем плавный нагрев до +85 °C в течение 2 часов и остывание до комнатной в течение 1 часа.
Среднее значение сопротивления переходных отверстий после воздействия случайных вибраций в диапазоне 20–2000 Гц с учетом погрешности составило 23,8 мОм. Условия проведения: постепенное повышение частоты от 20 до 2000 Гц с амплитудой ускорения 5 g.
Данные результаты экспериментов позволяют говорить о достаточном качестве металлизации в отверстиях изготовленных тестовых образцов.
ОБРАЗЫ ИНТЕРПОЗЕРОВ И 3D МИКРОСБОРКИ
По результатам исследований были изготовлены образцы коммутационных плат и рамок (рис. 10) из кремния со сквозными металлизированными отверстиями (TSV) со следующими параметрами:
• планарные размеры: 15 × 15 мм;
• толщина: 335±10 мкм;
• количество слоев коммутации: 2;
• диаметр сквозных металлизированных отверстий: 60 мкм;
• основной материал заполнения сквозных отверстий: Cu;
• топологические нормы: толщина проводника/зазор: 0,09/0,09 мм.
Коммутационная плата является основанием уровня и основным элементом для создания трехмерной микросборки. Каждый уровень содержит прототип микросхемы в бескорпусном исполнении, отвечающий за определенный функционал. Кристалл микросхемы устанавливается на интерпозер по методу flip-chip монтажа с помощью припойных бампов SAC305 (Sn = 96,5 %; Ag = 3 %; Cu = 0,5 %) с исходным диаметром 100 мкм (рис. 11а, б, в). Кроме безсвинцовых бампов возможно также использовать материалы из золота или припоя с содержанием свинца различного диаметра. Зазор между кристаллом и поверхностью коммутационной платы заливается сверхтекучим компаундом (рис. 11г). В состав уровня входит кремниевая рамка, необходимая для осуществления вертикальной коммутации с другими уровнями микросборки. Рамка устанавливается на основании уровня по методу flip-chip монтажа. Толщина рамки с бампами чуть больше, чем толщина смонтированного кристалла на бампах, и содержит точно такое же количество внешних контактных площадок с TSV-отверстиями, как и количество КП на коммутационной плате.
После монтажа коммутационной рамки уровень заливается теплопроводящим компаундом. По аналогии изготавливаются остальные уровни и монтируются последовательно на первый уровень для получения трехмерной микросборки (рис. 12а, б).
На основе полученных результатов разработана трехмерная микросборка акселерометров с бескорпусными МЭМС и микросхемами обработки сигналов на коммутационных платах из кремния.
Микросборка включает два уровня:
1 уровень: 2 «капсулированных» чувствительных элемента МЭМС акселерометров с пассивными компонентами, смонтированных на интерпозер, и рамка кремниевая со сквозными металлизированными отверстиями и бампами.
Технология «капсулирования» заключается в создании защитной крышки над инерциальной массой ЧЭ МЭМС. Подвижность элементов инерциальной структуры обеспечивается углублением в крышке из кремния, которая соединяется с верхней частью ЧЭ посредством технологии сращивания. Для получения электрического контакта от ЧЭ в крышке формируются сквозные металлизированные отверстия TSV (рис. 13).
2 уровень: кристалл микросхемы обработки сигналов с пассивными компонентами, смонтированными на интерпозер, и рамка кремниевая со сквозными металлизированными отверстиями и бампами (рис. 14).
Параметры модели 3D микросборки акселерометра:
• планарные размеры: 15×15 мм;
• высота: около 1,5 мм;
• количество внешних КП: 48 шт.;
• диаметр сквозных отверстий в рамке: 0,1 мм;
• диапазон измерений: ±1…±200 g;
• нелинейность: до 0,2 %;
• спектральная плотность шума: до 10−5 g/Гц−1/2;
• диапазон рабочих температур: −60…+125 °C.
Ключевыми особенностями 3D микросборки являются интеграция разнородных отечественных элементов (МЭМС, ИС) в единую функционально-законченную систему с максимально плотным размещением, применение кремния в качестве коммутационной платы, вертикальная коммутация уровней микросборки с применением TSV и бампов, применение «капсулированных» МЭМС, отсутствие проволочных соединений для микромонтажа элементов на интерпозер.
В рамках работы получены следующие результаты:
1. Отработаны основные процессы формирования сквозных металлизированных отверстий в коммутационных платах из кремния.
2. Проведены исследования TSV отверстий диаметром от 40 мкм до 120 мкм в кремниевых пластинах р-типа проводимости с удельным сопротивлением от 0,5–20 Ом∙см с ориентацией «111» и толщиной 300 мкм.
3. Изготовлены образцы коммутационных плат из кремния (интерпозеров) с планарными размерами 15 × 15 мм, толщиной около 330 мкм, с диаметром TSV отверстий 60 мкм, со средним значением сопротивления переходных отверстий 23 мОм (основной проводящий материал — медь).
4. Разработана технология 3D микросборки и отработаны основные этапы изготовления: установка бампов на контактные площадки, установка кристаллов методом flip-chip монтажа на интерпозер, формирование уровней 3D микросборки, заливка подкристального пространства и уровней компаундами, сборка и монтаж уровней.
5. Разработана модель 3D микросборки акселерометра с двумя уровнями на основе коммутационных плат из кремния и бескорпусных элементов МЭМС и ИС.
Представленное в статье направление работ по технологии 3D микросборки развивается совместно с АО «НИИМЭ».
ЛИТЕРАТУРА
1. Вертянов Д. В., Петров В. С., Шабунин Д. А., Бураков М. М., Брыкин А. В. Преимущества технологии внутреннего монтажа при производстве инерциальных систем на основе отечественных МЭМС. Научно-технологический журнал «Наноиндустрия. Спецвыпуск 2017 (74)». — С. 579–580.
2. Garrou P., Bower Ch., Ramm P. Handbook of 3D Integration. Technology and Applications of 3D Integrated Circuits. 2008.
3. Boyko A., Gaev D., Timoshenkov S., Litmanovich D. “Controllable Growth of Copper Fractal Aggregates on Structurally Modified Silicon Surface”, Proc. of the XXXII Int. Sc. Conf. ELNANO’2013, Kyiv, 2013, pp. 185–187.
Перспективными решениями, позволяющими производить конкурентоспособные изделия микросистемной техники, являются технологии внутреннего монтажа и трехмерной (3D) микросборки на основе коммутационных плат из кремния [1].
КОНЦЕПЦИЯ ТЕХНОЛОГИИ 3D МИКРОСБОРКИ
Технология 3D микросборки может включать в себя различные комбинации методов и конструктивно-технологических решений (рис. 1):
• flip-chip монтаж;
• корпусирование на уровне пластины (wafer level packaging — WLP);
• TSV (through silicon via), интерпозеры, встроенные кристаллы (embedded dies).
Наибольшую плотность интеграции среди всех высокоплотных технологий имеет интеграция с помощью TSV [2]. TSV используется для создания 3D сборки микросхем памяти, структур МЭМС совместно с кристаллами управляющей логики, а также интерпозеров. При этом применение TSV в микросхемах ограничено высокой стоимостью и сложностью технологии (рис. 2).
На основе конструктивно-технологических решений и методов, применяемых в технологиях flip-chip монтажа, многокристальных модулях, внутреннего монтажа, группового корпусирования кристаллов на уровне пластины, интерпозеров с TSV-отверстиями была разработана технология изготовления 3D микросборок из кремния.
3D микросборка представляет собой унифицированную многоуровневую сборку из кремниевых коммутационных плат с TSV (интерпозеров) по периметру (рис. 3а). Кристалл (микросхема в бескорпусном исполнении) с заранее сформированными бампами из припоя на контактных площадках монтируется на коммутационную плату методом flip-chip (рис. 3б). Уровни сборки соединяются между собой посредством коммутационных рамок из кремния (рис. 3в), имеющие также по периметру TSV и бампы для обеспечения объемной коммутации. Свободное пространство в микросборке заполняется двумя типами компаундов (на кремнийорганической и эпоксидной основе). Унификация достигается за счет одинакового количества внешних контактных площадок (КП) с переходными отверстиями (TSV) для каждого типоразмера коммутационной платы и рамки, при этом внутренняя топология изменяется в зависимости от схемы уровня. Каждый уровень в 3D микросборке может являться функционально-законченным модулем.
Для выбора оптимального базового материала коммутационных плат 3D микросборки проведен сравнительный анализ наиболее распространенных материалов (табл. 1): Al2O3 — оксидная керамика, AlN — алюмонитридная керамика, Si — кремний, FR4 — стеклотекстолит, TGV — твердое стекло, TQV — синтетический кварц, PTFE/E-glass — материал на основе политетрафторэтилена и алюмоборосиликатного стекла с содержанием оксидов щелочных металлов.
По результатам анализа в качестве материала для создания 3D микросборок был выбран кремний. Применение кремния в качестве коммутационных плат позволяет обеспечить высокую теплопроводность (в 50 раз больше, чем у LTCC керамики), более высокие топологические нормы, чем на стеклотекстолите и керамике (диаметр переходных отверстий менее 70 мкм, ширина проводника и зазор между проводниками менее 80 мкм), максимально близкий ТКЛР с базовыми материалами элементов МЭМС и интегральных схем (ИС).
Из достоинств применения кремния вытекают преимущества и недостатки технологии TSV.
Преимущества TSV:
• монокристаллическая структура материала;
• малый диаметр и шаг отверстий при высоком аспектном соотношении;
• доступность материала (стандартные пластины кремния без специальных требований);
• возможность применения для формирования топологии на поверхности подложки стандартных технологий производства ИС;
• минимальные топологические нормы;
• отсутствие разности ТКЛР между материалом кристалла и материалом подложки с TSV;
• возможность использования в качестве подложки для TSV кристалла ИС;
Недостатки:
• кремний является полупроводником и имеет небольшое сопротивление, поэтому для формирования отверстий в кремнии необходимо предварительно создавать слой диэлектрика, как правило, оксида или нитрида кремния;
• кремний относительно хрупкий материал;
• дорогая технология при формировании TSV в структуре ИС с последующей 3D сборкой.
Для вертикальной коммутации уровней микросборки необходимо наличие в коммутационных платах из кремния сквозных металлизированных отверстий с высокой проводимостью (рис. 4). Задача формирования переходных отверстий в кремнии с максимально низким сопротивлением является наиболее сложной и востребованной в настоящее время для отечественной микроэлектроники.
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ФОРМИРОВАНИЯ СКВОЗНЫХ МЕТАЛЛИЗИРОВАННЫХ ОТВЕРСТИЙ В КРЕМНИИ
В первую очередь проведено моделирование сопротивления структуры металлов, осажденных на поверхности отверстия. Моделирование проводилось со следующими условиями: плоскость земли и источник располагались на контактных площадках пластины с верхней и нижней сторон при максимальном удалении друг от друга (плоскость источника на краю верхней КП, плоскость земли на противоположном по отношению к плоскости источника краю нижней КП), основной проводящий материал — медь. Для упрощения расчета был установлен ток источника равный 1А (рис. 5). Размер контактных площадок с двух сторон носителя составляет 0,8 мм на 0,4 мм. Толщина кремниевой пластины 300 мкм, толщина SiO2 1 мкм, толщина подслоя хрома 50 нм.
По результатам моделирования была определена зависимость сопротивления сквозного металлизированного отверстия от толщины металлизации:
1. Для толщины металла в 10 мкм сопротивление составило: Rот10 = 1,7 мОм;
2. Для толщины металла в 15 мкм сопротивление составило: Rот15 = 1,3 мОм;
3. Для полностью заполненного металлом отверстия ∅ 60 мкм Rот30 = 0,7 мОм.
В работе использовался монокристаллический кремний р-типа проводимости с удельным сопротивлением от 0,5–20 Ом∙см с ориентацией «111» и толщиной 300 мкм, диаметры формируемых отверстий от 40 до 120 мкм.
Формирование отверстий разного диаметра проходило на установке глубокого плазменного травления. Вытравливались как сквозные, так и несквозные отверстия в зависимости от варианта технологического процесса. Установлено влияние формы отверстия на особенности реализации последующих процессов металлизации. Отверстия в кремнии формировались Bosсh-процессом. Параметры Bosсh-процесса варьируются в зависимости от выбранного конструктивно-технологического варианта создания отверстий. Для формирования фасок дополнительно вводилась стадия изотропного травления. На рис. 6 представлены примеры реализации различных вариантов профиля отверстий в кремниевой пластине. Исследования проводились на растровом электронном микроскопе FEI Quanta 3D FEG.
Из рассмотренных способов формирования сквозных отверстий в кремнии был выбран вариант с вертикальными стенками и небольшими фасками с обеих сторон отверстия. Как показали результаты исследований, предпочтительным вариантом реализации технологии металлизации является маршрут, предусматривающий нанесение подслоя из хрома и меди магнетронным способом, с последующим наращиванием меди электрохимическим осаждением. На рис. 7 представлены изображения металлизации отверстий после формирования подслоя и электрохимического осаждения меди (профили отверстий для исследований получены методом дисковой резки пластины на заданную глубину с последующим разламыванием). В случае магнетронного распыления осажденный слой имеет характерную столбчатую структуру, описываемую моделью Мовчана – Демчишина. Морфология медного слоя в значительной степени зависит от скорости осаждения, при этом возможно получение как пористых, так и плотных непористых слоев [3]. При отработке процесса электрохимического осаждения режимы были выбраны таким образом, чтобы обеспечить максимально плотную непористую структуру осаждаемой пленки.
По результатам отработки и исследований технологических процессов формирования отверстий, осаждения диэлектрического слоя и металлизации, подобраны оптимальные режимы и разработана технология изготовления интерпозеров (рис. 8), а также проведены измерения сопротивления в переходных отверстиях в изготовленных тестовых образцах (рис. 9).
Среднее значение сопротивления составило 23,5 мОм (данный результат получен с учетом сопротивления в местах контакта КП и измерительных щупов). Измерения проводились на цифровом мультиметре Agilent 34405A.
Проведены также два эксперимента на работоспособность образцов при крайних значениях рабочих температур и воздействии на вибрацию.
Среднее значение сопротивления переходных отверстий после температурного воздействия с учетом погрешности составило 24,1 мОм. Условия проведения: понижение температуры с комнатной до –60 °C в течение часа, затем плавный нагрев до +85 °C в течение 2 часов и остывание до комнатной в течение 1 часа.
Среднее значение сопротивления переходных отверстий после воздействия случайных вибраций в диапазоне 20–2000 Гц с учетом погрешности составило 23,8 мОм. Условия проведения: постепенное повышение частоты от 20 до 2000 Гц с амплитудой ускорения 5 g.
Данные результаты экспериментов позволяют говорить о достаточном качестве металлизации в отверстиях изготовленных тестовых образцов.
ОБРАЗЫ ИНТЕРПОЗЕРОВ И 3D МИКРОСБОРКИ
По результатам исследований были изготовлены образцы коммутационных плат и рамок (рис. 10) из кремния со сквозными металлизированными отверстиями (TSV) со следующими параметрами:
• планарные размеры: 15 × 15 мм;
• толщина: 335±10 мкм;
• количество слоев коммутации: 2;
• диаметр сквозных металлизированных отверстий: 60 мкм;
• основной материал заполнения сквозных отверстий: Cu;
• топологические нормы: толщина проводника/зазор: 0,09/0,09 мм.
Коммутационная плата является основанием уровня и основным элементом для создания трехмерной микросборки. Каждый уровень содержит прототип микросхемы в бескорпусном исполнении, отвечающий за определенный функционал. Кристалл микросхемы устанавливается на интерпозер по методу flip-chip монтажа с помощью припойных бампов SAC305 (Sn = 96,5 %; Ag = 3 %; Cu = 0,5 %) с исходным диаметром 100 мкм (рис. 11а, б, в). Кроме безсвинцовых бампов возможно также использовать материалы из золота или припоя с содержанием свинца различного диаметра. Зазор между кристаллом и поверхностью коммутационной платы заливается сверхтекучим компаундом (рис. 11г). В состав уровня входит кремниевая рамка, необходимая для осуществления вертикальной коммутации с другими уровнями микросборки. Рамка устанавливается на основании уровня по методу flip-chip монтажа. Толщина рамки с бампами чуть больше, чем толщина смонтированного кристалла на бампах, и содержит точно такое же количество внешних контактных площадок с TSV-отверстиями, как и количество КП на коммутационной плате.
После монтажа коммутационной рамки уровень заливается теплопроводящим компаундом. По аналогии изготавливаются остальные уровни и монтируются последовательно на первый уровень для получения трехмерной микросборки (рис. 12а, б).
На основе полученных результатов разработана трехмерная микросборка акселерометров с бескорпусными МЭМС и микросхемами обработки сигналов на коммутационных платах из кремния.
Микросборка включает два уровня:
1 уровень: 2 «капсулированных» чувствительных элемента МЭМС акселерометров с пассивными компонентами, смонтированных на интерпозер, и рамка кремниевая со сквозными металлизированными отверстиями и бампами.
Технология «капсулирования» заключается в создании защитной крышки над инерциальной массой ЧЭ МЭМС. Подвижность элементов инерциальной структуры обеспечивается углублением в крышке из кремния, которая соединяется с верхней частью ЧЭ посредством технологии сращивания. Для получения электрического контакта от ЧЭ в крышке формируются сквозные металлизированные отверстия TSV (рис. 13).
2 уровень: кристалл микросхемы обработки сигналов с пассивными компонентами, смонтированными на интерпозер, и рамка кремниевая со сквозными металлизированными отверстиями и бампами (рис. 14).
Параметры модели 3D микросборки акселерометра:
• планарные размеры: 15×15 мм;
• высота: около 1,5 мм;
• количество внешних КП: 48 шт.;
• диаметр сквозных отверстий в рамке: 0,1 мм;
• диапазон измерений: ±1…±200 g;
• нелинейность: до 0,2 %;
• спектральная плотность шума: до 10−5 g/Гц−1/2;
• диапазон рабочих температур: −60…+125 °C.
Ключевыми особенностями 3D микросборки являются интеграция разнородных отечественных элементов (МЭМС, ИС) в единую функционально-законченную систему с максимально плотным размещением, применение кремния в качестве коммутационной платы, вертикальная коммутация уровней микросборки с применением TSV и бампов, применение «капсулированных» МЭМС, отсутствие проволочных соединений для микромонтажа элементов на интерпозер.
В рамках работы получены следующие результаты:
1. Отработаны основные процессы формирования сквозных металлизированных отверстий в коммутационных платах из кремния.
2. Проведены исследования TSV отверстий диаметром от 40 мкм до 120 мкм в кремниевых пластинах р-типа проводимости с удельным сопротивлением от 0,5–20 Ом∙см с ориентацией «111» и толщиной 300 мкм.
3. Изготовлены образцы коммутационных плат из кремния (интерпозеров) с планарными размерами 15 × 15 мм, толщиной около 330 мкм, с диаметром TSV отверстий 60 мкм, со средним значением сопротивления переходных отверстий 23 мОм (основной проводящий материал — медь).
4. Разработана технология 3D микросборки и отработаны основные этапы изготовления: установка бампов на контактные площадки, установка кристаллов методом flip-chip монтажа на интерпозер, формирование уровней 3D микросборки, заливка подкристального пространства и уровней компаундами, сборка и монтаж уровней.
5. Разработана модель 3D микросборки акселерометра с двумя уровнями на основе коммутационных плат из кремния и бескорпусных элементов МЭМС и ИС.
Представленное в статье направление работ по технологии 3D микросборки развивается совместно с АО «НИИМЭ».
ЛИТЕРАТУРА
1. Вертянов Д. В., Петров В. С., Шабунин Д. А., Бураков М. М., Брыкин А. В. Преимущества технологии внутреннего монтажа при производстве инерциальных систем на основе отечественных МЭМС. Научно-технологический журнал «Наноиндустрия. Спецвыпуск 2017 (74)». — С. 579–580.
2. Garrou P., Bower Ch., Ramm P. Handbook of 3D Integration. Technology and Applications of 3D Integrated Circuits. 2008.
3. Boyko A., Gaev D., Timoshenkov S., Litmanovich D. “Controllable Growth of Copper Fractal Aggregates on Structurally Modified Silicon Surface”, Proc. of the XXXII Int. Sc. Conf. ELNANO’2013, Kyiv, 2013, pp. 185–187.
Отзывы читателей
