3. Методические указания по проведению лабораторных работ Лабораторная работа № 1. Корпусирование кристалла ис на примере операционного усилителя в сапр Cadence

Цели работы: получение навыков подготовки кристалла к корпусированию, подготовки сопроводительной технической документации, закрепление теоретических сведений по процессу корпусирования.

Краткие теоретические сведения

Корпусирование кристаллов

Корпус — это часть конструкции микросхемы, предназначенная для защиты от внешних воздействий и для соединения с внешними электрическими цепями посредством выводов.

Корпуса стандартизованы для упрощения технологического процесса изготовления изделий из разных микросхем.

Корпусирование кристаллов – технологический процесс помещения кристаллов в корпус и создание электрических соединений кристалл-выводы микросхемы. Технологический процесс корпусирования представляет собой совокупность сложных технических операций, начиная от разделения пластины на отдельные кристаллы и заканчивая финальными проверками электрических и физико-технологических параметров готовой микросхемы.

Существует большое количество технологий корпусирования ИС, применяющихся в зависимости от типа корпуса, технологии, по которой выпущен кристалл, особенностей применения ИС и многих других факторов. Однако можно выделить следующий универсальный упрощенный маршрут корпусирования (рис. 3.1.1):

- резка пластины на отдельные кристаллы;

- фиксация кристалла на посадочном месте в корпусе;

- присоединение контактных площадок к выводам микросхемы;

- герметизация корпуса микросхемы и проверка герметичности;

- измерения и испытания микросхем;

- маркировка и упаковка микросхем.

Рис. 3.1.1. Упрощенная схема типового сборочного производства

На первом этапе осуществляется резка пластин - разделение пластины на кристаллы. В большинстве маршрутов корпусирования применяется прецизионная резка дисковыми пилами. После резки выполняется ломка пластин на кристаллы.

На следующем этапе осуществляется монтаж кристалла на посадочное место и фиксация кристалла с помощью клея в случае использования традиционных wirebond кристаллов, либо фиксация кристалла с помощью способа реализации шариковых выводов при использовании соединения flipchip.

Возможны два варианта используемого клея: токопроводящий клей и токоизолирующий клей. В любом из этих вариантов кристалл должен быть надежно закреплен на посадочном месте корпуса, клей при этом должен иметь высокую теплопроводность для обеспечения хорошего теплоотвода.

Кристалл типа flipchip устанавливается «лицевой» стороной на выводы корпуса. Перед установкой компонентов типа flipchip на выводе корпуса, к которому будет подключена контактная площадка кристалла, формируется контактный выступ в виде шарик припоя. Далее происходит захват кристалла специальным оборудованием, совмещение контактных площадок кристалла и контактных выступов на выводах корпуса.

После установки кристалла в корпус производятся испытания соединения кристалл-корпус на прочность. Для этого используются методы разрушающего контроля, такие как сдвиг кристалла, отрыв кристалла, а также промежуточные испытания: сдвиг и отрыв шариковых выводов.

Следующим важным этапом корпусирования wirebond-кристаллов является этап создания электрических соединений кристалл-корпус. Для этого используется способ проволочной разварки, когда отрезок металлической проволоки, выполненной из алюминия, золота или платины, прикрепляется одним из способов к контактной площадке кристалла и к выводу корпуса микросхемы. В основном используются два способа разварки: присоединение клином или присоединение на шарик.

Клиновая микросварка проволочных выводов - разновидность разварки выводов методом «клин-клин». Свободный конец проволоки посредством специального инструмента – клина – приваривается к контактной площадке. Проволока по микроскопическому каналу, выполненному на острие клина, подается под инструмент, после чего включается ультразвук. Специальная канавка на наконечнике клина позволяет сформировать устойчивое соединение и образовать петлю специальной формы. Второй конец проволоки приваривается к соответствующей контактной площадке аналогичным образом. Диаметр поперечного сечения применяемой проволоки колеблется в пределах от 15 до 600 мкм.

Принцип работы шариковой микросварки заключается в том, что перед выполнением первого соединения на концевом участке проволоки формируется шарик, который затем приваривается к контактной площадке, образуя прочную связь, позволяющую формировать длинные петли сложного профиля. Такой тип микросварки позволяет разваривать сложные многовыводные компоненты.

Для формирования четкой статистической картины результатов настройки технологического процесса применяется комплексное тестирование проволочных соединений на отрыв. Суть теста заключается в механическом нагружении петли разваренного соединения монотонно и непрерывно возрастающей нагрузкой и регистрации последующего исхода в базе данных наравне с усилием, разорвавшим соединение. Приложение нагрузки осуществляется посредством специального крючка.

Последним этапом формирования корпуса является этап закрытия микросхемы крышкой, герметизация крышки для металло- и стеклокерамических микросхем либо заливка массой и прессовка для пластмассовых корпусов. Далее производится проверка герметичности корпуса и оценка электрических параметров микросхемы.

Подготовка сопроводительной технологической документации.

При корпусировании кристаллов используется технологическая документация, получаемая от разработчиков кристалла, в составе:

- схема расположения контактных площадок;

- таблица координат контактных площадок;

- схема разварки кристалла в корпусе.

Схема расположения (рис. 3.1.2) представляет собой чертеж кристалла с расположенными на его площади контактными площадками в местах, занимаемых ими в реальном кристалле. Все контактные площадки в обязательном порядке нумеруются. На схеме должны быть расположены оси координат X, Y, пересекающиеся в центре кристалла, и обозначена дополнительно контактная площадка, имеющая первый порядковый номер. При этом чертеж является качественным, т.е. масштаб может не соблюдаться. Должна быть представлена информация о размерах кристалла и минимальном шаге контактных площадок, т.е. о расстоянии, определяемом как размер контактной площадки плюс расстояние до расположенной по соседству контактной площадки вдоль одной оси симметрии.

Рис. 3.1.2. Схема расположения контактных площадок кристалла

Таблица координат контактных площадок требуется для определения позиционирования контактных площадок с целью задания точек разварки и должна содержать координаты центра контактных площадок относительно осей Х и У на схеме расположения контактных площадок.

Схема разварки кристалла в корпусе (рис. 3.1.3) представляет собой чертеж корпуса с кристаллом на посадочном месте. На площади корпуса должны быть отражены все выводы корпуса, номера выводов корпуса, обозначения выводов корпуса микросхемы, а на площади кристалла отображаются пронумерованные контактные площадки с дополнительно обозначенной первой контактной площадкой.

Кристалл на схеме разварки позиционирован относительно выводов корпуса заданным образом. На схеме разварки чертятся линии, соединяющие контактные площадки с соответствующими им выводами корпуса, являющиеся соединениями. Также должен быть указан тип корпуса.

Рис. 3.1.3. Схема разварки кристалла в корпусе

Лабораторные задания и рекомендации по их выполнению

1) Произвести формирование кристалла: расположить топологические блоки (операционный усилитель) и контактные площадки на кристалле в соответствии с вариантом задания (табл. 3.1.1), подключив площадки к блокам.

Таблица 3.1.1

Состав кристалла и тип корпуса

№ варианта	Тип корпуса	Количество выводов корпуса	Количество каналов ОУ	Размер КП, мкм	Шаг КП, мкм
1	2121.28-6	28	4	120	180
2	2121.28-6	28	5	120	180
3	4235.88-1	88	5	120	180
4	4235.88-1	88	5	120	200
5	4235.88-1	88	6	120	200

В каждом варианте задания требуется мультиплицировать на кристалле топологический блок операционного усилителя, разработанный в ходе выполнения лабораторной работы № 4 дисциплины «Проектирование аналоговых устройств для 3D изделий», в количестве, указанном в табл. 3.1.1 (количество каналов ОУ). Выводы блоков должны быть подключены к контактным площадкам, расположенным по периферии кристалла. Конструкция корпуса 4235.88-1 представлена на рис. 3.1.4, а корпуса 2121.28-6 – на рис. 3.1.5.

Конструкцией корпуса 4235.88-1 (независимо от наличия в нем кристалла) предусмотрены следующие электрические соединения:

- вывод 11 электрической шиной соединен с выводом 56;

- вывод 12 электрической шиной соединен с выводом 55;

- угловые площадки "а, б, в, г", выводы 53, 57 электрически соединены между собой и с монтажной площадкой.

Рис.3.1.4. Конструкция корпуса 4235.88-1 и пример разварки кристалла в корпусе

Рис. 3.1.5. Конструкция внутренней части корпуса 2121.28-6 и пример разварки кристалла

2) Разработать схему расположения контактных площадок кристалла согласно варианту задания.

3) Составить таблицу координат контактных площадок, соответствующую схеме их расположения.

4) Создать схему разварки кристалла в корпусе согласно варианту задания.

5) Описать поэтапно процесс корпусирования кристалла операционного усилителя.

Контрольные вопросы

1) Что такое корпусирование ИС ? Назовите основные этапы корпусирования.

2) Опишите этапы корпусирования ИС.

3) Что представляет собой схема расположения контактных площадок? Какую информацию она должна содержать?

4) Для чего нужна таблица координат контактных площадок? Поясните состав таблицы.

5) Что такое схема разварки кристалла? Для чего она используется и какую информацию отражает?

Требования к содержанию отчета

Отчет по лабораторной работе должен содержать следующие разделы:

1) Цели и задачи лабораторной работы.

2) Исходную топологию кристалла (задание).

3) Схему расположения контактных площадок, таблицу координат контактных площадок схему разварки кристалла в корпусе.

4) Маршрут корпусирования, расписанный поэтапно.

5)Выводы о проделанной работе.