Кристаллы с балочными выводами

Для формирования организованных выводов определенное развитие получила технология создания балочных выводов. Выводы, как правило, из золота, формируются после окончания технологического процесса изготовления полупроводниковой структуры. Эти выводы по существу представляют собой продолжение выходных площадок кристалла и выступают за пределы кристалла в виде консольных балок. Толщина балок – 10 – 15 мкм, длина за пределами кристалла – 150 – 400 мкм, а ширина составляет от 0,1 до 0,125 мм. Вместо механического скрайбирования и разламывания пластины на отдельные кристаллы в данном случае используется операция травления.

Кристаллы с такими выводами, монтируя к контактным площадкам платы, приваривают или припаивают только концы наружных частей балок, поэтому кристалл не подвергается механическим воздействиям во время монтажа. Кроме того, контактный узел практически не подвергается действию механических напряжений за счет разницы КТЛР кристалла и подложки, так как балочные выводы могут изгибаться. К другим преимуществам элементов с балочными выводами можно отнести возможность визуального контроля качества присоединения, хороший теплоотвод от кристалла.

Вместе с тем ИМС с балочными выводами обладают рядом недостатков:

• дополнительным расходом кремния, обусловленным формированием на поверхности кремниевой пластины, наряду с активной частью микросхемы, балочных выводов;

• существенным усложнением технологического процесса, связанным с формированием балочных выводов и разделением кремниевых пластин на кристаллы с помощью анизотропного травления;

• хрупкостью балочных выводов и возможностью повреждения изоляции между балочным выводом и кристаллом.

Перечисленные недостатки существенно снижают процент выхода годных ИМС с балочными выводами, что обуславливает их высокую стоимость. Поэтому устройства с балочными выводами элементов имеют ограниченное применение и используются в аппаратуре специального назначения.

Избежать этих недостатков в значительной степени можно применением вариантов технологии монтажа перевернутым кристаллом с шариковыми (столбиковыми) выводами или на гибком полимерном (чаще всего полиимидном) носителе.

ИМС с организованными шариковыми выводами. Характерной особенностью кристаллов с шариковыми выводами является то, что все выводы формируются в пределах кристалла на его лицевой стороне, а монтаж производится лицевой стороной вниз по методу перевернутого кристалла - «flip-chip» монтаж.

Использование ИМС с шариковыми и столбиковыми выводами обеспечивает следующие преимущества:

• высокую плотность активных элементов и ИМС на кремниевой пластине, так как внешние выводы не требуют дополнительной площади кристалла;

• возможность автоматизации и высокую производительность операции монтажа элементов на платы;

• хорошую ремонтноспособность.

Недостатком монтажа по методу перевернутого кристалла является трудоемкость, контроля качества соединения выводов элементов с контактными площадками платы и довольно жесткая связь кристалла с платой, что при определенных условиях может повлиять на надежность соединения по причине различия КТЛР кристалла и платы.

В последнее время достаточно широко развит метод формирования ПМВ, отличающийся простотой и легкостью автоматизации, основанный на ультразвуковом присоединении золотого шарика встык к контактной площадке кристалла [3]. После УЗ приварки шарика, предварительно сформированного на конце золотой проволоки путем ее оплавления пламенем газовой горелки или электроразрядом, проволока автоматически механическим ножом обрезается непосредственно над шариком. Такой метод формирования ПМВ получил развитие и за рубежом. К достоинствам этого метода следует отнести избирательность формирования ПМВ (только на годных кристаллах), высокую адгезионную прочность ПМВ (от 300 до 600 мН), отработанность техпроцесса и слабое влияние на параметры прибора.

ИМС с организованными выводами на гибком носителе. Эту технологию часто называют ТАВ – технологией (Tape Automated Bonding). Автоматизированный монтаж кристаллов производится с использованием гибкого носителя с ленточными выводами, изготавливаемого отдельно (технологически не связанного с кристаллом), с применением фотолитографии по слою алюминия (или меди), расположенному на тонком полимерном основании. После полной аттестации СБИС на носителе производится вырубка (отделение от измерительных участков носителя), и затем монтаж СБИС КГА в МКМ.

В основу классификации типов гибких (как правило, полиимидных) носителей (ПН) положены три параметра: число слоев носителя, материал проводников носителя, конструктивное выполнение выводов ПН. Исходя из вышеприведенных параметров, типы гибких носителей можно разделить на три группы: однослойные, многослойные (2-х и 3-х слойные) и пространственные.

Однослойные носители состоят только из одного слоя металла (как правило, медная фольга) с вытравленными и облуженными выводными рамками. Напайку кристаллов к таким носителям производят эвтектикой Au-Sn. Недостаток заключается в невозможности проведения испытаний смонтированных на них кристаллов до установки их на плату, к тому же не исключается и возможность замыкания выводов носителя на край кристалла. Поэтому, такой тип ленточных носителей используется, главным образом, только для кристаллов с малым числом выводов и имеющих высокий выход годных в массовом производстве. Смонтированные таким образом кристаллы, как правило, запрессовываются пластмассой.

Пространственный тип носителей находится в стадии лабораторной отработки и нацелен на решение пространственной сборки матричных безвыводных кристаллов СБИС, характеризующихся расположением монтажных контактных площадок не только по перефирии кристалла, но и по его центральной части. В этом случае автоматизированное соединение выводов предполагает как монтаж методом перевернутого кристалла, так и одноточечной микросварки.

Многослойные (2-х и 3-х слойные) носители имеют структуру металл - полимер и металл - адгезив - полимер. Выбор материалов ПН и технология их изготовления должны обеспечивать:

• точное соответствие размеров ленты конфигурации схемы;

• надежность соединения металла с пленкой в процессе проведения таких технологических операций, как химическое травление, термоциклирование, ультразвуковая, термокомпрессионная и другие виды сварки, термическая устойчивость при защитных операциях;

• отсутствие усадки пленки при нагреве и максимальное соответствие полимерного материала и металла выводов по величине КТР для сведения к минимуму механических напряжений.

Кроме того, к материалу выводов ПН предъявляются следующие требования: прочность, пластичность, стойкость к многократным перегибам, коррозионная стойкость, адгезия к полиимиду, совместимость с адгезивом, возможность фотопечати с обеспечением разрешения согласно шагу контактных площадок кристалла, возможность проведения процесса монтажа на плату, как пайкой, так и сваркой.

Из материалов для выводов ПН, которые могут отвечать вышеуказанным требованиям, можно отнести металлы: Al, Au, Ni, Cu. Из приведенных металлов наиболее полно отвечает перечисленным требованиям золото. Однако золото является драгметаллом и поэтому находит применение, в основном, в виде финишного покрытия к основному металлу.

Из остальных металлов наибольшее распространение в качестве материалов выводов ПН получили Аl и Cu в виде фольги. Толщина алюминиевой фольги лежит в пределах 0,025 – 0,07 мм, а толщина медной фольги, как правило, составляет 0,03 – 0,035 мм, в отдельных случаях достигает 0,076 мм.

В качестве материала полимерной пленки в ПН могут использоваться полиимид, полиэфир, полисульфоноэфир и другие. Наибольшее распространение получил полиимид вследствие исключительного сочетания свойств: высокой теплостойкости, способности сохранять стабильность физических и химических свойств при высоких температурах, возможности селективной химической обработки и использования в качестве подложки при вакуумном напылении металлических пленок. Полимерная пленка, являясь основой гибкого носителя, как правило, имеет ширину от 16 до 120 мм.

Двухслойный носитель выполняется нанесением на металлическую фольгу полиимидного лака с его последующей полимеризацией и требует при формировании рисунка избирательного травления, как металлической фольги, так и полиимида. Для изготовления трехслойного носителя на пленку из полиимида наносят слой адгезива (на основе эпоксидов, акрила или полиэфирных) и после разрезания пленки на ленты в ней с помощью соответствующих пуансонов автоматически пробивается краевая перфорация, отверстия под кристаллы и под балочные выводы. Затем на ленту наклеивают металлическую фольгу. Далее лента поступает на операции избирательного травления металлической фольги для формирования балочных выводов с последующим осаждением защитного покрытия из олова, никеля или золота. Для производства полиимидных носителей используется и полуаддитивная технология. Технология является унифицированной для производства гибких носителей и предусматривает травление полиимида для формирования переходных отверстий, вакуумное осаждение пленок Cr-Cu на полиимидную пленку, фотопечать и избирательное гальваническое наращивание проводящих слоев Cu-(Sn-Bi), формирование окончательного конструктива путем травления полиимида.

Преимущественным методом присоединения алюминиевых выводов носителя к алюминиевым контактным площадкам кристалла является ультразвуковая сварка. Поочередное присоединение каждого вывода носителя к соответствующей контактной площадке кристалла, конечно, снижает производительность процесса, однако применение методов технического зрения в значительной степени позволяет автоматизировать процесс микромонтажа в целом. Объемные выводы присоединяются к внутренним медным выводам рамки носителя различными способами: импульсной эвтектической пайкой Sn-Au; термокомпрессионной сваркой Au-Au; лазерной импульсной пайкой или сваркой.

Необходимость получения многовыводных кристаллов СБИС с гарантированной аттестацией (КГА) для монтажа МКМ поставило на повестку дня вопрос о разработке новой технологической концепции сборки бескорпусных СБИС с выработкой конструкторско - технологических требований для унификации конструкций СБИС КГА на гибком носителе, автоматизации сборки, включая обеспечение возможности проведения измерений и контроля кристаллов до монтажа.