Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
СРС_ЭТМО.doc
Скачиваний:
108
Добавлен:
26.09.2019
Размер:
43.27 Mб
Скачать

Кристаллы с балочными выводами

При формировании организованных выводов определенное развитие получила технология создания балочных выводов. Как правило, выводы из золота формируются после окончания технологического процесса изготовления полупроводниковой структуры. По существу они 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 - от 0,1 до 0,125 мм. Вместо механического скрайбирования и разламывания пластины на отдельные кристаллы в данном случае используется операция травления.

При монтаже кристаллов с балочными выводами на плату приваривают или припаивают только концы наружных частей балок, поэтому сами кристаллы не подвергаются механическим воздействиям. К другим преимуществам кристаллов с балочными выводами можно отнести возможность визуального контроля качества присоединения и хороший теплоотвод.

Вместе с тем интегральные микросхемы (ИМС) с балочными выводами имеют ряд недостатков:

  • дополнительный расход кремния, обусловленный формированием на поверхности кремниевой пластины, наряду с активной частью микросхемы, балочных выводов;

  • существенное усложнение технологического процесса, связанное с формированием балочных выводов и разделением кремниевых пластин на кристаллы с помощью анизотропного травления;

  • хрупкость балочных выводов и возможность повреждения изоляции между балочным выводом и кристаллом.

Перечисленные недостатки существенно снижают процент выхода годных, что определяет высокую стоимость. Поэтому кристаллы с 6алочнымн выводами имеют ограниченное применение и используются в аппаратуре специального назначения.

Избежать указанных недостатков позволяет применение технологии монтажа по методу перевернутого кристалла с шариковыми (столбиковыми) выводами или на гибком полимерном (чаще всего полиимидном) носителе.

Имс с организованными шариковыми выводами

Характерная особенность кристаллов с шариковыми выводами состоит в том, что все выводы формируются в пределах кристалла на его лицевой стороне, а монтаж производится лицевой стороной вниз по методу перевернутого кристалла - флип-чип-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 операции монтажа элементов на платы, ее высокую производительность;

  • хорошую ремонтопригодность;

  • возможность матричного расположения контактных площадок и очень малая протяженность межконтактных соединений, что сводит к минимуму величину их индуктивности.

Недостатками монтажа по методу перевернутого кристалла являются:

  • худшие тепловые характеристики (по сравнению с кристаллом, присоединенным обычным способом);

  • трудность обеспечения гарантированного присоединения выводов при групповом процессе пайки;

  • сильное влияние внутренних механических напряжений из-за разницы ТКЛР кристалла и подложки;

  • трудности измерения и электротермотоковой тренировки кристаллов с объемными выводами;

  • 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 вследствие различия КТЛР кристалла и платы.

Частичное устранение этих недостатков достигается использованием микропайки с реверсом, в результате которой между контактными площадками платы и кристалла образуются удлиненные выступы в виде столбика с переменным сечением. Влияние разницы КТЛР кремниевого кристалла и платы снижается, так как деформации локализуются в столбиках пластичного припоя.

Первые серьезные исследования по созданию полупроводниковых приборов с паяемыми микровыводами (ПМВ) были выполнены фирмой IBM. Для обеспечения смачиваемости алюминиевой контактной площадки припоем поверх алюминия напыляют Cr-Cu толщиной соответственно 0,1 и 0,3 мкм. Присоединение шариков осуществляется автоматически сразу на всей пластине. Шарики Cu, покрытые Au и Ni, раскладывают на пластине и помещают в печь, где напыленные поверх Cr-Cu пленки свинца и олова, расплавляясь, смачивают шарики, формируя таким образом жесткий ПМВ.

В дальнейшем подобная технология создания шариковых выводов была усовершенствована. Изменение заключается в несколько большей толщине слоев олова и свинца и отсутствии медного шарика. Напыленный на КП через маску слой Pb - Sn расплавляют, он собирается в каплю высотой около 75 мкм за счет сил поверхностного натяжения. В результате формируются мягкие ПМВ из припоя с незначительной разновысотностью (рис.2).

Рис.2. Групповой метод формирования мягких объемных шариковых выводов с использованием напыления и последующего оплавления (1 - вывод после оплавления; 2 и 3 - контуры напыленных слоев Sn, Pb соответственно; 4, 5 и 6 - напыленные слои Au, Cu и Cr соответственно; 7 - алюминиевая контактная площадка)

Другой технологией создания ПМВ является непосредственное гальваническое наращивание достаточно толстого металлического слоя на КП (рис.3). Эта технология сохраняет все преимущества группового планарного процесса, обеспечивает однородность и воспроизводимость всех параметров выводов приборов на пластине и в партии. Создание ПМВ электроосаждением осуществляется по следующей схеме: на пластине (в том числе и в зоне будущего вывода) создают металлический подслой, поверх металлического подслоя формируют маску из фоторезиста с отверстиями в нужных местах, проводят электроосаждение металлов ПМВ (обычно Cu, Au, Ni) и стравливание фоторезиста и подслоя с технологического слоя.

Рис.3. Групповой метод формирования мягких объемных шариковых выводов с использованием гальванического наращивания и облуживания (1 - маска фоторезиста; 2 и 3 - припой, сформированный облуживанием и гальваникой соответственно; 4 - слой Cu гальванической; 5 и 6 - напыленные слои V и Cu

соответственно; 7 - алюминиевая контактная площадка)

Поверхность металлического подслоя должна иметь хорошее сцепление с фоторезистом и осаждаемым металлом, не окисляться при хранении и термообработке, не взаимодействовать с фоторезистом.

В этой связи получила распространение система алюминий-ванадий-медь. Здесь алюминий, как и в большинстве систем, выполняет роль контактного металла и материала разводки ИС. Ванадий имеет хорошую адгезию к алюминию, медь служит подслоем для электрохимического осаждения ПМВ высотой 20 - 60 мкм. Находит применение система Al - Ti - Mo - Au, в которой титан имеет хорошую адгезию к алюминию и является соединительным материалом, а молибден выполняет роль диффузионного барьера, предотвращающего образование интерметаллического соединения Al-Au. Слой золота осаждается до толщины 10-15 мкм и образует объемные выводы. Недостатком метода гальванического наращивания является повышенный расход золота из-за формирования выводов на всех (годных и бракованных) приборах пластины.

Используется также система Al-Cr-Cu-Pb, в которой ПМВ формируют гальваническим осаждением слоя Pb. Такие ПМВ имеют хорошую адгезию к алюминиевым КП, контакт со временем не деградирует. Кроме названных металлов, в качестве диффузионных барьерных слоев применяют и другие металлы – платина, никель, вольфрам, палладий.

Основной недостаток процесса электроосаждения при выращивании ПМВ заключается в том, что фоторезисты как защитные маски имеют дефекты типа сквозных отверстий и ореолов, т.е. зоны, окружающие свободную от фоторезистов область, где электролит проникает между металлическим подслоем и фоторезистом. Причем эти дефекты развиваются и увеличивают свою плотность в ходе осаждения. Не менее серьезными недостатками данного процесса следует считать внутренние напряжения в толстых осадках (30 мкм и более), которые могут снижать прочность сцепления вывода с подложкой, и понижение коэффициента выхода годных приборов в результате воздействия на полупроводниковые структуры электролита.

Частично устранить перечисленные недостатки гальванического получения ПМВ позволяет метод изготовления столбиковых выводов увеличенной высоты, по которому электроосаждение металла для получения вывода проводится многократно, на каждом этапе через новую маску из фоторезиста.

Однако конструкция ПМВ промышленного применения (рис.3) не исключает коррозии в клиновидном кольцевом зазоре (под ПМВ), остающемся после удаления фоторезиста и не поддающемся качественной отмывке от остатков травителей.

В последние годы наиболее перспективным материалом считается псевдосплав TiW (10% Ti + 90% W). Это связано, вчастности, и с бурным развитием методов ионно-плазменного и магнетронного распыления. Данный материал легко «раскисляет» пленку Al2O3, всегда присутствующую на алюминиевых КП кристаллов, вследствие чего в 1,5-2 раза возрастает адгезия получаемых на таком подслое ПМВ по сравнению с подслоем из V и в 2 - 5 раз уменьшается переходное сопротивление ПМВ. Более высокие параметры такой конструкции ПМВ достигнуты также за счет того, что поверх SiO2 введен дополнительный защитный слой Si3 N4, а для исключения клинообразного зазора под основанием ПМВ его тело сформировано фотолитографией по толстому напыленному слою меди (рис.4).

Рис.4. Групповой метод формирования мягких объемных шариковых выводов с использованием гальванического наращивания по толстому слою меди с дополнительным защитным слоем Si3N4 (1 - припойное покрытие; 2 - слой Cu, напыленный с подслоем TiW; 3 - слой пассивации Si3N4 дополнительно к SiO2;

4 - алюминиевая контактная площадка)

Еще одним методом формирования «мягких» ПМВ является метод погружения в припой. Достоинство данного метода заключается в том, что высота припойных выступов зависит практически только от размеров КП и угла смачивания поверхности, который определяется составом припоя и материалом поверхности КП.

Среди групповых методов создания ПМВ особо следует выделить находящий в последние годы все большее применение метод группового присоединения термокомпрессией ПМВ, предварительно сформированных на промежуточной диэлектрической пластине (рис.5).

Рис.5. Метод группового присоединения ПМВ термокомпрессией с использованием промежуточной пластины: а - промежуточная пластина с ПМВ и кристалл до термокомпрессии; б - кристалл с ПМВ после термокомпрессии (1 - промежуточная пластина; 2 - объемный гальванически выращенный вывод;

3 - кристалл)

Формирование ПМВ обычно ведется электроосаждением Au, Pb - Sn или Cu в окна маски из полиимида, расположенные в соответствии с топологией контактных площадок кристалла. Материалом промежуточной пластины может служить подложка из стекла, кварца, кремния с малой степенью шероховатости. Пластина с выращенными ПМВ совмещается с кристаллом, и ПМВ присоединяются к КП кристалла при заданных температуре и давлении. Затем пластина с полиимидной маской отодвигается, ПМВ отрываются от пластины и остаются на кристалле. Промежуточная пластина с маской может использоваться многократно. Очевидно, что данный метод сохранил все преимущества групповых процессов и в то же время избежал целого ряда недостатков, которые характерны для метода получения ПМВ непосредственным гальваническим осаждением на КП полупроводникового прибора.

В последние годы, наряду с развитием групповых методов создания ПМВ, находят применение методы индивидуального формирования ПМВ, базирующиеся на процессах термокомпрессионной и ультразвуковой сварки. Индивидуальные методы начали конкурировать с групповыми в связи со стремительным развитием автоматики, телемеханики и созданием высокопроизводительного автоматического и полуавтоматического сборочного оборудования. Существенными достоинствами этих методов являются экономия материала ПМВ, которым, как правило, служит Au, так как ПМВ формируют только на годных приборах, а также сокращение количества технологических операций, единиц оборудования и обслуживающего персонала.

Интересный метод предложили специалисты фирмы Токе Сибаура. Для изготовления ПМВ к кристаллам в составе полупроводниковой пластины они используют шарики диаметром 100 мкм из сплавов Au. Ag, Al, Cu. Шарики проталкиваются к месту контакта с помощью потока сжатого азота через трубку определенной конфигурации. Верхняя часть трубки имеет внутренний диаметр 110 мкм, средняя часть - 80 мкм, а нижняя часть представляет собой конус, обращенный основанием к пластине. Пластина и трубка предварительно нагреваются до 300 °С. Получаемый таким методом ПМВ имеет вид столбика, утолщенного к низу и хорошо контактирующего с КП прибора.

В последнее время широкое распространение получил метод формирования ПМВ, основанный на ультразвуковом присоединении золотого шарика встык к контактной площадке кристалла и отличающийся простотой и легкостью автоматизации. После ультразвуковой сварки шарика, предварительно сформированного на конце золотой проволоки путем ее оплавления пламенем газовой горелки или электроразрядом, проволока автоматически механическим ножом обрезается непосредственно над шариком (рис.6). Такой метод формирования ПМВ нашел применение 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.

Рис.6. Метод индивидуального формирования ПМВ (шариков) с использованием ультразвуковой сварки (1 - приваренный шарик после обрезки; 2 - контактная площадка кристалла)

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]