IC-alustan kokoamisprosessi: Kattava tekninen yleiskatsaus
1. Johdanto
Substraattipohjaisista koteloista, erityisesti BGA-kokoonpanoista, on tullut hallitseva kokoonpanotekniikka korkean suorituskyvyn ja suuren I/O-arvon integroiduille piireille. Toisin kuin johdinkehyskoteloissa, jotka käyttävät metallikehystä yhteenliitäntöihin, substraattikoteloissa käytetään laminoitua orgaanista tai keraamista materiaalia.Ic-substraatti joka tarjoaa useita reitityskerroksia, virransyöttö- ja maadoitustasoja sekä alueellisesti matriisimaisen juotospalloliitännän.
Itse substraatti on monikerroksinen rakenne, joka on tyypillisesti valmistettu bismaleimidi-triatsiini(BT)-hartsista ja lasikuituvahvisteisista tai polyimidimateriaaleista. Keraamisten substraattimuunnelmien valmistusprosessiin kuuluu monikerroksisten keraamisten rakenteiden yhteispoltto korkeassa lämpötilassa tiheiden metalloitujen substraattien aikaansaamiseksi.
Vaikka alustapakkaukset jakavat kokoonpanoprosessin ensimmäisen puoliskon johdinkehyspakkausten kanssa – mukaan lukien kiekkojen hionta, sahaus, muotin kiinnitys, Lankaliitos tai flip-chip-liimaus ja muovaus – taustaprosessit eroavat merkittävästi toisistaan. Alustapakkaukset läpikäyvät juotospallokiinnityksen, uudelleensulatuksen, erottelun ja lopputarkastuksen, kun taas johdinkehyspakkaukset vaativat leikkausta, pinnoitusta ja muovausta.
2. Kiekon valmistusvaihe
2.1 Hionta
Pakkausprosessi alkaa kiekkojen hiomalla, jossa kiekkojen paksuus pienennetään lopullisen pakkauksen vaatimusten mukaiseksi. Pinottujen sirujen kokoonpanoissa kiekot hiotaan huomattavasti ohuemmiksi, jotta useita sirukerroksia mahtuu pakkauksen korkeusrajoitusten puitteissa.
Hiominen etenee etenemisjärjestyksessä: karkeahionta poistaa irtomateriaalin, hienohionta varmistaa mittatarkkuuden ja kiillotus poistaa pinnan mikrohalkeamat, jotka voivat johtaa murtumisalttiuteen. Suojateippi laminoidaan aktiiviselle pinnalle ennen hiomista piirien vaurioitumisen estämiseksi. Hiomisen jälkeen kiekon takapuolelle kiinnitetään kiinnitysteippiä ja kiekko asennetaan rengaskehykseen käsittelyä varten.
2.2 Kiekkosahaus
Kiekkosahaus (kuutiointi) erottelee käsitellyn kiekon yksittäisiksi siruiksi timanttijyväkyllästetyllä pyörivällä terällä. Yhä ohuemmille kiekoille laserkuutiointi tarjoaa kosketuksettoman vaihtoehdon, joka vähentää rikkoutumisriskiä. Kuutioinnin jälkeen sirut puhdistetaan deionisoidussa vedessä piipölyn ja sahauksen aikana kertyneen staattisen varauksen poistamiseksi.
3. Muottikiinnitysprosessi
Kiinnityslaite siirtää yksittäisen kiinnityslaitteen teipistä alustan kiinnitysalustan alueelle. Prosessi vaatii tarkkaa kiinnittämistä ja huolellista liiman valintaa.
Liimamateriaalit jaetaan kahteen luokkaan:
Hopeatäytteinen epoksi annostellaan alustan sirualustaan ruiskulla tai sapluunalla ennen sirun asettamista. Nämä johtavat liimat varmistavat ohmisen kontaktin sirun ja alustan välillä.
Kiinnityskalvot tai kiekon takapuolen laminointikalvot laminoidaan kiekon takapuolelle hiomisen jälkeen ja paloitellaan kiekon mukana. DAF leikataan samanaikaisesti sirun kanssa, mikä mahdollistaa sirun ja liiman samanaikaisen siirron. Tämä lähestymistapa on erityisen edullinen pinottujen sirujen kokoonpanoissa.
Kriittinen seikka piirilevyä kiinnitettäessä on kiinnitysteipin tarttuvuus. Liiman on säilytettävä vahva tarttuvuus kiekon sahauksen aikana, mutta sen on heikkenettävä riittävästi ultraviolettisäteilylle altistettaessa ennen piirilevyn poimimista, jotta piirilevy voidaan irrottaa siististi ilman vaurioita.
4. Yhteenliitäntä: Sähköliitäntämenetelmät
Yhteenliitäntä muodostaa sähköisiä reittejä sirujen liitoskohtien ja alustan liitossormien välille. Käytetään kahta päämenetelmää: lankaliitosta ja flip-chip-liitosta.
4.1 Johtimien liimaus
Lankaliitoksessa käytetään kulta- tai kuparilankoja lämmön, paineen ja värähtelyn avulla sirujen ja alustojen sähköiseen liittämiseen. Prosessijärjestys on seuraava:
Kapillaarista ulkoneva lankapää sulatetaan elektronisella liekinpoistolla, jolloin pintajännityksen avulla muodostuu pallomainen pallo.
FAB puristetaan suulakkeen liitostyynylle muodostaen ensimmäisen sidoksen.
Kapillaari liikkuu kohti substraatin sidossormea ja antaa ulos lankaa halutun silmukkaprofiilin luomiseksi.
Lanka puristetaan sidossormea vasten toisen sidoksen muodostamiseksi.
Lanka vedetään taaksepäin ja katkaistaan seuraavaa sidosta varten.
Substraattipakkauksissa käytetään yleisesti kultalankaa sen erinomaisen sähkönjohtavuuden ja venyvyyden vuoksi. Kuparilankamuunnokset, mukaan lukien palladiumilla päällystetty kupari (Pd-Cu), ovat myös yleistyneet kustannussäästöjen ja parannetun sähköisen suorituskyvyn vuoksi.
Ennen langan liittämistä suoritetaan plasmapuhdistus epäpuhtauksien poistamiseksi liitospinnoilta ja optimaalisen liitoksen tarttumisen varmistamiseksi.
4.2 Flip-Chip-liimaus ja täyttö
Flip-chip-liitos luo juotekyhmyjä sirun pinnalle ja yhdistää ne suoraan vastaaviin alustan liitäntäpisteisiin, mikä tarjoaa paremman sähköisen suorituskyvyn verrattuna lankaliitokseen poistamalla pitkät johdinlenkit.
Yleisesti käytetään kahta flip-chip-liitosprosessia:
Juotosnystyrät sulatetaan korkeassa lämpötilassa sirun kiinnittämiseksi alustaan.
Lämpöä ja painetta kohdistetaan liitokseen sirun ja substraatin välisen yhteyden muodostamiseksi.
Piisirun ja orgaanisen substraatin välinen lämpölaajenemiskertoimen epäsuhta aiheuttaa jännitystä, jota pelkkä kohouma ei pysty käsittelemään. Siksi juotosliitoksen luotettavuuden varmistamiseksi tarvitaan täyttöä. Täyttöprosesseihin kuuluvat:
Täyttömateriaalia ruiskutetaan sirun kylkeen, jolloin kohoumien välinen rako täyttyy kapillaari-ilmiön avulla.
Epoksimuovausaine toimii sekä kapselointiaineena että alustäytteenä täyttäen kohoumien väliset tilat muovausprosessin aikana.
5. Muovaus: Kapselointi ja suojaus
Muovaus kapseloi kootun alustan suojaaen sirua ja yhteenliitäntärakenteita mekaanisilta vaurioilta ja ympäristön epäpuhtauksilta. Epoksimuovausyhdiste (EMC) toimii ensisijaisena kapselointimateriaalina.
Muovausprosessi asettaa ainutlaatuisia haasteita alustapakkauksille. Kun sirupinojen määrä kasvaa ja pakkauksen paksuus pienenee, sirun ja pakkauksen kannen välinen rako kutistuu edelleen. Lisäksi alustat kasvavat kooltaan, jotta voidaan käsitellä enemmän siruja suurina erinä, mikä alentaa valmistuskustannuksia. Nämä trendit ovat vieneet siirtomuovauksen äärirajoille.
Puristusmuovauson noussut ratkaisuksi näihin haasteisiin. Puristusmuovauksessa:
- Muotti on esitäytetty EMC-jauheella.
- Substraatti asetetaan muottiin.
- Lämpöä ja painetta kohdistetaan, jolloin EMC-jauhe nesteytyy ja täyttää tilan.
- Koska EMC muuttuu välittömästi nesteeksi ja täyttää tilan virtaamatta, täyttöongelmia ei ole edes pienessä raossa sirun ja kotelon yläosan välillä.
6. Merkintä
Merkintä kaivertaa tuotetietoja, kuten puolijohdetyypin, valmistajan, kuviot, symbolit, numerot tai kirjaimet, tuotteen pinnalle. Puolijohdepakkauss. Nämä tiedot osoittautuvat kriittisiksi tuotevikojen syiden jäljittämisessä. Lasermerkintä on yleisin menetelmä muovipakkauksissa, ja mustaa EMC-merkintää suositaan luettavuuden parantamiseksi.
7. Juotospallon kiinnitys
Juotoskuulan kiinnitys on substraattikoteloiden erottuva taustaprosessi, jolla luodaan sekä sähköiset reitit että mekaaniset yhteydet kotelon ja ulkoisten piirien välille.
Juotospallon kiinnitysjärjestys:
Alustalevyille levitetään juoksutetta epäpuhtauksien ja oksidien poistamiseksi uudelleensulatuksen aikana, mikä mahdollistaa tasaisen sulamisen ja puhtaan pinnan.
Juotospallot asetetaan juotosalustoille erityisellä imukupilla tai sapluunatulostuksella. Juote antaa palloille tilapäisen tarttuvuuden, joka pitää ne paikoillaan.
Kokoonpano kulkee reflow-uunin läpi, jossa juotospallot sulavat muodostaen luotettavan liitoksen alustan tyynyihin.
Jäämät poistetaan CFC-vapaalla epäorgaanisella puhdistusaineella.
Lämpötilaprofiilia uudelleensulatuksen aikana säädetään huolellisesti parametreilla, kuten esilämmityksen viipymäaika, huippulämpötila ja jäähdytysnopeus, jotta varmistetaan optimaalinen liitoksen muodostuminen ilman alustan vaurioita.
Yleisiä juotosseosten koostumuksia ovat:
8. Pakkausalusta Valmistus
Substraatti itsessään on kriittinen komponentti, joka vaatii kehittyneitä valmistusprosesseja. Orgaanisten substraattien valmistusprosessi sisältää seuraavat:
Erittäin ohut kuparifolio (paksuus 12–18 μm) on laminoitu BT-hartsi/lasiydinlevyn molemmille puolille.
Läpireikiä porataan ja metalloidaan pystysuorien liitosten aikaansaamiseksi.
Kuviot luodaan alustan molemmille puolille käyttämällä perinteisiä piirilevytekniikoita, muodostaen ohjausjälkiä, elektrodeja ja juotosvyöhykkeiden matriisin kuulakiinnitystä varten.
Juotosmaski levitetään kuvioinnilla, jotka paljastavat elektrodin ja juotosalueet.
Pintakäsittely (esim. nikkeli-/kultaus) levitetään paljaille pisteille juotettavuuden parantamiseksi.
Edistykselliset alustanvalmistusmenetelmät vastaavat erittäin ohuiden alustojen käsittelyn haasteeseen. Yhdistämällä kaksi erittäin ohutta alustaa kantajan vastakkaisille puolille, valmistukseen tarvittavaa rakennepaksuutta lisätään, mikä mahdollistaa perinteisten käsittelylaitteiden käsittelyn erittäin ohuilla alustoilla ilman erikoislaiteinvestointeja.
9. Erottelu ja lopullinen käsittely
Singulaatioerottaa yksittäiset pakkaukset alustapaneelista mekaanisella sahauksella, laserleikkauksella tai muilla tarkkuusmenetelmillä.
Erottelun jälkeen paketit käyvät läpi seuraavat vaiheet:
- Lopputarkastus: Automaattinen optinen tarkastus havaitsee vikoja, kuten linjausvirheitä, juotossiltoja tai halkeamia.
- Sähköinen testaus: Jatkuvuuden, eristämisen ja signaalin eheyden varmennus.
- Röntgentarkastus: Piilotettuihin ominaisuuksiin, kuten flip-chip-koteloiden juotosliitoksiin ja juotospalloliitoksiin.
- Avoin/lyhyt testaus: Sähköisen jatkuvuuden varmentaminen.
- Pakkaus: Valmiit paketit pakataan kuljetusalustoille.
10. Pakkausvaihtoehdot
PBGA on muotoiltu, muovilla päällystetty BGA, jossa käytetään 2, 4 tai 6-kerroksista BT-substraattia ja jonka kuulanjako on 0,8, 1,0 tai 1,27 mm tai enemmän. Se tarjoaa korkean I/O-korvauksen QFP-koteloille, kun I/O ylittää QFP-256-rajoitukset, ja parantaa sähköistä ja lämpöominaisuuksia useiden reitityskerrosten ansiosta.
PBGA sopii ihanteellisesti mikroprosessoreille, DSP-prosessoreille, suuren pinnimäärän ASIC-piireille, porttimatriiseille, muisti- ja PC-piirisarjoille sekä kannettaville sovelluksille, kuten matkapuhelimille, langattomille verkoille ja kannettaville tietokoneille.
TFBGA/VFBGA ovat onteloitavia, lankaliitoksilla varustettuja, päällevalettuja sirukokoisia koteloita, jotka tarjoavat pienen kokoluokan ja kevyitä ominaisuuksia. Näissä koteloissa käytetään matriisimuotoista alustaa ja yhteistä muottirakennetta, joka soveltuu eri kotelokoille, mikä tarjoaa valmistuksen joustavuutta ja lyhentää markkinoilletuloaikaa.
TFBGA/VFBGA sopii muisteille, analogisille piireille, flash-piireille, ASIC-piireille, RF-laitteille ja yksinkertaisille PLD-piireille, joissa kustannukset ja tila ovat kriittisiä tekijöitä.
Korkean luotettavuuden ja korkeataajuisten sovellusten tarpeisiin keraamiset alustat tarjoavat erinomaisen mittapysyvyyden ja lämpöominaisuuksien. CBGA-substraatit valmistetaan monikerroksisilla keraamisilla yhteispolttoprosesseilla, mutta niissä on haasteita, kuten alustan, sirun ja piirilevyn välinen CTE-epäsuhta – ensisijainen vikaantumismekanismi, jota käsitellään CCGA-rakenteilla tai HITCE-keraamisilla alustoilla.
11. Laadunvalvonnan näkökohdat
Prosessinohjaus koko substraatin pakkausvirran ajan on kriittistä korkean saannon ja tuotteen luotettavuuden saavuttamiseksi:
- Alustan tasaisuus: Vääristymän hallinta juotos- ja muovausprosessien aikana on olennaista.
- Joukkovelkakirjalainan eheys: Säännöllinen veto- ja leikkauskoe varmistaa langan liitoksen luotettavuuden.
- Vajaatäyttöinen kattavuus: Tarkastus varmistaa flip-chip-rakojen täydellisen täyttymisen.
- Juotospallon eheys: Röntgentarkastus varmistaa juotosliitoksen oikean muodostumisen.
- Kiinnityslaatu: Tyhjiötön liima-aine on kriittisen tärkeää lämpö- ja mekaanisen suorituskyvyn kannalta.
12. Johtopäätös
Substraattipohjaiset kotelot, erityisesti BGA-kokoonpanot, tarjoavat hienostuneen ja monipuolisen kokoonpanoalustan nykyaikaisille puolijohdelaitteille. Prosessi – kiekkojen valmistuksesta sirun kiinnitykseen, yhteenliittämiseen, muovaamiseen, juotospallon kiinnittämiseen ja lopputestaukseen – tarjoaa merkittäviä etuja johdinkehyskoteloihin verrattuna, mukaan lukien suurempi I/O-tiheys, erinomainen sähköinen suorituskyky, parempi lämmönhallinta ja suurempi suunnittelun joustavuus.
Uusiin trendeihin kuuluvat edistyneiden kantoaaltokäsittelytekniikoiden mahdollistamat ohuempien substraattien käyttöönotto, puristusmuovaus hienojakoiseen kapselointiin ja lyijyttömien juotosseosten käyttö ympäristövaatimusten täyttämiseksi. Integrointitiheyden kasvaessa ja pakkausmittojen pienentyessä substraattien pakkaustekniikat kehittyvät jatkuvasti vastaamaan seuraavan sukupolven puolijohdesovellusten vaatimuksiin.