Тема реферату «Технологія мініатюризації електронних пристроїв. Технології "flip-chip" »з дисципліни« Конструювання обчислювальної техніки ».
Робота знайомить з особливостями технології "flip-chip", яка сьогодні широко використовується для створення мініатюрних електронних пристроїв.
1.Технологія мініатюризації електронних пристроїв
Технологія "flip-chip", названа ControlledCollapse Chip Connection (монтаж кристала методом контрольованого сплющивания) або С4, була розроблена фірмою IBM в 1960 році. В Відповідно до цієї технології на поверхні кристала мікросхеми створюється поле столбикових висновків з олов'яно-свинцевого сплаву, потім перевернутий кристал припаивается методом оплавлення до майданчиків підкладки.
Сьогодні багато фірм широко використовують flip-chip технологію для виготовлення мініатюрних електронних пристроїв. Так, наприклад, для медичного застосування за цією технологією виготовляють мікросхеми імплантантів, мініатюрні бездротові пристрої та ін. Останні досягнення цієї технології при тривимірному (просторовому) розташуванні чіпів дозволяють досягти безпрецедентної ступеня мініатюризації і надійності. При розробці технології виготовлення виробів, для яких основними вимогами є мінімальний обсяг, надійність і максимальний термін служби, основну увагу слід приділити вибору оптимального способу монтажу чіпа на тонкі гнучкі підкладки.
2.Крітеріі мініатюризації
Три основні критерії визначають ступінь мініатюризації вироби. По-перше, зі зменшенням розмірів мікросхеми можна розраховувати на підвищення обсягів її продажу і збільшення застосування, особливо в таких областях, як медицина, телекомунікації, космонавтика і військова промисловість. Однак оптимальний вибір розмірів вироби являє собою компроміс між можливостями технології і витратами на його виготовлення.
По-друге, для галузей, в яких витрати на мініатюризацію виробів є виправданими, одним з першочергових вимог є їх висока надійність.
Існуючі технології мініатюризації дозволяють скоротити загальне число з'єднань і їх довжину. При цьому зменшується індуктивність висновків, підвищується ККД вироби і зменшується його перегрів. В результаті збільшується надійність виробу.
По-третє, прийняття рішення про мініатюризації виробів нерідко пов'язане з виробничими проблемами (щільністю розміщення кристалів мікросхем, властивостями підкладки з друкованими провідниками, наявністю компонентів, можливістю автоматизації виробництва), а також з очікуваним співвідношенням виробничих витрат і планованого прибутку.
Якщо успіх вироби на ринку залежить від ступеня його мініатюризації, здатності роботи на більш високих частотах і зменшення потужності, що розсіюється, то більшість технологічних проблем при його виготовленні так чи інакше пов'язане з монтажем кристала на підкладку. Наприклад, зі зменшенням розміру кристалів мікросхем дедалі важливішою стає оптимальна трасування провідників.
Невдала трасування може привести до збільшення паразитних ємності, індуктивності та опору провідників, що збільшить споживану потужність і паразитні зв'язку між елементами. Занадто щільне розміщення доріжок може привести до збільшення відмов через коротке замикання між ними.
flip chip мініатюризація електронний
3.Особенности монтажу flip-chip-кристала
В даний час застосовуються такі методи монтажу flip-chip-кристала на підкладку:
- формування олов'яно-свинцевих висновків і припаивание їх до підкладки методом оплавлення
- формування золотих столбикових висновків гальванічним методом і створення контакту з золотими майданчиками підкладки способом термокомпрессіі (рис. 1)
- приклеювання висновків кристала до підкладки за допомогою електропровідного клею.
Залежно від використовуваної технології можуть знадобитися додаткові операції, наприклад, створення додаткового шару металізації під майбутніми висновками, що пов'язано з витратами часу і коштів.
При пайку оплавленням виникає необхідність в операції очищення від залишків флюсу, т. К. Їх наявність сприяє утворенню пустот в товщі паяного з'єднання і розтіканню флюсу в сторону від місця розташування виведення.
У разі монтажу кристалів великих розмірів може виникнути похибка в розташуванні його крайніх висновків щодо майданчиків підкладки, обумовлена різними коефіцієнтами лінійного розширення кристала і підкладки.
Не слід також недооцінювати механічні напруги, що виникають в паяних з'єднань в процесі зміни температури. Вплив цього фактора зростає зі збільшенням розмірів кристала.
Для його компенсації між кристалом і підкладкою вводять проміжний шар полімеру, званого недолівком. Якість недолівка істотно впливає на надійність виробу. Щоб уникнути відшарування висновків і втрати контакту недолівок повинен бути однорідним, без пустот і мати гарну адгезію як до кристалу, так і до підкладки.
Різниця коефіцієнтів лінійного розширення впливає також і на вироби, які монтуються за допомогою електропровідних клеїв. Тут також використовують недолівок. Однак, якщо при нагріванні він розширюється більше, ніж електропровідний клей, контакт між кристалом і підкладкою може бути порушений.
Крім того, слід враховувати, що електричний контакт, який створюється за допомогою електропровідного клею, утворюється внаслідок наявності в ньому струмопровідних частинок діаметром менше 1 міл (25 мкм). Тому щоб уникнути втрати контакту неплощинність зчленовуютьсяповерхонь не повинна перевищувати цієї величини. В ідеальному випадку композитний клей повинен був би мати той же коефіцієнт лінійного розширення, що і перебуває з ним у контакті діелектрик, досягти чого можна було б значно простіше, якби в клеї не було провідних частинок. Тому тут необхідно використовувати різні способи кріплення.
Зменшення розмірів контактних майданчиків обмежена властивостями підкладки. Як правило, на гнучких підкладках допустимі майданчики менших розмірів.
Це пояснюється співвідношенням між товщиною підкладки і діаметром перехідних отворів, що з'єднують різні її шари. При великій товщині підкладки створення перехідних отворів малого діаметра не представляється можливим. Крім того, при співвідношенні товщини підкладки і діаметра отвору більш ніж 5: 1, неможливо створити в отворі якісний шар металізації. Якщо, наприклад, в деякому виробі ширина доріжок і відстань між ними повинні бути не більше 50 мкм, то діаметр перехідних отворів також має дорівнювати цій величині. Отже, товщина підкладки в цьому випадку повинна бути не більше 250 мкм. Додаткова перевага гнучких підкладок полягає в можливості надання їм різної форми, і, як наслідок, в більшій різноманітності форм і габаритів корпусів мікросхем.
Залежно від способу мініатюризації підготовка кристала мікросхеми до монтажу може бути виконана як до різання кремнієвої пластини на окремі кристали, так і після неї. Наприклад, на кристал можуть бути нанесені додаткові шари металізації або виконано перерозподіл висновків. Кристали, призначені для пайки або приклеювання електропровідними клеями, найкраще готувати до різання пластини. Для монтажу із застосуванням непроводящих клеїв формування стовпчикових висновків можна здійснити порівняно простими способами, як на неразрезанной кремнієвої пластини, так і на окремому кристалі. Пайка або склейка електропровідними клеями кращі для великосерійного виробництва, в той час як монтаж за допомогою непровідних клеїв більше застосуємо для випуску малих і середніх серій.
У таблиці представлені порівняльні характеристики трьох основних способів монтажу мікросхем.
4.Скорость монтажу і можливість його автоматизації
Способи монтажу за допомогою золотих висновків і електропровідних клеїв позбавлені багатьох недоліків, властивих пайку. Будучи по суті механічними операціями, вони можуть бути легко автоматизовані.
Правда, в деяких випадках виникає необхідність в ручному складанні, що вимагає участі кваліфікованих монтажників. У всякому разі, використання цих способів надає широкі можливості монтажу різних типів мікросхем на різні підкладки.
Процес створення золотих столбикових висновків на поверхні кристала може бути автоматизований як для неразрезанной кремнієвої пластини, так і для окремого кристала. На відміну від інших способів монтажу для вирощування золотих висновків (см.ріс.1) не потрібна попередня металізація.
Використовуваний для монтажу непровідний клей наносять на підкладку способом трафаретного друку.
Застосування непроводящих термопластичних клеїв дозволяє дещо зменшити дію сил, що виникають внаслідок різних коефіцієнтів лінійного розширення кристала і підкладки. Ці клеї розм'якшуються при нагріванні, що дозволяє спростити і прискорити монтаж, звівши його до трьох операцій: нагрівання, притиску і охолодженню кристалу. Типовими параметрами процесу монтажу є:
- сила притиску (на один висновок) від 50 до 80 г;
- температура від 150 до 250 ° С;
- час затвердіння не більше 10 с;
- точність позиціонування кристала ± 5 мкм.
Термопластичні непровідні клеї відрізняються низьким газовиділенням, так як при їх застосуванні відсутня хімічна реакція. Це дає можливість використовувати їх в герметизированной апаратурі. Швидкості виготовлення виробів із застосуванням цих клеїв і добре відомих епоксидних порівнянні. Відмінність полягає в тому, що перші допускають ремонт друкованих плат з заміною мікросхем. Це особливо важливо в разі застосування мікросхем з великим числом висновків, заміна яких економічно виправдана.
Установка мікросхем на друковану плату може здійснюватися як вручну, так і автоматично в залежності від способу з'єднання, числа висновків і т. Д. При автоматичної або напівавтоматичної установки для позиціонування мікросхеми щодо місця посадки використовують серійно випускається або спеціалізоване обладнання. Потім мікросхему притискають до плати, в результаті чого її висновки сплющуються і під дією місцевого нагріву (протягом 10 с) створюється надійне з'єднання золотих висновків і контактної площадки, а також затвердіння клею. Монтаж за допомогою клею суттєво прискорює процес виготовлення виробів і забезпечує надійність з'єднання.
На добре спроектованому обладнанні всі з'єднання можна виконати за одну технологічну операцію, при цьому крок між висновками може бути менше 100 мкм, а товщина гнучкою підкладки - 25 мкм.
В такому обладнанні передбачається можливість регулювання сили притиску висновків мікросхеми для компенсації нерівності підкладки і відмінностей в формі висновків. Це особливо важливо в разі монтажу мікросхем з великим числом висновків.
5.ХАРАКТЕРИСТИКА і продуктивність
Використання flip-chip- і SMD-компонентів в поєднанні з гнучкими підкладками дозволяє досягти максимального ступеня мініатюризації виробів.
Гнучкій підкладці з встановленими на неї мікросхемами може бути надано форму багатоярусної конструкції (рис. 2).