Par Timothy O'Neill et Gayle Towell
Un aspect essentiel de la fabrication des semi-conducteurs consiste à encapsuler les circuits intégrés pour les protéger des dommages physiques et de la corrosion, tout en améliorant leurs performances et en réduisant leur taille. La technologie de ce conditionnement avancé des semi-conducteurs (ASP) est essentielle non seulement pour la fonctionnalité, mais aussi pour la viabilité économique des appareils électroniques modernes.
Nous abordons ici diverses technologies et méthodes d'emballage, y compris la manière dont les produits de brasage sont intégrés dans ces processus, tout en mettant en lumière l'évolution de la convergence entre l'ASP et la technologie de montage en surface (SMT).
Types d'emballages de semi-conducteurs avancés
Tout d'abord, explorons quelques-uns des principaux types d'ASP, y compris leurs méthodologies et applications uniques.
Emballage des puces à feuilletage
L'emballage Flip Chip est une méthode où la puce semi-conductrice est "retournée" pour être connectée face cachée au substrat ou à la carte de circuit imprimé. Cette approche permet des interconnexions plus courtes, qui sont cruciales pour les applications à haute vitesse et à haute performance telles que les smartphones et les appareils informatiques.Le soudage par bossage est une méthode courante pour créer ces connexions.
Emballage en éventail au niveau de la plaquette (Fan-Out Wafer-Level Packaging, FOWLP)
Le FOWLP est une technologie de pointe qui permet d'augmenter la densité des E/S sans avoir recours à des intercalaires ou à des substrats. Cette méthode consiste à élargir la plaquette avant de la découper en puces individuelles, ce qui permet d'augmenter le nombre de connexions par puce.Souvent, des billes de soudure sont formées sur la couche de redistribution comme dernière étape avant le découpage.
Système en boîtier (SiP)
La technologie "System in Package" (SiP) encapsule plusieurs circuits intégrés (IC) et composants passifs dans un seul emballage, créant ainsi un système dans un seul module. Cette méthode d'emballage permet de réaliser des économies d'espace considérables et d'améliorer les performances en intégrant divers composants, tels que des processeurs, de la mémoire et des capteurs, qui seraient normalement répartis sur une carte de circuit imprimé.Comme pour l'emballage des puces retournées, des points de soudure peuvent être utilisés pour relier les puces empilées les unes aux autres ou au substrat.
Paquet sur paquet (PoP)
Le paquet sur paquet (PoP) est une technique d'emballage dans laquelle deux paquets ou plus sont empilés verticalement avec des billes de soudure facilitant les connexions entre les paquets. Cette méthode est couramment utilisée dans les appareils mobiles pour économiser de l'espace tout en augmentant la fonctionnalité en empilant des puces de mémoire directement sur un processeur.
Emballages 3D et 2,5D
Le conditionnement 3D consiste à empiler des plaquettes ou des matrices de silicium et à les interconnecter verticalement à l'aide de trous d'interconnexion (TSV) ou d'autres types de connexions, ce qui permet de raccourcir les trajets de données et d'améliorer les performances. En revanche, l'emballage 2,5D place plusieurs circuits intégrés sur un interposeur (un pont de silicium) qui se connecte au substrat principal. Cette méthode facilite la communication à grande vitesse entre les puces sans intégration verticale complète.Les microbilles de soudure ou les petites billes de soudure facilitent souvent les connexions.
Connexions de puces et de matrices dans l'emballage des semi-conducteurs
La fixation d'une puce est le processus de montage d'une puce semi-conductrice dans un boîtier et l'établissement d'une connexion mécanique et électrique solide entre la puce et le substrat. Cette connexion est cruciale pour la gestion thermique et la fiabilité globale du dispositif.
Nous explorons ici les différentes méthodes de connexion, en soulignant le rôle de la soudure par rapport aux autres technologies utilisées dans l'industrie.
Fil de liaison
Le fil de liaison est une méthode traditionnelle utilisée pour créer des connexions électriques entre la puce du semi-conducteur et la grille de connexion ou les broches du boîtier. Généralement fabriqués en or, en aluminium ou en cuivre, ces fils fins sont placés avec précision pour relier de minuscules plots de connexion sur la puce à des points de contact plus importants sur le boîtier. Bien qu'il soit efficace pour de nombreuses applications, le fil de liaison peut être un facteur limitant de la miniaturisation et est sensible aux contraintes mécaniques.
Frittage
Le frittage est un procédé qui utilise des particules métalliques pour créer une liaison solide entre la matrice et le substrat sans faire fondre complètement les matériaux. Cette technique est particulièrement utile dans les applications de haute puissance où une conductivité thermique et électrique supérieure est cruciale. Le frittage de l'argent, par exemple, est apprécié pour ses excellentes propriétés de gestion thermique et sa fiabilité par rapport à la soudure traditionnelle, en particulier dans les environnements à haute température.
Soudure
La soudure reste l'un des matériaux les plus répandus pour fixer les composants dans les boîtiers de semi-conducteurs. Elle assure une liaison conductrice et mécanique fiable à des températures relativement basses. La soudure peut être projetée, imprimée, trempée ou placée sous forme de billes de soudure sur un flux collant avant la refusion.
Autres adhésifs
Outre les liaisons métalliques, divers adhésifs polymères sont utilisés dans l'emballage des semi-conducteurs. Il s'agit notamment d'adhésifs conducteurs d'électricité (ECA) et d'adhésifs non conducteurs (NCA), qui sont sélectionnés en fonction de leurs propriétés thermiques, mécaniques et électriques. Ces adhésifs sont particulièrement utiles dans les applications où des températures plus basses sont requises pendant le processus d'assemblage, ce qui évite d'endommager les composants sensibles.
Chaque méthode de connexion présente un ensemble particulier d'avantages et de limites et, souvent, plusieurs techniques sont utilisées conjointement pour répondre aux divers besoins des appareils électroniques modernes. Par exemple, un appareil peut utiliser à la fois la soudure pour les fixations au niveau de la carte et le frittage pour les fixations au niveau de la matrice afin de gérer efficacement les charges thermiques.
Le cognement de la brasure dans les emballages de semi-conducteurs
La soudure par bossage est un processus courant dans l'emballage des semi-conducteurs qui consiste à placer de petites sphères de soudure, ou "bosses", sur les plages de contact d'une puce ou d'une plaquette de silicium. Ces bosses servent de points de connexion entre la puce semi-conductrice et le substrat de l'emballage ou une autre puce dans les configurations empilées.
Le bumping facilite souvent les interconnexions à pas fin, ce qui est essentiel car les dispositifs deviennent de plus en plus miniaturisés et complexes. Nous détaillons ici plusieurs techniques clés dans le processus de bumping de la soudure.
Le cognement de la plaquette
Le wafer bumping consiste à déposer des bosses de soudure sur la plaquette avant de la découper en puces individuelles. Ce processus fait partie intégrante de la technologie des puces retournées, où la puce est montée à l'envers et où les bosses se connectent directement au substrat. Le bumping de la plaquette peut être exécuté selon plusieurs méthodes :
- Dépôt électrolytique : Méthode de dépôt électrochimique de la soudure sur la plaquette de silicium. Cette technique est très contrôlée et permet d'obtenir des hauteurs et des compositions de bosses uniformes, ce qui est essentiel pour les interconnexions à haute densité.
- Impression au pochoir : À l'instar de la pâte à braser utilisée dans l'assemblage des circuits imprimés, l'impression au pochoir peut être utilisée pour le cognement des plaquettes de silicium. Cette méthode est adaptable et rentable, et convient à différents alliages de soudure et tailles de bosses.
- Jetting : Une technique avancée qui utilise une buse pour déposer la soudure directement sur les plaquettes. Cette méthode offre une grande précision et s'adapte à différentes tailles de bosses.
Cognement des piliers en cuivre
Le cognement par pilier de cuivre est une variante du cognement par soudure qui utilise un pilier de cuivre recouvert d'une petite quantité de soudure. Cette méthode est de plus en plus populaire pour les applications à haute performance en raison de la conductivité électrique et thermique supérieure du cuivre.
Les bosses à piliers de cuivre sont généralement utilisées en conjonction avec une technologie de micro-bosse ou d'interposition dans l'emballage des circuits intégrés 2,5D et 3D, où des interconnexions à pas fin sont nécessaires. Les capuchons de soudure dans les bosses à pilier en cuivre sont appliqués à l'aide d'un processus de placage ou de transfert d'impression, garantissant une quantité précise de soudure sur le dessus de chaque pilier en cuivre.
Échelle et importance
La taille des bosses de soudure peut varier de plus de 100 microns à moins de 10 microns de diamètre, ce qui permet de répondre à divers besoins technologiques, de l'assemblage de circuits de base aux connexions de puces avancées. L'évolutivité des techniques de soudage par bossage permet de les appliquer à un large éventail de dispositifs semi-conducteurs, de l'électronique de puissance robuste aux technologies portables délicates.
La soudure est essentielle non seulement pour l'assemblage physique des composants semi-conducteurs, mais aussi pour garantir l'intégrité opérationnelle du dispositif. La résistance mécanique, la conductivité électrique et les capacités de gestion thermique des joints de soudure sont vitales pour les performances globales et la durabilité du dispositif.
Convergence de l'ASP et du SMT
Au fur et à mesure que la technologie évolue, l'ASP et la technologie de montage en surface (SMT) convergent de plus en plus. Cette intégration pose des défis, tels que la nécessité d'une plus grande précision et de meilleures capacités de gestion thermique, mais elle ouvre également des possibilités de rationalisation des processus et d'amélioration de la fiabilité des dispositifs.
AIM Solder est à l'avant-garde de cette convergence, offrant des produits qui soutiennent l'intégration de l'ASP dans les lignes SMT traditionnelles. Nous restons engagés à soutenir nos clients avec des produits de brasage de qualité supérieure et un support technique expert, renforçant ainsi notre position de leader dans l'industrie des matériaux d'assemblage électronique.