Timothy O'Neill i Gayle Towell
Krytycznym aspektem produkcji półprzewodników jest hermetyzacja układów scalonych w celu ich ochrony przed uszkodzeniami fizycznymi i korozją, przy jednoczesnym zwiększeniu ich wydajności i zmniejszeniu rozmiaru. Technologia zaawansowanego pakowania półprzewodników (ASP) ma kluczowe znaczenie nie tylko dla funkcjonalności, ale także dla ekonomicznej opłacalności nowoczesnych urządzeń elektronicznych.
Omawiamy tutaj różne technologie i metody pakowania, w tym sposób, w jaki produkty lutownicze są zintegrowane z tymi procesami, jednocześnie rzucając światło na ewoluującą konwergencję między ASP a technologią montażu powierzchniowego (SMT).
Rodzaje zaawansowanych opakowań półprzewodnikowych
Najpierw przyjrzyjmy się niektórym kluczowym typom ASP, w tym ich unikalnym metodologiom i zastosowaniom.
Opakowanie typu flip chip
Flip Chip Packaging to metoda, w której chip półprzewodnikowy jest "odwracany" w celu połączenia go z podłożem lub płytką drukowaną. Takie podejście pozwala na tworzenie krótszych połączeń, które mają kluczowe znaczenie dla szybkich i wydajnych aplikacji, takich jak smartfony i urządzenia komputerowe.Powszechną metodą tworzenia takich połączeń jest lutowanie przewlekane.
Fan-Out Wafer-Level Packaging (FOWLP)
FOWLP to najnowocześniejsza technologia, która oferuje zwiększoną gęstość wejść/wyjść bez konieczności stosowania przekładek lub substratów. Metoda ta polega na rozszerzeniu wafla przed pocięciem go na pojedyncze chipy, co umożliwia większą liczbę połączeń na chip.Często kulki lutownicze są formowane na wierzchu warstwy redystrybucyjnej jako ostatni krok przed kostkowaniem.
System w pakiecie (SiP)
Technologia System in Package (SiP) obejmuje wiele układów scalonych (IC) i komponentów pasywnych w jednym opakowaniu, skutecznie tworząc system w jednym module. Ta metoda pakowania pozwala na znaczną oszczędność miejsca i zwiększenie wydajności poprzez integrację różnych komponentów, takich jak procesory, pamięć i czujniki, które zwykle byłyby rozłożone na płytce drukowanej.Podobnie jak w przypadku opakowań typu flip chip, do łączenia ułożonych chipów ze sobą lub z podłożem można użyć wypustek lutowniczych.
Pakiet na pakiecie (PoP)
Pakiet na pakiecie (PoP) to technika pakowania, w której dwa lub więcej pakietów jest ułożonych pionowo z kulkami lutowniczymi ułatwiającymi połączenia między pakietami. Metoda ta jest powszechnie stosowana w urządzeniach mobilnych w celu zaoszczędzenia miejsca przy jednoczesnym zwiększeniu funkcjonalności poprzez układanie układów pamięci bezpośrednio na procesorze.
Opakowania 3D i 2.5D
Pakowanie 3D polega na układaniu wafli krzemowych lub matryc i łączeniu ich pionowo za pomocą przelotek krzemowych (TSV) lub innych rodzajów połączeń, co pozwala na krótsze ścieżki danych i lepszą wydajność. W przeciwieństwie do tego, opakowanie 2.5D umieszcza wiele układów scalonych na interpozytorze (mostku krzemowym), który łączy się z głównym podłożem. Metoda ta ułatwia szybką komunikację między układami scalonymi bez pełnej integracji pionowej.Mikrowypustki lutownicze lub małe kulki lutownicze często wspomagają połączenia.
Połączenia chipów i matryc w opakowaniach półprzewodników
Mocowanie matrycy to proces montażu matrycy półprzewodnikowej w obudowie i ustanowienie solidnego mechanicznego i elektrycznego połączenia między matrycą a podłożem. Połączenie to ma kluczowe znaczenie dla zarządzania temperaturą i ogólnej niezawodności urządzenia.
Tutaj badamy różne metody połączeń, podkreślając rolę lutowania wraz z innymi technologiami stosowanymi w branży.
Przewód łączący
Przewody łączące to tradycyjna metoda wykorzystywana do tworzenia połączeń elektrycznych między matrycą półprzewodnikową a ramką wyprowadzeń lub pinami pakietu. Zazwyczaj wykonane ze złota, aluminium lub miedzi, te cienkie druty są precyzyjnie rozmieszczone, aby połączyć małe pola łączące na matrycy z większymi punktami styku na opakowaniu. Drut łączący, choć skuteczny w wielu zastosowaniach, może być czynnikiem ograniczającym miniaturyzację i jest podatny na naprężenia mechaniczne.
Spiekanie
Spiekanie to proces wykorzystujący cząsteczki metalu do tworzenia solidnego połączenia między matrycą a podłożem bez pełnego stopienia materiałów. Technika ta jest szczególnie przydatna w zastosowaniach wymagających dużej mocy, gdzie kluczowe znaczenie ma doskonała przewodność cieplna i elektryczna. Na przykład spiekanie srebra jest preferowane ze względu na doskonałe właściwości zarządzania temperaturą i niezawodność w porównaniu z tradycyjnym lutem, zwłaszcza w środowiskach o wysokiej temperaturze.
Lut
Lut pozostaje jednym z najbardziej rozpowszechnionych materiałów do łączenia komponentów w opakowaniach półprzewodników. Zapewnia niezawodne połączenie przewodzące i mechaniczne w stosunkowo niskich temperaturach. Lut może być rozpylany, drukowany, zanurzany lub umieszczany w postaci kulek lutowniczych na lepkim topniku przed ponownym rozpływem.
Inne kleje
Oprócz wiązań metalicznych, w opakowaniach półprzewodników stosowane są różne kleje polimerowe. Obejmują one kleje przewodzące prąd elektryczny (ECA) i kleje nieprzewodzące (NCA), które są wybierane na podstawie ich właściwości termicznych, mechanicznych i elektrycznych. Kleje te są szczególnie przydatne w zastosowaniach, w których wymagane są niższe temperatury podczas procesu montażu, zapobiegając w ten sposób uszkodzeniu wrażliwych komponentów.
Każda metoda łączenia ma swój szczególny zestaw zalet i ograniczeń, a często wiele technik jest używanych w połączeniu, aby zaspokoić różnorodne potrzeby nowoczesnych urządzeń elektronicznych. Na przykład urządzenie może wykorzystywać zarówno lutowanie do mocowania na poziomie płytki, jak i spiekanie do mocowania matrycy, aby skutecznie zarządzać obciążeniami termicznymi.
Uderzenia lutowia w opakowaniach półprzewodników
Odbijanie lutu jest powszechnym procesem w pakowaniu półprzewodników, który polega na umieszczaniu małych kulek lutowniczych lub "wypukłości" na polach stykowych układu scalonego lub płytki. Te wypustki służą jako punkty połączenia między matrycą półprzewodnikową a podłożem opakowania lub inną matrycą w konfiguracjach ułożonych w stos.
Bumping często ułatwia połączenia o mniejszej podziałce, które są niezbędne, ponieważ urządzenia stają się coraz bardziej zminiaturyzowane i złożone. Poniżej przedstawiamy szczegółowo kilka kluczowych technik w procesie lutowania bumpingowego.
Uderzenie wafla
Wafel bumping polega na osadzaniu wypustek lutowniczych na waflu przed podzieleniem go na pojedyncze matryce. Proces ten jest integralną częścią technologii flip chip, w której matryca jest montowana do góry nogami, a wypustki łączą się bezpośrednio z podłożem. Wafel bumping może być wykonany przy użyciu kilku metod:
- Galwanizacja: Metoda, w której lut jest osadzany elektrochemicznie na płytce waflowej. Technika ta jest wysoce kontrolowana, umożliwiając uzyskanie jednolitej wysokości i składu wypukłości, co ma kluczowe znaczenie dla połączeń o dużej gęstości.
- Drukowanie szablonowe: Podobnie jak w przypadku nakładania pasty lutowniczej w montażu płytek drukowanych, drukowanie szablonowe może być stosowane do zderzania płytek. Metoda ta jest elastyczna i opłacalna, odpowiednia dla różnych stopów lutowniczych i rozmiarów wypustek.
- Jetting: Zaawansowana technika wykorzystująca dyszę do osadzania lutowia bezpośrednio na padach wafla. Metoda ta oferuje wysoką precyzję i możliwość dostosowania do różnych rozmiarów wypustek.
Uderzenie w miedziany słup
Copper pillar bumping to odmiana bumpingu lutowniczego, która wykorzystuje miedziany słupek pokryty niewielką ilością lutu. Metoda ta jest coraz bardziej popularna w zastosowaniach o wysokiej wydajności ze względu na doskonałą przewodność elektryczną i cieplną miedzi.
Zderzaki z miedzianymi filarami są zwykle używane w połączeniu z technologią mikro-wybicia lub interpozytora w opakowaniach układów scalonych 2.5D i 3D, gdzie konieczne są połączenia o drobnych odstępach. Nakładki lutownicze w miedzianych filarach są nakładane za pomocą procesu powlekania lub drukowania, zapewniając precyzyjną ilość lutu na każdym miedzianym filarze.
Skala i znaczenie
Rozmiar wypustek lutowniczych może wynosić od ponad 100 mikronów do mniej niż 10 mikronów średnicy, spełniając różne potrzeby technologiczne, od podstawowego montażu obwodów po zaawansowane połączenia chipowe. Skalowalność technik bumpingu lutowniczego pozwala na ich zastosowanie w szerokim spektrum urządzeń półprzewodnikowych, od solidnej elektroniki mocy po delikatne technologie do noszenia.
Złącza lutowane mają krytyczne znaczenie nie tylko dla fizycznego montażu elementów półprzewodnikowych, ale także dla zapewnienia integralności operacyjnej urządzenia. Wytrzymałość mechaniczna, przewodność elektryczna i możliwości zarządzania temperaturą połączeń lutowanych mają kluczowe znaczenie dla ogólnej wydajności i trwałości urządzenia.
Konwergencja ASP i SMT
Wraz z rozwojem technologii, ASP i technologia montażu powierzchniowego (SMT) coraz bardziej się do siebie zbliżają. Integracja ta stawia wyzwania, takie jak potrzeba większej precyzji i wyższych możliwości zarządzania temperaturą, ale także otwiera możliwości usprawnienia procesów i zwiększenia niezawodności urządzeń.
AIM Solder jest liderem tej konwergencji, oferując produkty, które wspierają integrację ASP z tradycyjnymi liniami SMT. Pozostajemy zaangażowani we wspieranie naszych klientów doskonałymi produktami lutowniczymi i fachowym wsparciem technicznym, umacniając naszą pozycję lidera w branży materiałów do montażu elektroniki.