Por Timothy O'Neill e Gayle Towell
Um aspecto fundamental da fabricação de semicondutores envolve o encapsulamento de circuitos integrados para protegê-los contra danos físicos e corrosão, além de melhorar seu desempenho e reduzir seu tamanho. A tecnologia desse empacotamento avançado de semicondutores (ASP) é fundamental não apenas para a funcionalidade, mas também para a viabilidade econômica dos dispositivos eletrônicos modernos.
Aqui, abordamos várias tecnologias e métodos de empacotamento, inclusive como os produtos de solda são integrados a esses processos, ao mesmo tempo em que lançamos luz sobre a convergência em evolução entre ASP e a tecnologia de montagem em superfície (SMT).
Tipos de embalagens avançadas de semicondutores
Primeiro, vamos explorar alguns dos principais tipos de ASP, incluindo suas metodologias e aplicações exclusivas.
Embalagem de chips flip
O Flip Chip Packaging é um método em que o chip semicondutor é "virado" para se conectar com a face voltada para baixo ao substrato ou à placa de circuito. Essa abordagem permite interconexões mais curtas, que são cruciais para aplicativos de alta velocidade e alto desempenho, como smartphones e dispositivos de computação.A colisão de solda é um método comum para criar essas conexões.
Embalagem Fan-Out Wafer-Level (FOWLP)
A FOWLP é uma tecnologia de ponta que oferece maior densidade de E/S sem a necessidade de interpositores ou substratos. Esse método envolve a expansão do wafer antes de cortá-lo em chips individuais, o que permite mais conexões por chip.Geralmente, as esferas de solda são formadas sobre a camada de redistribuição como a última etapa antes do corte.
Sistema em pacote (SiP)
A tecnologia System in Package (SiP) encapsula vários circuitos integrados (ICs) e componentes passivos em um único pacote, criando efetivamente um sistema em um único módulo. Esse método de empacotamento permite uma economia significativa de espaço e um desempenho aprimorado por meio da integração de diversos componentes, como processadores, memória e sensores, que normalmente estariam espalhados em uma placa de circuito.Como no caso do empacotamento de flip chips, os pontos de solda podem ser usados para unir os chips empilhados uns aos outros ou ao substrato.
Pacote no pacote (PoP)
Package on Package (PoP) é uma técnica de empacotamento em que dois ou mais pacotes são empilhados verticalmente com esferas de solda que facilitam as conexões entre os pacotes. Esse método é comumente usado em dispositivos móveis para economizar espaço e aumentar a funcionalidade, empilhando chips de memória diretamente sobre um processador.
Embalagem 3D e 2,5D
O empacotamento 3D envolve o empilhamento de wafers ou matrizes de silício e sua interconexão vertical usando TSVs (Through-Silicon Vias) ou outros tipos de conexões, o que permite caminhos de dados mais curtos e melhor desempenho. Em contrapartida, o empacotamento 2,5D coloca vários CIs em um interpositor (uma ponte de silício) que se conecta ao substrato principal. Esse método facilita a comunicação de alta velocidade entre chips sem integração vertical total.Microbumps de solda ou pequenas esferas de solda geralmente ajudam nas conexões.
Conexões de chip e matriz em embalagens de semicondutores
A fixação de matriz é o processo de montagem de uma matriz de semicondutor em um pacote e o estabelecimento de uma conexão mecânica e elétrica robusta entre a matriz e o substrato. Essa conexão é fundamental para o gerenciamento térmico e a confiabilidade geral do dispositivo.
Aqui, exploramos os vários métodos de conexão, destacando a função da solda juntamente com outras tecnologias usadas no setor.
Fio de ligação
O fio de ligação é um método tradicional usado para criar conexões elétricas entre a matriz do semicondutor e a estrutura de chumbo ou os pinos do pacote. Geralmente feitos de ouro, alumínio ou cobre, esses fios finos são colocados com precisão para conectar pequenas almofadas de ligação na matriz a pontos de contato maiores no pacote. Embora eficaz para muitas aplicações, o fio de ligação pode ser um fator limitante na miniaturização e é suscetível ao estresse mecânico.
Sinterização
A sinterização é um processo que utiliza partículas de metal para criar uma ligação robusta entre a matriz e o substrato sem derreter totalmente os materiais. Essa técnica é particularmente útil em aplicações de alta potência em que a condutividade térmica e elétrica superior é crucial. A sinterização de prata, por exemplo, é preferida por suas excelentes propriedades de gerenciamento térmico e confiabilidade em relação à solda tradicional, especialmente em ambientes de alta temperatura.
Solda
A solda continua sendo um dos materiais mais comuns para a fixação de componentes em embalagens de semicondutores. Ela proporciona uma ligação mecânica e condutora confiável a temperaturas relativamente baixas. A solda pode ser jateada, impressa, mergulhada ou colocada na forma de bolas de solda em um fluxo pegajoso antes do refluxo.
Outros adesivos
Além das ligações metálicas, vários adesivos poliméricos são usados no empacotamento de semicondutores. Entre eles estão os adesivos condutores de eletricidade (ECAs) e os adesivos não condutores (NCAs), que são selecionados com base em suas propriedades térmicas, mecânicas e elétricas. Esses adesivos são particularmente úteis em aplicações em que são necessárias temperaturas mais baixas durante o processo de montagem, evitando assim danos a componentes sensíveis.
Cada método de conexão tem seu conjunto específico de vantagens e limitações e, muitas vezes, várias técnicas são usadas em conjunto para atender às diversas necessidades dos dispositivos eletrônicos modernos. Por exemplo, um dispositivo pode usar tanto a solda para a conexão no nível da placa quanto a sinterização para a conexão da matriz para gerenciar as cargas térmicas de forma eficaz.
Batimento de solda em embalagens de semicondutores
A colisão de solda é um processo comum no empacotamento de semicondutores que envolve a colocação de pequenas esferas de solda, ou "colisões", nas almofadas de contato de um chip ou wafer. Essas saliências servem como pontos de conexão entre a matriz do semicondutor e o substrato da embalagem ou outra matriz em configurações empilhadas.
O bumping geralmente facilita as interconexões de passo mais fino, que são essenciais à medida que os dispositivos se tornam cada vez mais miniaturizados e complexos. Aqui, detalhamos várias técnicas importantes do processo de solda com bumping.
Empilhamento de wafer
O Wafer bumping envolve o depósito de soldas no wafer antes de dividi-lo em matrizes individuais. Esse processo é essencial para a tecnologia flip chip, em que a matriz é montada de cabeça para baixo e os ressaltos se conectam diretamente ao substrato. O Wafer bumping pode ser executado por meio de vários métodos:
- Galvanoplastia: Um método em que a solda é depositada eletroquimicamente na almofada do wafer. Essa técnica é altamente controlada, permitindo alturas e composições uniformes de ressaltos, essenciais para interconexões de alta densidade.
- Impressão de estêncil: Semelhante à forma como a pasta de solda é aplicada na montagem de PCBs, a impressão em estêncil pode ser usada para a colisão de wafer. Esse método é adaptável e econômico, adequado para diferentes ligas de solda e tamanhos de bump.
- Jateamento: Uma técnica avançada que usa um bocal para depositar a solda diretamente nas almofadas do wafer. Esse método oferece alta precisão e é adaptável a vários tamanhos de bump.
Colisão de pilares de cobre
O bumping de pilar de cobre é uma variação do bumping de solda que usa um pilar de cobre coberto com uma pequena quantidade de solda. Esse método é cada vez mais popular em aplicações de alto desempenho devido à condutividade elétrica e térmica superior do cobre.
Os bumps de pilar de cobre são normalmente usados em conjunto com uma tecnologia de micro-bump ou interposer no empacotamento de CIs 2,5D e 3D, onde são necessárias interconexões de passo fino. As tampas de solda no bumping de pilar de cobre são aplicadas por meio de um processo de revestimento ou de transferência de impressão, garantindo uma quantidade precisa de solda no topo de cada pilar de cobre.
Escala e importância
O tamanho dos pontos de solda pode variar de mais de 100 mícrons a menos de 10 mícrons de diâmetro, atendendo a várias necessidades tecnológicas, desde a montagem básica de circuitos até conexões avançadas de chips. A escalabilidade das técnicas de solder bumping permite sua aplicação em um amplo espectro de dispositivos semicondutores, desde a robusta eletrônica de potência até as delicadas tecnologias vestíveis.
Os pontos de solda são essenciais não apenas para a montagem física dos componentes semicondutores, mas também para garantir a integridade operacional do dispositivo. A resistência mecânica, a condutividade elétrica e os recursos de gerenciamento térmico das juntas de solda são vitais para o desempenho geral e a durabilidade do dispositivo.
Convergência de ASP e SMT
À medida que a tecnologia evolui, a ASP e a tecnologia de montagem em superfície (SMT) estão convergindo cada vez mais. Essa integração apresenta desafios, como a necessidade de maior precisão e recursos de gerenciamento térmico mais elevados, mas também abre oportunidades para processos simplificados e maior confiabilidade dos dispositivos.
A AIM Solder está na vanguarda dessa convergência, oferecendo produtos que apóiam a integração do ASP nas linhas SMT tradicionais. Continuamos comprometidos em apoiar nossos clientes com produtos de solda de qualidade superior e suporte técnico especializado, reforçando nossa posição de líder no setor de materiais de montagem de produtos eletrônicos.