Badanie matrycy półprzewodnikowejproces wiązania, w tym proces wiązania klejem, proces wiązania eutektycznego, proces wiązania lutem miękkim, proces łączenia poprzez spiekanie srebra, proces łączenia poprzez prasowanie na gorąco, proces łączenia typu flip chip. Wprowadzono rodzaje i ważne wskaźniki techniczne sprzętu do spajania półprzewodników, przeanalizowano stan rozwoju i prognozowano kierunki rozwoju.
1 Przegląd przemysłu półprzewodników i opakowań
Przemysł półprzewodników obejmuje w szczególności materiały i sprzęt półprzewodnikowy wyższego szczebla, produkcję półprzewodników średniego szczebla oraz zastosowania niższego szczebla. Przemysł półprzewodników w moim kraju rozpoczął działalność późno, ale po prawie dziesięciu latach szybkiego rozwoju mój kraj stał się największym na świecie rynkiem konsumenckim produktów półprzewodnikowych i największym na świecie rynkiem sprzętu półprzewodnikowego. Przemysł półprzewodników rozwija się szybko w postaci jednej generacji sprzętu, jednej generacji procesów i jednej generacji produktów. Badania nad procesami i urządzeniami półprzewodnikowymi są główną siłą napędową ciągłego postępu przemysłu oraz gwarancją industrializacji i masowej produkcji produktów półprzewodnikowych.
Historia rozwoju technologii pakowania półprzewodników to historia ciągłego doskonalenia wydajności chipów i ciągłej miniaturyzacji systemów. Wewnętrzna siła napędowa technologii opakowań ewoluowała z dziedziny smartfonów z najwyższej półki do dziedzin takich jak obliczenia o wysokiej wydajności i sztuczna inteligencja. Cztery etapy rozwoju technologii pakowania półprzewodników przedstawiono w tabeli 1.
W miarę jak węzły procesu litografii półprzewodników zbliżają się do 10 nm, 7 nm, 5 nm, 3 nm i 2 nm, koszty badań i rozwoju oraz produkcji nadal rosną, wydajność spada, a prawo Moore'a zwalnia. Z punktu widzenia trendów rozwoju przemysłu, obecnie ograniczonych fizycznymi ograniczeniami gęstości tranzystorów i ogromnym wzrostem kosztów produkcji, opakowania rozwijają się w kierunku miniaturyzacji, dużej gęstości, wysokiej wydajności, dużej prędkości, wysokiej częstotliwości i wysokiej integracji. Przemysł półprzewodników wkroczył w erę post-Moore'a, a zaawansowane procesy nie skupiają się już tylko na rozwoju węzłów technologii produkcji płytek, ale stopniowo zwracają się w stronę zaawansowanej technologii pakowania. Zaawansowana technologia pakowania może nie tylko poprawić funkcje i zwiększyć wartość produktu, ale także skutecznie obniżyć koszty produkcji, stając się ważną ścieżką do kontynuacji Prawa Moore'a. Z jednej strony technologia cząstek rdzenia służy do dzielenia złożonych systemów na kilka technologii pakowania, które można pakować w opakowania heterogeniczne i niejednorodne. Z drugiej strony technologia systemu zintegrowanego służy do integracji urządzeń z różnych materiałów i konstrukcji, co ma unikalne zalety funkcjonalne. Integracja wielu funkcji i urządzeń z różnych materiałów realizowana jest przy użyciu technologii mikroelektroniki i realizowany jest rozwój od układów scalonych do systemów scalonych.
Opakowanie półprzewodników jest punktem wyjścia do produkcji chipów i pomostem pomiędzy wewnętrznym światem chipa a systemem zewnętrznym. Obecnie, oprócz tradycyjnych firm zajmujących się pakowaniem i testowaniem półprzewodników, półprzewodnikiopłatekodlewnie, firmy projektujące półprzewodniki i firmy zajmujące się komponentami zintegrowanymi aktywnie opracowują zaawansowane opakowania lub powiązane kluczowe technologie pakowania.
Głównymi procesami tradycyjnej technologii pakowania sąopłatekpocienianie, cięcie, klejenie matrycowe, łączenie drutowe, uszczelnianie tworzyw sztucznych, galwanizacja, cięcie i formowanie żeber itp. Wśród nich proces spajania matrycowego jest jednym z najbardziej złożonych i krytycznych procesów pakowania, a sprzęt do procesu spajania matrycowego jest również jednym z najważniejszy sprzęt podstawowy w opakowaniach półprzewodników i jest jednym z urządzeń pakujących o najwyższej wartości rynkowej. Chociaż zaawansowana technologia pakowania wykorzystuje procesy front-end, takie jak litografia, trawienie, metalizacja i planaryzacja, najważniejszym procesem pakowania jest nadal proces spajania matrycowego.
2 Proces łączenia matryc półprzewodnikowych
2.1 Przegląd
Proces spajania matrycowego nazywany jest także ładowaniem wiórów, obciążaniem rdzenia, klejeniem matrycowym, procesem spajania wiórów itp. Proces spajania matrycowego pokazano na rysunku 1. Ogólnie rzecz biorąc, spajanie matrycowe polega na zbieraniu wiórów z płytki za pomocą głowicy spawalniczej dyszę ssącą za pomocą podciśnienia i umieść ją na wyznaczonym obszarze podkładki ramy ołowianej lub podłoża opakowania pod kontrolą wzrokową, tak aby chip i podkładka zostały połączone i unieruchomione. Jakość i wydajność procesu spajania matrycowego będzie miała bezpośredni wpływ na jakość i wydajność późniejszego spajania drutów, dlatego spajanie matrycowe jest jedną z kluczowych technologii w procesie końcowym półprzewodników.
W przypadku różnych procesów pakowania produktów półprzewodnikowych istnieje obecnie sześć głównych technologii procesu spajania matrycowego, a mianowicie klejenie, wiązanie eutektyczne, łączenie lutem miękkim, łączenie przez spiekanie srebra, łączenie poprzez prasowanie na gorąco i łączenie typu flip-chip. Aby uzyskać dobre wiązanie wiórów, konieczne jest, aby kluczowe elementy procesu w procesie spajania matrycowego współpracowały ze sobą, obejmując głównie materiały spajające, temperaturę, czas, ciśnienie i inne elementy.
2.2 Proces klejenia
Podczas klejenia należy nałożyć pewną ilość kleju na ramę prowadzącą lub podłoże opakowania przed umieszczeniem chipa, a następnie głowica klejąca podnosi chip, a dzięki systemowi widzenia maszynowego chip jest dokładnie umieszczany na klejeniu położenia ramki prowadzącej lub podłoża opakowania pokrytego klejem, a do chipa przykładana jest pewna siła spajania poprzez głowicę maszyny do klejenia matrycowego, tworząc warstwę kleju pomiędzy chipem a ramą prowadzącą lub podłożem opakowania, tak aby osiągnąć celem klejenia, instalowania i mocowania chip. Ten proces klejenia matrycowego nazywany jest również procesem klejenia, ponieważ klej należy nakładać przed maszyną klejącą.
Powszechnie stosowane kleje obejmują materiały półprzewodnikowe, takie jak żywica epoksydowa i przewodząca pasta srebrna. Klejenie jest najpowszechniej stosowanym procesem łączenia matryc półprzewodnikowych, ponieważ proces jest stosunkowo prosty, koszt jest niski i można zastosować różnorodne materiały.
2.3 Proces wiązania eutektycznego
Podczas łączenia eutektycznego, eutektyczny materiał wiążący jest zazwyczaj wstępnie nakładany na spód chipa lub ramkę prowadzącą. Sprzęt do spajania eutektycznego podnosi chip i jest prowadzony przez system wizyjny maszyny, aby dokładnie umieścić chip w odpowiednim miejscu łączenia ramy prowadzącej. Chip i ramka prowadząca tworzą eutektyczną powierzchnię łączącą pomiędzy chipem a podłożem opakowania pod wpływem połączonego działania ogrzewania i ciśnienia. Proces wiązania eutektycznego jest często stosowany w opakowaniach z ramą ołowianą i podłożami ceramicznymi.
Eutektyczne materiały wiążące są zazwyczaj mieszane z dwoma materiałami w określonej temperaturze. Powszechnie stosowane materiały obejmują złoto i cynę, złoto i krzem itp. W przypadku stosowania procesu wiązania eutektycznego moduł przekładni gąsienicowej, w którym znajduje się rama ołowiana, wstępnie nagrzeje ramę. Kluczem do realizacji procesu wiązania eutektycznego jest to, że eutektyczny materiał wiążący może topić się w temperaturze znacznie niższej od temperatury topnienia dwóch materiałów składowych, tworząc wiązanie. Aby zapobiec utlenieniu ramy podczas procesu wiązania eutektycznego, w procesie wiązania eutektycznego często wykorzystuje się również gazy ochronne, takie jak mieszanina wodoru i azotu, wprowadzane do toru w celu ochrony ramy prowadzącej.
2.4 Proces łączenia lutem miękkim
Podczas łączenia lutem miękkim, przed umieszczeniem chipa, miejsce łączenia na ramie prowadzącej jest cynowane i prasowane lub cynowane podwójnie, a ramka prowadząca musi zostać podgrzana w torze. Zaletą procesu łączenia lutem miękkim jest dobre przewodnictwo cieplne, wadą jest to, że łatwo się utlenia i proces jest stosunkowo skomplikowany. Nadaje się do pakowania ramek ołowianych urządzeń mocy, takich jak opakowania konturowe tranzystorów.
2.5 Proces spiekania srebra
Najbardziej obiecującym procesem łączenia obecnych chipów półprzewodnikowych mocy trzeciej generacji jest zastosowanie technologii spiekania cząstek metalu, która polega na mieszaniu polimerów, takich jak żywica epoksydowa odpowiedzialna za połączenie, w kleju przewodzącym. Ma doskonałą przewodność elektryczną, przewodność cieplną i charakterystykę pracy w wysokiej temperaturze. Jest to także kluczowa technologia dla dalszych przełomów w dziedzinie opakowań półprzewodników trzeciej generacji w ostatnich latach.
2.6 Proces łączenia termokompresyjnego
Przy pakowaniu wysokowydajnych trójwymiarowych układów scalonych, ze względu na ciągłą redukcję skoku wejścia/wyjścia między chipami, rozmiaru i skoku nierówności, firma Intel zajmująca się półprzewodnikami uruchomiła proces łączenia termokompresyjnego do zaawansowanych zastosowań łączenia o małych odstępach, łącząc małe wióry uderzeniowe o podziałce od 40 do 50 μm, a nawet 10 μm. Proces łączenia termokompresyjnego jest odpowiedni do zastosowań typu chip-wafel i chip-podłoże. Jako szybki, wieloetapowy proces, proces łączenia termokompresyjnego napotyka wyzwania związane z kontrolą procesu, takie jak nierówna temperatura i niekontrolowane topienie lutowia o małej objętości. Podczas klejenia termokompresyjnego temperatura, ciśnienie, pozycja itp. muszą spełniać precyzyjne wymagania kontrolne.
2.7 Proces łączenia typu Flip Chip
Zasadę procesu łączenia chipów flip przedstawiono na rysunku 2. Mechanizm flip podnosi chip z płytki i obraca go o 180° w celu przeniesienia chipa. Dysza głowicy lutowniczej podnosi chip z mechanizmu odwracającego, a kierunek uderzenia chipa jest skierowany w dół. Po przesunięciu się dyszy głowicy zgrzewającej na górę podłoża opakowania, przesuwa się ona w dół, aby związać i utrwalić wiór na podłożu opakowania.
Opakowanie Flip Chip to zaawansowana technologia łączenia chipów i stała się głównym kierunkiem rozwoju zaawansowanej technologii pakowania. Charakteryzuje się dużą gęstością, wysoką wydajnością, cienkim i krótkim i może spełniać wymagania rozwojowe konsumenckich produktów elektronicznych, takich jak smartfony i tablety. Proces łączenia flip-chipów sprawia, że koszt opakowania jest niższy i umożliwia realizację ułożonych w stos chipsów i opakowań trójwymiarowych. Jest szeroko stosowany w dziedzinach technologii pakowania, takich jak opakowania zintegrowane 2,5D/3D, opakowania na poziomie wafla i opakowania na poziomie systemu. Proces łączenia typu flip chip jest najszerzej stosowanym i najczęściej stosowanym procesem łączenia matrycowego w zaawansowanej technologii pakowania.
Czas publikacji: 18 listopada 2024 r