Перевернутый чип
Перевернутый чип , также известный как соединение чипа с контролируемым разрушением или его аббревиатура C4 , [1] Это метод соединения кристаллов, таких как полупроводниковые устройства , микросхемы , интегрированные пассивные устройства и микроэлектромеханические системы (МЭМС), с внешними схемами с помощью выступов припоя , нанесенных на площадки чипа. Этот метод был разработан General Electric отделом легкой военной электроники компании , Ютика, Нью-Йорк . [2] Выступы припоя наносятся на площадки чипа на верхней стороне пластины во время заключительного этапа обработки пластины . Чтобы прикрепить микросхему к внешней схеме (например, печатной плате или другой микросхеме или пластине), ее переворачивают так, чтобы ее верхняя сторона была обращена вниз, и выравнивали так, чтобы ее контактные площадки совпадали с соответствующими контактными площадками на внешней схеме, и затем припой оплавляется для завершения межсоединения. В этом отличие от проволочного соединения , при котором чип устанавливается вертикально, а к площадкам чипа и контактам выводной рамки привариваются тонкие проволоки для соединения площадок чипа с внешней схемой. [3]
Этапы процесса [ править ]
- На пластине создаются интегральные схемы .
- Контактные площадки металлизированы на поверхности чипов.
- Шарик припоя наносится на каждую контактную площадку в ходе процесса, называемого ударом пластины.
- Чипсы вырезаны.
- Чипы перевернуты и расположены так, чтобы шарики припоя были обращены к разъемам внешней схемы.
- Затем шарики припоя переплавляют (обычно с использованием оплавления горячим воздухом ).
- Установленный чип «недозаливается» электроизоляционным клеем (капиллярный, показан здесь) . [4] [5]
Сравнение технологий монтажа [ править ]
Проволочное соединение/термозвуковое соединение [ править ]
В типичных системах производства полупроводников чипы в большом количестве собираются на одной большой пластине полупроводникового материала, обычно кремния. Отдельные чипы снабжены небольшими металлическими подушечками по краям, которые служат соединениями с возможным механическим носителем. Затем чипы вырезаются из пластины и прикрепляются к их носителям, обычно посредством проволочного соединения, например, термозвуковой сварки . Эти провода в конечном итоге ведут к контактам на внешней стороне держателей, которые присоединяются к остальной части схемы, составляющей электронную систему.
Перевернутый чип [ править ]
Обработка флип-чипа аналогична изготовлению обычных микросхем, но с несколькими дополнительными этапами. [6] Ближе к концу производственного процесса контактные площадки металлизируются, чтобы сделать их более восприимчивыми к пайке. Обычно это состоит из нескольких процедур. Затем на каждую металлизированную площадку наносится небольшая точка припоя. Затем чипы вырезаются из пластины обычным способом.
Чтобы прикрепить перевернутый чип к схеме, его переворачивают, чтобы точки припоя оказались на разъемах базовой электроники или печатной платы . Затем припой повторно плавится для создания электрического соединения, обычно с использованием термозвуковой сварки или, альтернативно, пайки оплавлением . процесса [7]
Это также оставляет небольшое пространство между схемой чипа и основным монтажом. Во многих случаях электроизоляционный клей затем «недостаточно заполнен», чтобы обеспечить более прочное механическое соединение, создать тепловой мост и гарантировать, что паяные соединения не подвергаются нагрузке из-за дифференциального нагрева чипа и остальной части системы.Подливка распределяет несоответствие теплового расширения между чипом и платой, предотвращая концентрацию напряжений в паяных соединениях, которая может привести к преждевременному выходу из строя. [8]
Шарики припоя можно установить на чипы, изготовив шарики отдельно, а затем прикрепив их к чипам, используя вакуумное захватывающее устройство для захвата шариков, а затем поместив их в чип с нанесением флюса на контактные площадки шариков, или гальванопокрытием, при котором затравочные металлы сначала наносятся на пластину, а стружка подвергается ударам. Это позволяет припою прилипать к контактным площадкам чипов во время процесса гальваники. Затравочные металлы представляют собой сплавы и наносятся путем напыления на пластину со стружкой, которую нужно ударить. Маска из фоторезиста используется только для нанесения затравочного металла поверх контактных площадок чипов. Затем пластина подвергается гальванопокрытию, и слой фоторезиста удаляется или зачищается. Затем припой на чипах подвергается оплавлению, чтобы придать выступам окончательную форму. Весь этот процесс известен как удар пластины. Шарики припоя часто имеют диаметр от 75 до 500 микрон. [9] [10]
В 2008 году методы высокоскоростного монтажа получили развитие благодаря сотрудничеству компаний Reel Service Ltd. и Siemens AG при разработке высокоскоростной монтажной ленты, известной как «MicroTape» [1] . Благодаря добавлению процесса сборки с использованием ленты и катушки в методологию сборки становится возможным размещение на высокой скорости, достигая скорости подбора 99,90% и скорости размещения 21 000 комплектующих в час (компонентов в час) с использованием стандартного оборудования для сборки печатных плат.
Подсостояния, сделанные с наращиванием Пленка, такая как пленка ajinomoto build uo, изготавливается вокруг сердцевины, и пленка укладывается на сердцевину слоями путем вакуумного ламинирования при высоких температурах, после чего пленка отверждается, а лазерные отверстия изготавливаются с помощью CO2- или УФ-лазеров, а затем Слепые отверстия в подложке очищаются, наращенная пленка химически придается шероховатость с помощью перманганта, а затем наносится медь методом химического меднения . с последующим созданием рисунка на меди с помощью фотолитографии и травления, и процесс повторяется для каждого слоя подложки. [11] [12]
Автоматическое склеивание ленты [ править ]
Ленточно-автоматическое соединение (ТАБ) разработано для соединения матриц методом термокомпрессии или термозвуковой сварки с гибкой подложкой, включающей от одного до трех проводящих слоев. Также с помощью TAB можно соединить все выводы кристалла одновременно с монтажом перевернутой микросхемы на основе пайки. Первоначально TAB мог создавать межсоединения с более мелким шагом по сравнению с флип-чипом, но с развитием флип-чипа это преимущество уменьшилось, и TAB остался специализированным методом межсоединения драйверов дисплея или аналогичных устройств, требующих специального TAB-совместимого рулона (R2R) , катушка к катушке) как система сборки.
Преимущества [ править ]
Полученная в результате сборка с перевернутой микросхемой намного меньше, чем традиционная система на базе несущей; Чип расположен непосредственно на плате и намного меньше носителя как по площади, так и по высоте. Короткие провода значительно уменьшают индуктивность , позволяя передавать сигналы с более высокой скоростью, а также лучше проводят тепло.
Недостатки [ править ]
Флип-чипы имеют ряд недостатков.
Отсутствие держателя означает, что они не подходят для простой замены или ручной установки без посторонней помощи. Для них также требуются очень плоские монтажные поверхности, которые не всегда легко организовать, а иногда и сложно обслуживать, поскольку платы нагреваются и охлаждаются. Это ограничивает максимальный размер устройства.
Кроме того, короткие соединения очень жесткие, поэтому тепловое расширение чипа должно соответствовать опорной плате, иначе соединения могут треснуть. [13] Материал подзаливки действует как промежуточное звено между разницей в КТР чипа и платы.
История [ править ]
Первоначально этот процесс был коммерчески представлен компанией IBM в 1960-х годах для отдельных транзисторов и диодов, упакованных для использования в их мэйнфреймах . [14]
Керамические подложки для BGA с флип-чипом были заменены органическими подложками, чтобы снизить затраты и использовать существующие технологии производства печатных плат для одновременного производства большего количества корпусов за счет использования панелей печатных плат большего размера во время производства. [15] Защитная пленка Ajinomoto (ABF) была разработана в 1999 году и стала материалом, широко используемым в корпусах флип-чипов, используемых для изготовления подложек флип-чипов полуаддитивным процессом, впервые разработанным Intel. [16] [17] [18] Наращиваемая пленка помогла отрасли отказаться от керамических подложек, и теперь эта пленка играет важную роль в производстве органических корпусов для микросхем. [19] [20]
Альтернативы [ править ]
С момента появления флип-чипа был представлен ряд альтернатив выступам припоя, в том числе золотые шарики или формованные шпильки, электропроводящий полимер и процесс «выступа с покрытием», при котором изолирующее покрытие удаляется химическими средствами. Флип-чипы в последнее время завоевали популярность среди производителей сотовых телефонов и другой мелкой электроники, где важна экономия на размерах. [ нужна ссылка ]
См. также [ править ]
- Модули Flip-Chip – Digital Equipment Corporation версия под торговой маркой
- Технология твердой логики
- ИБМ 3081
- Гибридный пиксельный детектор
Ссылки [ править ]
- ^ Э. Дж. Рымашевски, Дж. Л. Уолш и Г. В. Лихан, «Технология полупроводниковой логики в IBM», IBM Journal of Research and Development , 25, вып. 5 (сентябрь 1981 г.): 605.
- ^ Центр фильтров , Aviation Week & Space Technology , 23 сентября 1963 г., т. 79, вып. 13, с. 96.
- ^ Питер Элениус и Ли Левин, Обзор шкалы чипов. « Сравнение технологий соединения Flip-Chip и Wire-Bond ». Июль/август 2000 г. Проверено 30 июля 2015 г.
- ^ «Недополнение BGA для повышения защищенности COTS» . НАСА. 2019.
- ^ «Возвращение к недостаточному заполнению: как многолетняя технология позволяет изготавливать печатные платы меньшего размера и более долговечные» . 2011.
- ^ Джордж Райли, Flipchips.com. « Перевернутый чип с припоем ». Ноябрь 2000 г. Проверено 30 июля 2015 г.
- ^ https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/application-notes/AN-617.pdf [ пустой URL PDF ]
- ^ Венкат Нандивада. «Улучшите характеристики электроники с помощью эпоксидных компаундов» .Мир дизайна.2013.
- ^ «Завершающий процесс: Шаг 7 — Натирание припоя шаг за шагом | Обзор полупроводников» .
- ^ «Перевернутый чип — ударные процессы» . Корпус интегральной схемы, сборка и соединения . Спрингер. 2007. стр. 143–167. дои : 10.1007/0-387-33913-2_10 . ISBN 978-0-387-28153-7 .
- ^ Материалы для усовершенствованной упаковки . Спрингер. 18 ноября 2016 г. ISBN 978-3-319-45098-8 .
- ^ Он, Лей (2010). «Система в корпусе: перспективы электрики и компоновки» . Основы и тенденции в автоматизации проектирования электроники . 4 (4): 223–306. дои : 10.1561/1000000014 .
- ^ Демерджян, Чарли (17 декабря 2008 г.), Чипы Nvidia показывают проблемы с недостаточным заполнением , The Inquirer, заархивировано из оригинала 21 июля 2009 г. , получено 30 января 2009 г.
{{citation}}: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка ) - ^ Джордж Райли, «Введение в Flip Chip: что, почему, как» , Flipchips.com, октябрь 2000 г.
- ^ Материалы для усовершенствованной упаковки . Спрингер. 17 декабря 2008 г. ISBN. 978-0-387-78219-5 .
- ^ «Секретный ингредиент Аджиномото теперь жизненно важен для гигантов производства чипов» . 9 ноября 2022 г.
- ^ Ли, Тэнъюй; Ли, Пэн; Сунь, Ронг; Ю, Шухуэй (2023). «Нанокомпозиты на основе полимеров в полупроводниковой упаковке» . ИЭПП Нанодиэлектрики . 6 (3): 147–158. дои : 10.1049/nde2.12050 .
- ^ Материалы для усовершенствованной упаковки . Спрингер. 17 декабря 2008 г. ISBN. 978-0-387-78219-5 .
- ^ «Нехватка подложек ABF может повлиять на поставки новых процессоров и графических процессоров в 2021 году» . 14 декабря 2020 г.
- ^ Материалы для усовершенствованной упаковки . Спрингер. 18 ноября 2016 г. ISBN 978-3-319-45098-8 .
Внешние ссылки [ править ]
- Технология Amkor Flip Chip: CSP (fcCSP) , BGA (FCBGA) , FlipStack® CSP
- Ширрифф, Кен (март 2021 г.). «Странный чип: Разбор старинного контроллера Token Ring IBM» .