Tìm Hiểu Về Công Nghệ Gold Nail Head Bump (SBB) của Flip Chip

0040-02544 Thân trên, Dps Metal

0020-33806 Phòng Thượng Dps + Poly

 

Học hỏiAvề cáiGcũNđauHeaBump (SBB)Tcông nghệ củaFmôiChông

Bài viết trình bày chi tiết về công nghệ va đập đầu đinh vàng trong công nghệ lật chip.

I. sự phát triển của công nghệ đóng gói bán dẫn
Công nghệ đóng gói vi điện tử đã phát triển cùng với sự phát triển của các dạng thiết bị, và lịch sử phát triển của nó cũng là lịch sử liên tục cải tiến hiệu suất của thiết bị và liên tục thu nhỏ các hệ thống. Từ việc phân loại phương pháp lắp đặt thiết bị trên đế, bao bì vi điện tử có thể được chia thành các giai đoạn phát triển sau:
Giai đoạn đầu tiênlà kỷ nguyên lắp xuyên lỗ (THD) trước những năm 80 của thế kỷ 20, được thể hiện bằng các gói loại TO và các gói nội tuyến kép. Chức năng của IC tương đối đơn giản, số lượng dây dẫn nhỏ, gói có thể được chèn thủ công vào lỗ xuyên qua của PCB, bước dây dẫn được cố định, việc tăng số lượng dây dẫn sẽ đồng nghĩa với việc tăng gói kích thước và mật độ lắp tối đa của gói là 10pin/cm2.
Giai đoạn thứ hailà kỷ nguyên gắn trên bề mặt (SMT, gắn trên bề mặt/gắn bề mặt) vào những năm 80 của thế kỷ 20, được thể hiện bằng gói phác thảo nhỏ (SOP) và gói phẳng (QFP), giúp tăng đáng kể số lượng chân và mật độ lắp ráp, và là một cuộc cách mạng trong công nghệ đóng gói lúc bấy giờ. Ý tưởng thiết kế của các gói này khác với DIP (Gói nội tuyến kép) ở chỗ kích thước của thân gói là cố định và khoảng cách dây dẫn xung quanh chu vi thay đổi khi cần thiết, điều này cũng giúp cải thiện năng suất, với số lượng dây dẫn tối đa là 300 và mật độ gắn 10-50pin/cm2, đây cũng là thời kỳ hoàng kim của bao bì nhựa có chì kim loại.
Giai đoạn thứ balà thời đại gói mảng bóng hàn (BGA) / gói kích thước chip (CSP) trong 9{9}} của thế kỷ 20, bước chì của BGA chủ yếu là 1,5mm và 1,27mm, sự mở rộng của bước chì thúc đẩy đáng kể sự tiến bộ của công nghệ lắp đặt và nâng cao hiệu quả sản xuất, mật độ cài đặt của gói BGA là khoảng 40-60pin/cm2, sau đó Nhật Bản đã sử dụng khái niệm BGA ở cấp độ chip và phát triển gói CSP với Khoảng cách chì nhỏ hơn, Khoảng cách chì có thể nhỏ đến dưới 1,0mm và gói CSP tiếp tục giảm kích thước và trọng lượng của sản phẩm, nâng cao khả năng cạnh tranh của sản phẩm và kỷ nguyên BGA đã chuyển sang kỷ nguyên BGA/CSP .

Có bốn công nghệ chính để đạt được quy mô đóng gói ở quy mô chip: Liên kết dây (WB), Liên kết tự động bằng băng (TAB), Chip lật (FC) và Thông qua Silicon Via (TSV). Công nghệ WB đề cập đến sự liên kết của dây dẫn và miếng đệm kim loại dưới tác động của siêu âm, và được chia thành liên kết hình cầu nhiệt siêu âm và liên kết nêm siêu âm theo phương pháp liên kết. WB chiếm 90% thị trường đóng gói cân chip do độ tin cậy tuyệt vời của nó, nhưng do kết nối được hình thành bằng liên kết dây có độ cao nhất định ảnh hưởng đến kích thước của gói hàng, tạo ra độ trễ của tín hiệu điện và làm tăng giá trị điện trở , việc tìm kiếm công nghệ đóng gói sơ cấp mới phù hợp với bao bì kích thước nhỏ đã trở thành một điểm nóng nghiên cứu.
Công nghệ TAB là công nghệ liên kết các chip với băng mang trong một thời gian duy nhất bằng các dải chì dưới khuôn dập nóng và việc sản xuất các va chạm kim loại, băng mang và khuôn dập nóng trong công nghệ này mang lại những thách thức lớn cho việc sản xuất hàng loạt.
Công nghệ TSV là một công nghệ mới đang nổi, sự kết nối trong công nghệ này chủ yếu phụ thuộc vào sự kết nối giữa khối Cu và lớp Au được mạ sẵn trong xuyên qua silicon, phù hợp với bao bì nhiều lớp 3D và vì các sản phẩm điện tử có yêu cầu cao về kích thước gói hàng, kích thước của vias xuyên silicon rất nhỏ nên tính đồng nhất của lớp phủ Au trong vias xuyên silicon và độ tin cậy của kết nối đã mang đến những thách thức lớn cho việc phát triển và ứng dụng công nghệ này.

II. Công nghệ FlipChip
Công nghệ FlipChip (FC) là phương pháp đảo ngược mặt hoạt động của chip để căn chỉnh đế cho kết nối vi mô, việc đảo ngược thiết bị hoạt động làm giảm kích thước gói của các sản phẩm điện tử và do kích thước có thể kiểm soát được của mối hàn, phương pháp này phù hợp để đóng gói các sản phẩm điện tử có độ tích hợp cao và công suất cao với bước chốt nhỏ. Sơ đồ nguyên lý của flip chip như sau:

Để hiện thực hóa quy trình lật chip, cần phải thực hiện việc sản xuất các vết va chạm trên bề mặt chip và có sáu phương pháp hình thành vết va chạm phổ biến: Vết hàn Stud, vết hàn bay hơi, vết hàn mạ điện, vết hàn in, vết sưng bóng, và vết sưng chuyển hàn. Trong bao bì máy ảnh điện thoại di động mà chúng ta sử dụng trong cuộc sống hàng ngày, công nghệ được sử dụng để kết nối chip hình ảnh với đế là kết nối đầu đinh vàng (SBB) trong chip lật:


III.SBB(SBB,Stud Bump Bond) là gì?
Việc chế tạo đầu đinh lật chip là sử dụng bóng bay không có không khí(SBB, Trái phiếu Bump Stud)được tạo thành bằng dây kim loại để kết nối cổng I/O của chip với chốt gói hoặc vùng hàn dây trên đế;
Dưới tác động kết hợp của năng lượng siêu âm, áp suất liên kết và các yếu tố khác, các oxit và bụi bẩn trên bề mặt giao diện liên kết sẽ bị loại bỏ, đồng thời xảy ra biến dạng dẻo của giao diện liên kết, do đó xảy ra hiện tượng trật khớp trong kim loại. của bề mặt liên kết và sự khuếch tán nguyên tử được kích thích, tạo thành một vết va đập ở đầu đinh bằng kim loại chắc chắn.
Đối với liên kết siêu âm ép nóng dây vàng, đường kính của dây vàng thường nằm trong khoảng từ 0,5 triệu ~ 2,5 triệu (1 triệu=25μm), chất liệu của miếng chip lật nói chung là miếng nhôm (cũng có miếng đệm mạ vàng), bề mặt được mạ nhôm (vàng) có độ dày khoảng 2μm.
Sơ đồ sau đây cho thấy các thiết bị và phụ kiện cần thiết để tạo ra các va chạm mạ vàng, bao gồm máy liên kết, ống mao dẫn (Capillary mao mạch) và dây vàng:

Trong số đó, máy liên kết loại Kulicke và Soffa (KS) được sử dụng rộng rãi hơn trong ngành máy liên kết và cấu trúc bên trong của thiết bị được trình bày dưới đây:

Phần đầu hàn của thiết bị là bộ phận chủ chốt trong quá trình sản xuất đầu đinh vàng, như hình bên dưới, phần đầu hàn bao gồm dây căng chì, ống chì thủy tinh, điện cực (hay còn gọi là bật lửa). ), mao quản (còn gọi là mao quản) và kẹp dây vàng.

Trong giai đoạn chuẩn bị liên kết, kẹp dây được mở ra và khối gia nhiệt đã được nung nóng đến nhiệt độ nhất định; Ống mao dẫn được di chuyển xuống một khoảng sao cho miệng ống mao dẫn gần với bật lửa hơn. Lúc này, hệ thống đánh lửa điện tử sẽ phóng ra khoảng 2000V dòng điện cao thế trong thời gian rất ngắn, tạo thành một vòng giữa dây đuôi dây vàng ở đầu mao dẫn và điện cực của bật lửa, sao cho một Phần nhỏ của dây vàng tiếp xúc với miệng mao quản được hình thành dưới tác động của FAB hiện tại (Bóng khí tự do), sau đó mao quản tiếp tục di chuyển xuống dưới, để FAB tiếp xúc với miếng chip và FAB tạo thành một hình dạng bánh cố định dưới tác dụng của áp suất liên kết, sau đó áp suất của mao quản giảm. Năng lượng siêu âm bắt đầu tác động tạo thành sự kết nối chắc chắn giữa FAB và miếng đệm, sau khi liên kết hoàn tất, mao quản di chuyển lên một khoảng để vòi mao dẫn có thể để lại một đoạn dây vàng nhỏ, để tạo thành FAB Đối với công việc bugi liên kết tiếp theo, mao quản ngừng tăng lên sau khi di chuyển lên một khoảng, kẹp dây siết chặt dây vàng, mao dẫn tiếp tục di chuyển lên cùng với kẹp dây và dây vàng, và dây vàng bị đứt trong quá trình này di chuyển lên, để lại một vết sưng ở đầu đinh.
Lớp va chạm đầu đinh vàng đầu tiên được liên kết trên miếng nhôm, và trên cơ sở hoàn thành lớp va chạm đầu đinh vàng đầu tiên, việc liên kết của lớp va chạm đầu đinh vàng thứ hai được thực hiện để nhận ra sự liên kết của toàn bộ đầu đinh vàng nhiều lớp, và toàn bộ quá trình liên kết tương tự như quá trình liên kết của lớp đầu đinh vàng đầu tiên. Quá trình liên kết của các va chạm đầu đinh vàng chủ yếu bị ảnh hưởng bởi áp suất liên kết, lực liên kết và thời gian liên kết. Quá trình hình thành vết sưng đầu đinh vàng được thể hiện trong hình sau:

Quá trình liên kết va chạm đầu đinh vàng chủ yếu được chia thành ba giai đoạn: giai đoạn đầu tiên là giai đoạn va chạm, tức là giai đoạn tập trung áp suất liên kết, được đặc trưng bởi áp suất liên kết tối đa và sức mạnh liên kết không được áp dụng trong giai đoạn này. Giai đoạn thứ hai là giai đoạn chuẩn bị liên kết, trong đó mao quản sẽ chuẩn bị cho hoạt động liên kết giữa phần va chạm của đầu đinh vàng và miếng đệm; Ở giai đoạn này, áp suất liên kết giảm. Giai đoạn thứ ba là giai đoạn liên kết, là giai đoạn mà vết sưng vàng và miếng đệm tạo thành liên kết, đồng thời là giai đoạn mà lực liên kết và áp suất liên kết phối hợp với nhau; Ở giai đoạn này, mao quản bắt đầu chuyển động mạnh dưới tác động của siêu âm, bề mặt liên kết bị phá hủy và liên kết bền chặt được hình thành nhanh chóng trong thời gian rất ngắn.

IV.Các yếu tố ảnh hưởng đến độ va đập của đầu đinh vàng
1, Sự lựa chọn mao mạch
Trong quá trình liên kết va đập đầu đinh vàng nhiều lớp, tính nhất quán của mỗi liên kết va đập đầu đinh vàng là yếu tố then chốt để đảm bảo sự thành công của liên kết. Kích thước của mao quản xác định các đặc tính liên kết của vết sưng đầu móng tay vàng nhiều lớp và đặc điểm hình học của vết sưng đầu móng vàng. Vì vậy, để có được đầu đinh vàng với độ bám dính tốt thì cần phải chọn mao quản phù hợp. Kích thước của lỗ mao quản (H), đường kính của vát (CD) và góc vát (CA) thường là các yếu tố tham chiếu quan trọng nhất để lựa chọn mao quản.
Hình dưới đây là tham số liên quan của Kulicke và Soffa (mao quản):


2, Tác dụng của lớp đầu tiên của hiệu ứng va đập đầu móng tay vàng
Liên kết va chạm đầu móng tay vàng nhiều lớp là để hoàn thành lớp liên kết va chạm đầu móng tay vàng đầu tiên, sau đó là lớp liên kết va chạm đầu móng tay vàng thứ hai, nghĩa là, va chạm đầu móng tay vàng nhiều lớp được cấu tạo từ lớp móng vàng đầu tiên vết sưng đầu và lớp vết sưng đầu đinh vàng thứ hai. Hình dưới đây là sơ đồ cấu trúc vi mô của lớp đầu đinh vàng đầu tiên và lớp đầu đinh vàng nhiều lớp tương ứng.
Lớp liên kết va đập đầu móng tay vàng đầu tiên là một thành phần của liên kết va đập đầu móng tay vàng nhiều lớp, chất lượng của lớp liên kết va đập đầu móng tay vàng đầu tiên và các thông số kích thước của nó có ảnh hưởng đến lớp liên kết va đập đầu móng tay vàng thứ hai .


Các thông số kích thước chính của lớp đầu đinh vàng đầu tiên được thể hiện trong hình bên dưới, trong đó d là đường kính của dây vàng, được xác định bởi dây vàng dùng để liên kết, chiều cao h được xác định bởi hình dạng của mao quản liên kết, chiều cao của vết sưng đầu đinh vàng H và đường kính xuyên tâm tối đa D của vết sưng đầu đinh vàng được xác định chung bởi các thông số của quá trình liên kết.

Việc nâng cao chất lượng của va chạm đầu đinh vàng chủ yếu thông qua việc tối ưu hóa các yếu tố sau:
(a)(Vị trí vết sưng)
(b)(Cắt va chạm)
(c)( Đường kính vết sưng)
(d)(Độ dày vết sưng)
(e)(Chiều cao vết sưng)
(f)(Thử nghiệm miệng núi lửa)
(g)(IMC)
Việc đo lực đẩy của quả bóng vàng được kiểm tra theo hình ảnh sau:

Đối với một số vấn đề thường gặp trong ứng dụng thực tế, chúng có thể được cải thiện từ các khía cạnh sau:


V. Phân tích mô phỏng va chạm đầu đinh vàng
Thông qua mô phỏng và phân tích toàn bộ quá trình liên kết dây vàng, dữ liệu mô phỏng được thể hiện trong hình sau:

Trong giai đoạn va chạm của va chạm đầu đinh vàng, sự phân bố ứng suất của va chạm đầu đinh vàng không đồng đều, mức độ ứng suất tương đối cao, vùng có mức ứng suất lớn nằm bên trong va chạm đầu đinh vàng và bề mặt tiếp xúc giữa vết vàng và miếng đệm, và những khu vực này là khu vực tập trung áp lực liên kết.
Hình dưới đây là một cái nhìn tích cực về sự phân bố ứng suất của miếng đệm, ứng suất của miếng đệm tập trung ở khu vực hình tròn với tâm liên kết là tâm của vòng tròn, trong đó ứng suất lớn hơn được phân bổ ở khu vực ngoại vi của vòng tròn, và có ranh giới rõ ràng với vùng chịu ứng suất nhỏ hơn, nơi mà sự biến dạng của miếng đệm sẽ mạnh hơn, và sự biến dạng mạnh sẽ gây ra nhiều trật khớp hơn và khiến liên kết dễ hình thành liên kết hơn. Hình ảnh bên phải cho thấy dấu vết liên kết của vết sưng ở đầu móng tay màu vàng. Vùng màu trắng nhạt là vùng hình thành liên kết và có thể thấy rằng liên kết chủ yếu được hình thành ở vùng ngoại vi của vòng tròn đồng tâm tập trung vào tâm hình học của miếng đệm, tương ứng với vùng phân bố ứng suất lớn hơn trong quá trình quá trình liên kết vết sưng đầu móng tay vàng lật.

Việc liên kết các va chạm đầu móng tay vàng nhiều lớp là để hoàn thiện lớp va chạm đầu móng vàng thứ hai trên cơ sở hoàn thiện lớp va chạm đầu móng vàng đầu tiên. Trong toàn bộ quá trình liên kết, mao dẫn có tác dụng lên cả ứng suất và sức căng của lớp va chạm đầu móng vàng đầu tiên và lớp va chạm đầu móng vàng thứ hai.

Như thể hiện trong hình dưới đây, trong giai đoạn va chạm liên kết giữa đầu đinh vàng nhiều lớp lật, mức độ căng thẳng cao hơn của va chạm đầu đinh vàng nhiều lớp chủ yếu phân bổ ở bên trong hai đầu đinh vàng gần với bề mặt tiếp xúc của các va chạm đầu đinh vàng trên và dưới, trong đó ứng suất lớn hơn tập trung ở lớp va chạm đầu đinh vàng thứ hai, và ứng suất tối đa xuất hiện ở bề mặt tiếp xúc liên kết của lớp va chạm đầu đinh vàng thứ nhất và lớp thứ hai đầu đinh vàng.

VI,Thứ sáu, tóm tắt công nghệ va đập đầu đinh vàng
So với công nghệ liên kết dây truyền thống, các điện cực va đập trong vùng hàn liên kết của công nghệ liên kết chip lật không chỉ được phân bố dọc theo mép xung quanh chip mà còn có thể phân bố bằng cách quấn lại nên công nghệ liên kết chip lật có những ưu điểm sau:
(1) Các dây kết nối rất ngắn và điện dung tản lạc, điện trở kết nối và độ tự cảm kết nối do kết nối tạo ra nhỏ hơn nhiều so với WB. Để thuận lợi hơn cho việc ứng dụng các sản phẩm điện tử tần số cao và tốc độ cao.
(2) Các kết nối gắn trên chip chiếm diện tích đế nhỏ và có mật độ gắn trên chip cao.
Thư việnaphy:
(1)Kong Lingsong: Nghiên cứu về kiểm soát chất lượng của liên kết chip lật siêu âm nhiệt Gold Bump (2) Wang Jiao, Cơ chế phản ứng tạo hình và giao diện của vết va chạm đầu đinh _Mối nối kim loại hàn dựa trên Sn
(3) Tang Wenliang, Nghiên cứu mô phỏng và độ tin cậy của phím bấm đầu đinh vàng nhiều lớp

KẾT THÚC