МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2008, том 37, № 2, с. 121-130
ТЕХНОЛОГИЯ МИКРО-И НАНОСТРУКТУР
УДК 621.382
ФОРМИРОВАНИЕ СТОЛБИКОВЫХ ВЫВОДОВ НА КОНТАКТНЫХ ПЛОЩАДКАХ КРИСТАЛЛОВ ДЛЯ СБОРКИ МЕТОДОМ "FLIP-CHIP"
© 2008 г. В. В. Зенин1, Е. П. Новокрещенова1, О. В. Хишко2
воронежский государственный технический университет 2ОАО "Воронежский завод полупроводниковых приборов - Сборка"
zenvik@bk.ru Поступила в редакцию 16.04.2007 г.
Проанализированы способы и устройства для изготовления шариков припоя и размещения их на контактных площадках кристалла. Рассмотрены способы и технологические особенности изготовления столбиковых припойных выводов из припоя. Приведены сведения о способах и устройствах для образования шариковых выводов на кристалле оплавлением проволоки. Рассмотрены конструктивно-технологические особенности пайки полупроводниковых кристаллов со столбиковыми выводами к основаниям корпусов или подложкам.
ВВЕДЕНИЕ
Технология "flip-chip" - присоединение перевернутых кристаллов со столбиковыми выводами к основаниям корпусов или подложкам получила широкое распространение в современной отечественной и зарубежной микроэлектронике. Данный метод имеет следующие преимущества перед другими: снимает связанные со сборкой ограничения для кристаллов с субмикронными топологическими размерами; открывает новые возможности в миниатюризации полупроводниковых изделий (ППИ) благодаря ряду компоновочных и конструктивных особенностей; позволяет полностью автоматизировать процесс сборки. Компактность и улучшенные электрические характеристики межсоединений, сформированных этим методом, способствуют его популяризации [1].
Основу метода перевернутого кристалла составляют столбиковые выводы, располагаемые на металлизированных контактных площадках кристаллов ИС. В настоящее время при сборке по технологии "flip-chip" используются в основном три варианта формирования столбиковых выводов на кристалле:
1. Размещение готовых столбиков припоя.
2. Изготовление столбиковых припойных выводов.
3. Получение столбиковых выводов оплавлением проволоки.
ИЗГОТОВЛЕНИЕ ШАРИКОВ ПРИПОЯ
И РАЗМЕЩЕНИЕ ИХ НА КРИСТАЛЛЕ
Для изготовления шариков припоя диаметром 0.025-0.2 мм разработана установка [2], которая содержит нагреватель, резервуар с жидким при-
поем, эжекторную камеру, эжектор с соплом, электронную схему управления эжектором, обеспечивающим выдачу сигналов с частотой 2 -100 кГц. Для предохранения припоя от окисления в установке используется инертный рабочий газ. При работе на частоте 15 кГц и скорости газа 3.5 м/с получаются шарики припоя диаметром 0.08-0.1 мм, следующие один за другим с небольшим интервалом.
Для формирования на кристалле более 600 контактных выступов с использованием шариков из припоя диаметром 0.4 мм, а также свыше 500 контактных выступов из шариков диаметром 0.25 мм используется специальная автоматическая установка [3].
Формирование на контактных площадках кристалла припойных выступов, имеющих однородность по высоте, при невысокой стоимости и хорошей производительности осуществляется на специальной установке [4]. Установка включает в себя держатель кристаллов, устройство нанесения на их площадки флюса, резервуар с шариками припоя диаметром 0.125 мм. На перемещающемся вертикально и вращающемся рычаге закреплен вакуумный захват, рабочая поверхность которого имеет набор отверстий для удерживания шариков припоя. Расположение отверстий точно соответствует расположению контактных площадок на кристалле. Перенос шариков на кристалл осуществляется захватом из резервуара. При нагреве кристаллов до температуры плавления шариков припоя образуются припойные выступы.
Размещение и крепление на контактных площадках керамической подложки шариков из припоя осуществляется следующим способом [5]: вначале шарики устанавливают в лунках прецизионно обработанной графитовой пластины с помощью вакуума, подаваемого к лункам через сквозные от-
верстия; затем, используя маску из стальной фольги, на шарики сверху наносится паста из того же состава припоя; после этого производится совмещение пластины с подложкой с помощью юстиро-вочной платы. Удалив плату, подложка и пластина поступают в печь для пайки при заданной температуре. При этом припойная паста при расплавлении корректирует положение шариков относительно контактных площадок.
Захват и прецизионное размещение шариков припоя на контактных площадках подложки или кристалла ИС осуществляется при помощи специального устройства [6]. Устройство содержит рабочий столик, на котором располагается кассета с шариками, перемещающуюся вертикально монтажную головку, имеющую набор инструментов в виде вертикально смонтированных трубочек наружным диаметром 0.875 мм и внутренним диаметром 0.3 мм. Трубочки служат для захвата шариков припоя диаметром 0.76 мм с помощью вакуума.
Перенос токопроводящих шариков припоя на контактные площадки кристалла может осуществляться с помощью переводной пластины из кремния [7]. Пластина имеет углубления трапециевидной в сечении формы, по расположению точно соответствующим позициям площадок на 81-пластине со структурами ИС. После оксидирования поверхности переводной пластины в ее полости укладываются шарики припоя, а затем на ней сверху размещается пластина с ИС, площадки которых имеют золоченную поверхность с подслоями Си и Сг. При нагреве сборки и расплавления припоя шарики переходят на контактные площадки ИС в форме припойных выступов. Высокая точность переноса шариков припоя достигается применением одинакового материала пластин (81), не приводящего к рассовмещению площадок и полостей при их совместном нагреве.
Монтаж шариков припоя на контактные площадки кристалла ИС осуществляется с помощью специального инструмента в виде цилиндрического стержня со скошенной на угол 45° нижней частью [8]. Инструмент изготовлен из W или Т1, WC, А1203. На плоском рабочем торце инструмента имеется выемка, размеры которой определяют объем захватываемого припоя. Вдоль оси инструмента может быть капилляр для подвода энергии с целью подогрева шарика припоя. Инструмент также используется при реставрации ИС и многокристальных модулей.
Для формирования шариковых контактов на подложке, используемой для обращенного монтажа нескольких кристаллов ИС, используется специальная пластина из несмачиваемого припоем материала, например алюминия, содержащая матрицу полусферических углублений, расположенных соответственно контактным площадкам
на подложке [9]. В углублениях пластины размещают шарики из припоя. Затем подложка накладывается на пластину с высокой точностью совмещения ее контактных площадок с шариками, которые присоединяются к ним термокомпрессионной сваркой или пайкой.
Патентуется способ [10] планаризации шариковых припойных выводов, расположенных на установочной поверхности безвыводного матричного корпуса ИС. Выравнивание проводится пластиной с нагревателем, имеющем тщательно обработанную и несмачиваемую припоем поверхность. Подбором величины давления, времени и температуры обеспечивается размягчение припойных шариков и их выравнивание по высоте в процессе прижатия ИС к подложке.
Для повышения надежности бескорпусной ИС и уменьшения стоимости ее изготовления рекомендуется [11] формировать шарики припоя не на кристалле, а на плате. Последовательность технологических операций заключается в следующем: нанесение на плату металлизации и получение контактных площадок; формирование маски из слоя фоторезиста; напыление барьерного слоя металла; нанесение припойной пасты способом трафаретной печати; удаление фоторезиста и оплавление пасты с образованием одинаковых по высоте шариков припоя.
ИЗГОТОВЛЕНИЕ СТОЛБИКОВЫХ ПРИПОЙНЫХ ВЫВОДОВ
Контактные площадки, на которые наносят столбиковые выводы из припоя, получают, используя две операции фотолитографии [12]. Сначала на пластину 81 с контактами в виде алюминиевой металлизации осаждается пленка несмачиваемого припоем металла (Сг, Т1, и др.), затем наносится фоторезистивная маска, в окна которой осаждается пленка смачиваемого припоем металла (Си, Со, № и др.) с подслоем из комбинации смачиваемого и несмачиваемого припоем металлов. После удаления первой фоторезистивной маски формируется маска с окнами больших размеров из толстого негативного фоторезиста. В эти окна гальванически или напылением осаждается припой. После удаления второй фотомаски проводится травление несмачиваемой припоем металлизации, используя осажденный припой в качестве маски. Пластина 81 затем нагревается до температуры плавления припоя, который за счет капиллярных сил приобретает форму шариков на смачиваемом припоем участке контактной площадки.
Для исключения подтравливания столбиковых выводов на полупроводниковых кристаллах разработан способ [13], по которому на кристаллы в составе пластины с открытыми контактными площадками наносят слой первого фоторезиста,
устойчивого к травителю, применяемому для удаления барьерного слоя металлизации. После вскрытия окон в нем на пластину напыляется барьерная многослойная металлизация, содержащая слой Т1 или Сг, слой Си или Pd, а последним - слой Au. Затем на пластину наносится слой второго фоторезиста, в котором над площадками вскрываются окна размером меньше окон в первом фоторезисте на удвоенную толщину барьерной металлизации. В этих окнах гальваническим способом наращивают золотые столбиковые выводы. После удаления второго фоторезиста последовательно снимаются металлизация вокруг выводов и слой первого фоторезиста.
Известен [14] способ изготовления столбиковых выводов из припоя в технологии производства полупроводниковых приборов и ИС. На полупроводниковую пластину с контактными площадками осаждают несколько слоев металла, а затем - слой припоя через маску. После удаления маски часть слоев металла за пределами областей, покрытых припоем, стравливают в растворе, содержащем фосфорную и уксусную кислоты, перекись водорода и деионизованную воду, который не реагирует с припоем. Режимы травления: температура 70°С, время - 1-10 мин. Столбики припоя, изготовленные на многослойном металлическом основании, состоящем из алюминия, сплава никель-ванадий и меди пригодны д
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.