Формирование выводов микросхем flip-chip методом трафаретной печати

07.07.2023 |

Введение

Привлекательность технологии flip-chip заключается в возможности получения микросхем с отличными электрическими параметрами, малым тепловым сопротивлением между кристаллом и печатной платой, малыми размерами кристалла и большим числом выводов, что является определяющим для большинства применений. Однако, широкое внедрение этой технологии произойдет лишь при повышении надежности формирования выводов микросхемы и освоении недорогой технологии изготовления плат с высокой плотностью монтажа. Не требующая больших затрат технология формирования столбиковых выводов получила широкое распространение с внедрением процесса химического осаждения никеля на места будущих выводов микросхемы и последующего нанесения на эти места паяльной пасты методом трафаретной печати.

Технология создания столбиковых выводов микросхем методом трафаретной печати позволяет использовать уже имеющееся на предприятиях оборудование линий поверхностного монтажа. Благодаря значительному прогрессу в технологии печати оказалось возможным использовать ее для формирования выводов с весьма малым шагом. Это тем более важно потому, что согласно закону Мура следствием прогресса в технологии производства микросхем является то, что размеры кристаллов уменьшаются в 4 раза каждые 3 года. Однако, для широкого внедрения технологии печати с очень малым шагом (ultra fine pitch – UFP) должен быть сделан ряд технологических улучшений в изготовлении трафаретов, разработке новых паяльных паст и в возможностях оборудования для нанесения этих паст. Появление паст типа 7 способствовало проведению исследований в области UFP-технологии, а также выявлению и пониманию различий в «поведении» паст типов 6 и 7 с размерами частиц от 5 до 15 и от 2 до 11 мкм соответственно.

В данной статье приведены результаты недавних исследований возможностей технологии нанесения паст типов 6 и 7 для формирования столбиковых выводов с шагом 100 мкм, проведенных на 6-дюймовой кремниевой пластине. В процессе исследования бы- ли обнаружены интересные явления в поведении этих типов паст во время печати. Кроме того, проделанная работа помогла углубить понимание процесса печати для формирования столбиковых выводов микросхем flip-chip.

 

Методика исследования

Нанесение металлизации на кремниевую пластину. Для исследований использовалась кремниевая пластина диаметром 6 дюймов и толщиной 680 мкм. На ней были расположены 540 кристаллов размером 4.9×4.9 мм. Каждый кристалл имел 176 выводов с площадками, расположенными по периферии с шагом 100 мкм. Общее число площадок на пластине составило 95 040 шт. Площадки шириной 40 мкм имели восьмиугольную форму. Для их формирования на поверхность алюминиевых площадок методом химического осаждения был нанесен слой никеля толщиной 2 мкм, поверх которого был напылен слой золота (50 нм).

 

Выбор технологии изготовления трафарета.

Критериями при выборе способа изготовления трафарета были качество стенок апертуры, повторяемость ее размеров и стоимость изготовления трафарета. Предварительные проработки показали возможность использования трафаретов, изготовленных методом лазерной резки, хотя качество изготовления апертур этих трафаретов зависит от точности настройки оборудования производителя и наличия на рынке лазеров с тонкой настройкой. Фактор стоимости приобретает существенное значение, если учесть большое число необходимых апертур и то, что стоимость изготовления 100 апертур составляет в сред-нем около четырех долларов. Альтернативным вариантом являются трафареты, изготовленные методом гальванопластики (electroformed stencil), отличающиеся высоким качеством стенок апертур.

Они имеют приемлемую стоимость, особенно для пластин с UFP-выводами.

Для проведения исследований методом гальванопластики был изготовлен трафарет толщиной 30 мкм, имеющий 4 тестовых поля (TF – Test Field) и одно основное (MF – Main Field), показанные на рис. 1. Апертуры в каждом из полей имели продолговатую форму, а весь рисунок по- вернут на 45° относительно направления печати для того, чтобы исключить неравномерность заполнения апертур пас- той вследствие их различной ориентации относительно этого направления.

Рис. 1. Кремниевая пластина с шагом выводов 100 мкм (а), тестовое поле TF1 со смещением выводов (б), основное поле MF5 с расположением выводов в ряд (в)

Размеры апертур, а также отношения их линейных размеров и площадей для каждого из полей приведены в таблице. Апертуры поля MF 5 показаны на рис. 2.

Рис. 2. Апертуры трафарета, изготовленного методом гальванопластики (поле MF5)

Основное назначение тестовых полей заключалось в исследовании альтернативных вариантов рисунка трафарета, имеющем целью выбрать тот из них, который позволит облегчить доступ к выводам микросхемы при малой ее площади и большом числе связей, как это имеет место в случае UFP-структур.

Были исследованы варианты со смещением выводов (TF1, TF2, TF4), а также варианты для определения оптимальной высоты выводов без возникновения мостиков припоя между ними.

 Оборудование и материалы. В данном исследовании были использованы 2 вида водосмываемых паяльных паст состава Sn63/Pb37 одного и того же производителя – паст типов 6 и 7. Содержание металла в них составляет 90%.

Для трафаретной печати использовалась стандартная машина «Horizon» фирмы DEK с полиуретановым ракелем, установленным под углом 60°. Оплавление при- поя производилось в конвекционной печи в атмосфере азота (содержание кислорода не более 20×10-6).

Удаление остатков флюса производилось средством для отмывки фирмы Vigon при температуре 65 °С в течение часа. Диаметр столбиковых выводов измерялся автоматически с помощью микроскопа Planaris 500 и на основе полученных результатов вычислялась высота выводов. Проверка высоты выводов производилась лазерным профилометром «Cyberscan Vantage 3D», сканирующим электронным микроскопом, а также исследованием срезов выводов.

Анализ результатов

Параметры печати. Скорость печати поддерживалась равной 5-15 мм/с, давление на ракель шириной 250 мм составляло 3-4 кг. Такие параметры гарантировали надлежащее заполнение апертур при минимальном давлении ракеля. Скорость печати была выбрана, исходя из рекомендаций, приведенных в литературе. Для уменьшения растекания флюса и улучшения четкости границ рисунка была использована печать с прогибом (snap-off). Расстояние прогиба несколько различалось для паст типа 6 и 7, исходя из их поведения во время печати; максимальное расстояние прогиба составило 200 мкм.

Пасты типа 7 и 6 и их «поведение» при печати.

Согласно данным производителя паста типа 7 отличается большей вязкостью и адгезией, чем паста типа 6.

Эти свойства в сочетании с реологическим поведением каждой пасты оказывают существенное влияние на растекание пасты, процент ее выхода и осадку.

Использование пасты типа 7 позволяет достичь хорошего заполнения всех тестовых полей трафарета, а растекание пасты, хотя и сказывается отрицательно, однако благодаря большому углу наклона ракеля (60°) и правильно выбранной скорости печати не вызывает снижения качества печати. Несмотря на то, что заполнение апертур зависит от скатывания пасты, в случае очень тонких трафаретов степень заполнения апертур не является главной проблемой до тех пор, пока скорость печати остается малой, особенно для UFP-структур. Печать с прогибом оказалась необходимой для предотвращения растекания флюса, что бывает довольно часто при контактной печати на кремниевую пластину. Следует отметить, что само по себе растекание флюса могло бы не стать серьезным поводом для беспокойства, если бы не сопровождалось растеканием частиц пасты, создающим условия для образования мостиков припоя во время пайки.

Поля трафарета (толщина трафарета 30 мкм, удлиненные апертуры, шаг 100 мкм)

С другой стороны, при выборе расстояния прогиба необходимо помнить, что оно должно оставаться малым во избежание неодинакового выхода пасты в апертурах, а также повреждения апертур трафарета, особенно для UFP-печати. На рис. 3 показан выход пасты типа 7 на кремниевой пластине с использованием апертуры MF5. На вставке видно, что расстояние между отпечатками пасты составляет около 32 мкм. Печать с наложением (overprinting) – обычный метод формирования столбиковых выводов на кремниевой пластине, используемый для увеличения наносимого на нее количества пасты и оптимизации высоты выводов.

Рис. 3. Отпечатки пасты типа 7, нанесенные с шагом 100 мкм, на кремниевой пластине

Положительные результаты, полученные на участках со смещенными испытательными полями, показывают альтернативные пути повышения надежности сформированных выводов. Выход пасты типа 7 можно охарактеризовать как приемлемый, хотя и неполный. При исследовании трафаретов с помощью микроскопа было замечено, что паста задерживается в местах наибольшей кривизны стенок продолговатой апертуры. В дальнейшем это подтвердилось исследованием отпечатков пасты типа 7 с помощью сканирующего электронного микроскопа. Эти отпечатки – результат печати через апертуры поля MF5 и сушки при 100 °C в течение 15 минут. На рис. 4 показаны отпечатки пасты, нанесенные с шагом 100 мкм. Они имеют довольно четкие очертания. Ширина их составляет примерно 45 мкм, расстояние между ними 55 мкм, выход пасты – около 90%. Нехватка в 10% выхода пасты типа 7 может быть следствием ее высокой вязкости и клейкости, что подтверждается рядом публикаций. Обращает на себя внимание проблема выхода для мелкодисперсных паст, так как отношения линейных размеров и площадей для всех исследуемых апертур (см. табл.) превышают значения, рекомендуемые в литературе для трафаретов, изготовленных методом лазерной резки (1.5 для линейных размеров и 0.6 для площади). А для трафаретов, изготовленных методом гальванопластики и отличающихся увеличенным выходом пасты, рекомендованы еще меньшие значения отношений (1.1 и 0.5 соответственно). Такое несоответствие можно объяснить тем, что приведенные рекомендации были рассчитаны на применение паст со сравнительно большими частицами припоя. Для паст с частицами очень малого размера в свете последних исследований эти рекомендации должны быть пересмотрены.

 

Рис. 4. Контрольные отпечатки пасты типа 7, шаг 100 мкм, расстояние между отпечатками 55 мкм

Интересно то, что результаты настоящих исследований подтверждаются другими публикациями, касающимися процента выхода пасты для мелкодисперсных паст. Так, ранее проведенными исследованиями установлено, что процент выхода пасты типа 7 для апертур с отношением линейных размеров 0.6 существенно выше, чем с отношением 1.6. В опубликованных результатах настоящих исследований было показано, что для прямоугольной апертуры с отношением линейных размеров 1.3 наблюдался высокий процент выхода пасты типа 7. Отношение ширины апертуры к среднему диаметру частиц в настоящем исследовании составляло примерно 7.6 для пасты типа 7. При этом обеспечивалось равномерное заполнение, но это не гарантировало увеличения выхода пасты. Для каждого нового типа мелкодисперсных паст, вероятно, существует достаточно узкий диапазон технологических параметров, обеспечивающих оптимальный процент выхода пасты. Можно также сделать вывод, что для каждого случая необходима паста с частицами припоя определенного диаметра, зависящего скорее от размера и формы апертуры, чем от шага выводов.

Применение пасты типа 6 также дало хороший результат как для всех тестовых полей, так и для основного. Процент ее выхода оказался больше, чем пасты типа 7. Это можно объяснить не только меньшей ее вязкостью и клейкостью, но и тем, что отношение ширины апертуры к диаметру частиц припоя было равно 5, что является более характерным для паст типа 6.

Однако паста типа 6 имела повышенную скорость осадки по сравнению с пастой типа 7 из-за ее меньшей вязкости и иного реологического поведения. На рис. 5 показаны отпечатки пасты типа 6 после сушки при температуре 100 °С в течение 15 мин. Их размер составлял 128×53 мкм, с промежутком между ними около 30 мкм. Отпечатки имели менее четкие границы, чем при использовании пасты типа 7, из-за того, что паста типа 6 имеет большую склонность к растеканию.

Результаты оплавления и оценка высоты выводов. Оба вида паст были нанесены на кремниевую пластину и подвергнуты оплавлению. При этом для пасты типа 7 была обнаружена большая, чем для пас- ты типа 6, склонность к образованию шариков припоя. Можно предположить, что это происходит из-за окисления более мелких частиц припоя и его чувствительности к влаге. Кроме того, отдельные частицы припоя, вымытые растекающимся флюсом, образуют при оплавлении крошечные шарики, не соединенные с основной массой вывода, которые с большим трудом удаляются в процессе очистки (рис. 4 и 5).

Рис. 5. Контрольные отпечатки пасты типа 6, шаг 100 мкм, расстояние между отпечатками 30 мкм

Рис. 6. Статистика распределения высоты столбиковых выводов, изготовленных с применением паст типа 7 (а) и типа 6 (б)

При оценке результатов формирования выводов в тестовых полях было обнаружено некоторое уменьшение количества припоя в поле TF1 и случаи образования мостиков припоя в поле TF3 для обеих паст, но более часто эти явления возникали при применении пасты типа 6. В остальных тестовых полях и, что еще более важно, в поле MF5 обнаружены очень редкие случаи образования мостиков и некоторое уменьшение количества припоя, что влечет за собой появление разброса высоты выводов. Как было упомянуто, паста типа 6 имела больший процент выхода и худшие параметры осадки, чем паста типа 7. Поэтому высота выводов, образованных с использованием пасты типа 6, несколько больше, однако и риск образования мостиков припоя также выше.

Как подтвердили результаты измерений, высота выводов в тестовых полях при использовании пасты типа 6 находилась в пределах от 39 до 48 мкм, а для пасты типа 7 – от 39 до 44 мкм. Использование тестовых полей показало, что чередующееся расположение UFP-выводов может быть с успехом использовано для оптимизации их высоты. Было выполнено также автоматическое измерение диаметра всех 88 704 выводов на кремниевой пластине (за исключением 6336 выводов тестовых полей). После чего путем вычислений была определена высота выводов. В нее была также включена толщина слоя металлизации (2 мкм).

В итоге средняя высота выводов получилась равной 42.3±3.8 мкм для пасты типа 7 и 43.6±3.5 мкм для пасты типа 6. Как было упомянуто выше, наличие шариков припоя возле основания выводов, в особенности при использовании пасты типа 7, может немного завысить результаты автоматического оптического измерения диаметра выводов, из-за чего в результате вычисления могут получиться меньшие значения высоты выводов. На рис. 6 представлено статистическое распределение высоты выводов, расположенных в центральной области кремниевой пластины, где случаи возникновения шариков припоя возле вывода наиболее редки. Здесь прослеживается та же тенденция, которая видна из статистических данных по всей кремниевой пластине: высота выводов для паст типов 7 и 6 составляет 44.7±3 и 45.3±2.7 мкм соответственно. Несомненно, паста типа 6 с дальнейшей корректировкой ее вязкости и осадки может быть в ряде случаев предпочтительнее, чем паста типа 7, так как стоимость ее производства ниже.

Заключение

Проведенное исследование демонстрирует возможность создания выводов UFP-структур с шагом 100 мкм, используя пасты типа 7 и 6 и трафареты, выполненные методом гальванопластики. С помощью трафарета толщиной 30 мкм были созданы столбиковые выводы высотой 42.3±3.8 и 43.6±3.5 мкм с использованием паст типов 7 и 6 соответственно. Чередующиеся апертуры для периферийных UFP-выводов способствуют получению максимального объема наносимой пасты.

Исследование способствовало также пониманию различий в поведении мелкодисперсных паст. Использование пасты типа 6 является более предпочти- тельным для специальных трафаретов с размерами апертур 50×125 мкм, так как при этом обеспечивается лучший выход пасты. Хотя разброс высоты выводов довольно мал, использование пасты типа 6 может быть предпочтительнее, чем пасты типа 7, из-за ее меньшей стоимости и большей устойчивости к влиянию условий окружающей среды. Тем не менее, многообещающие результаты, полученные при исследовании пасты типа 7, открывают широкие перспективы ее дальнейшего применения для создания столбиковых UFP-выводов. Последующие исследования будут сосредоточены на сравнении бессвинцовых паст типа 6 и 7. Результаты настоящего исследования в области создания UFP-выводов для микросхем flip-chip будут способствовать продолжению тесного сотрудничества с изготовителями паст и трафаретов.