О некоторых технологических проблемах изготовления микросхем

Требование исключения свинца из электронных устройств создало ряд проблем разработчикам и изготовителям микросхем. Некоторые из них описаны в настоящей статье.

А. Мельниченко

В настоящее время можно выделить две основные проблемы микроэлектронной промышленности: пер­вую — необходимость исключения токсических веществ (в частности, свинца) из припоев и покрытий, вторую — повышение требований к свойствам герметизирующих составов (таких как материалы для производства кор­пусов) в результате появления более сложных схем с увеличенной плотностью размещения элементов.

Первая проблема широко обсуждается, поскольку Европейским Сообществом накладываются ограни­чения на использование свинца во всех областях электроники не только в Европе, но и во всем мире. О второй, возможно, так широко не говорят, но она является не менее острой для электронной промыш­ленности. В самом деле, если срок, который остается до вступления в силу ограничений на использование свинца (1 июля 2006 г.), мы можем указать точно, то уровень, на который поднимется искусство разработ­ки компонентов через несколько лет, нам совершенно неизвестен.

Ниже рассматриваются некоторые из последних требований к материалам, применяемым для изготов­ления микросхем, и способы решения этих проблем.

Бессвинцовая технология, flip—chip микросхемы и low—k диэлектрики

В настоящее время основными тенденциями в производстве изделий электроники являются их ми­ниатюризация и повышение быстродействия без уменьшения надежности и увеличения себестоимос­ти. Одной из ключевых технологий, позволяющей ре­ализовать эти возможности, является технология flip­chip, обеспечивающая наиболее короткую длину про­водников и наивысшую плотность соединений при минимальных размерах корпуса, как показано на ри­сунке. Однако, применение бессвинцовых припоев и покрытий в сочетании с возрастающей плотностью размещения элементов микросхем создает много проблем производителям материалов для изготовле­ния flip-chip микросхем, так как повышение температуры пайки и новые методы поверхностной обработки приводят к более высокому проценту брака.

Корпус flip-chip современной микросхемы

Учитывая то, что бессвинцовые сплавы отличаются повышенными хрупкостью и температурой пайки, их применение в микросхемах flip-chip может вызвать об­рыв соединительных проводников — проблема, кото­рая с ростом популярности микросхем copper/low-k (с медными проводниками и диэлектриками с малой ди­электрической проницаемостью) лишь усугубляется.

Преимущества микросхем copper/low-k очевидны: медь характеризуется лучшей проводимостью и поз­воляет увеличить скорость передачи сигналов при меньшем шаге выводов микросхем. Однако при малых размерах микросхема становится менее прочной из- за применения low-k диэлектриков, для которых харак­терно более слабое сцепление между диэлектричес­кими и металлическими слоями кремниевого кристал­ла, а также меньшая сопротивляемость излому. Для повышения надежности микросхем в корпусе BGA пространство между кристаллом ИМС и ее подложкой заполняется недоливком.

Недоливок

Недоливок — вещество, заполняющее промежуток между кристаллом микросхемы и ее подложкой. Он служит для того, чтобы, во-первых, при механических воздействиях (толчках, ударах и др.) уменьшить наг­рузку на столбиковые выводы, которыми кристалл со­единяется с подложкой, повысив таким образом прочность и надежность микросхемы. Во-вторых, он обеспечивает передачу тепла, выделяемого кристал­лом в процессе работы, на подложку, уменьшая тем самым разность температур между ними, а, следова­тельно, и вероятность возникновения дефектов, выз­ванных разницей температурных коэффициентов расширения материалов кристалла и подложки.

Оптимизация состава недоливка

По крайней мере половина механических напряже­ний, действующих на кристалл микросхемы при отве­рждении материала корпуса, возникает не из-за физи­ческих свойств этого материала, а из-за его химической усадки. В прежнее время из-за несовершенства соста­ва недоливка возникали значительные механические напряжения, снижающие надежность микросхем. Значения таких параметров недоливка, как усадка, ко­эффициент теплового расширения и модуль упругости, необходимо было уменьшать. Некоторые из них явля­ются взаимоисключающими, например, малый коэф­фициент теплового расширения и малый модуль упру­гости. Поэтому эти параметры необходимо выбирать из условий компромисса. Появившиеся в последнее вре­мя полимерные составы, дающие при отверждении ма­лую химическую усадку, а также наполнители с лучшими свойствами позволили уменьшить механические нап­ряжения, действующие на кристалл, в результате чего была повышена надежность микросхем.

Влияние остатков флюса на адгезию недоливка

Взаимодействие между флюсом и недоливком яв­ляется важным фактором, влияющим на долговре­менную надежность flip-chip микросхем. Если про­цесс пайки выполнен правильно, то отсутствуют ос­татки флюса или их количество мало, что обеспечива­ет надежную работу электроники, сохранение высо­кого поверхностного сопротивления изоляции и иск­лючение явления электрохимической миграции. Од­нако тонкие пленки флюса на столбиковых выводах, подложке или кристалле могут значительно умень­шить сцепление между недоливком и граничащими с ним поверхностями.

Во вновь разрабатываемых корпусах с меньшими зазорами между выводами и большей плотностью их расположения могут также возникнуть проблемы при использовании флюса. Остатки флюса в промежутках между выводами или между кристаллом и подложкой могут затруднить процесс заполнения этих промежут­ков недоливком или привести к образованию воздуш­ных каверн.

Несмотря на то, что пайка микросхем flip-chip вы­полняется в атмосфере азота, более высокие темпе­ратуры пайки, необходимые для бессвинцовых припо­ев, лишь обостряют эти проблемы, так как свойства остатков флюса существенно меняются. И если изде­лие, содержащее недоливок, подвергается воздей­ствию теплового удара, влажности или других факторов окружающей среды, может произойти отслоение недоливка от контактирующей с ним поверхности. Роль недоливка — обеспечение надежного механиче­ского соединения кристалла с подложкой, а, значит, уменьшения величины механических напряжений в па­яном соединении в этом случае уменьшается, в ре­зультате чего в соединении быстрее нарастает меха­ническая усталость, которая может привести к отказу. Воспрепятствовать этому можно лишь одним спосо­бом, введя в состав недоливка очищающий реагент, например, хайсол (Hysol). С его помощью можно уда­лить остатки флюса вокруг паяного соединения (т.е. именно там, где важно обеспечить хорошую адгезию) и рассредоточить их по большей части недоливка.

Применение готового набора материалов

В настоящее время все большее число клиентов желает иметь готовый набор материалов для произ­водства микросхем, так как у многих из них отсут­ствует возможность моделирования и изготовления прототипа. В этот набор входят: пастообразный флюс, паяльная паста, недоливок и компаунд для прессова­ния. Возможность приобретения оптимально подоб­ранного набора материалов способствует сокраще­нию цикла разработки микросхем и уменьшению зат­рат при их производстве.

Прогресс в технологии монтажа порождает и но­вые проблемы, такие, например, как оптимизация движения ракеля для исключения образования воз­душных каверн позади столбиковых выводов при на­несении паяльной пасты и ряд других.

Заключение

С учетом вышеизложенного можно сделать вывод, что в настоящее время изготовителям электронных изделий необходимы следующие материалы:

• недоливки с малым коэффициентом усадки и тем­пературным коэффициентом расширения, наибо­лее близким к температурному коэффициенту столбиковых выводов
• совместимые с флюсом недоливки, уменьшаю­щие риск их отслаивания или образования в них пустот из-за загрязнения остатками флюса
• наборы совместимых друг с другом материалов, позволяющих сократить сроки и стоимость разра­ботки
• практические решения, позволяющие облегчить применение недоливка и повысить скорость мон­тажа кристаллов микросхем.

Что же будет через несколько лет? Это уже другая история, но одно можно утверждать почти наверняка: если за прошедшее пятилетие в микроэлектронике произошел ряд значительных изменений, то в течение последующих пяти лет можно ожидать появления как неизвестных сегодня технологических процессов, так и новых способов повышения их надежности и рента­бельности.