ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ МЕТОДОВ СБОРКИ МИКРОСХЕМ

19.06.2023 |

Термин МСМ (multichip module – многокристальный модуль) появился в середине 90-х годов как обо- значение технологии размещения нескольких кристаллов микросхем на общей подложке [1]. В то время активно разрабатывались новые виды подложек, расположение соединений в которых должно было обеспечить увеличение быстродействия микросхем. Со- временный корпус рассматривался как вспомогательный компонент микросхемы, обеспечивающий быстродействие в сочетании с минимальными габаритами и весом, для применения в изделиях, для которых минимальная стоимость не является решающим фактором. Поэтому за МСМ-технологией закрепилась репутация затратной, пригодной лишь для решения узкого круга задач.

Впоследствии, когда производители портативных устройств искали возможности уменьшения габаритов и веса своих изделий при одновременном повышении их быстродействия, преимущества МСМ-технологии вновь обратили на себя внимание. Совершенствование этой технологии привело к тому, что затраты на производство изделий при ее применении стали меньше, чем при изготовлении способом поверхностного монтажа.

Термин «die products» обозначает микросхемы, размеры которых определяются размерами кристалла. Он охватывает как микросхемы, изготовленные по новой технологии «wafer level packaging» (WLP), так и с применением широко используемых методов соединения: с помощью золотых проводников и технологии flip-chip.

Преимущества микросхем «die products»

Увеличение числа управляющих устройств в автомобильной электронике, вычислительной технике, системах передачи данных, изделиях военного назначения и бытовых устройствах вызвало потребность создания микросхем меньших габаритов, более высокой степени интеграции, производительности и надежности, c меньшими затратами на их изготовление.

Этим несколько противоречивым требованиям как нельзя более соответствуют микросхемы, обозначаемые, как «die products».

Малые габариты. Бесспорно, что бескорпусные или WLP кристаллы занимают наименьшую площадь на подложке. Численной мерой, применяемой для обозначения эффективности использования подложки, является отношение общей площади, занимаемой микросхемами, к площади печатной платы. Для мобильных телефонов, выпущенных до 2000 года, это отношение равно в среднем 0.17, а после 2000 года – 0.27. Это отношение может возрасти, т. к. в новых модификациях увеличивается доля микросхем «die products», в особенности бескорпусных микросхем, а также выполненных с пространственным расположением кристаллов.

Быстродействие. Микросхемы «die products» отличаются более короткой длиной соединительных проводников, что обеспечивает увеличение скорости распространения сигналов. Уменьшаются также значения активного сопротивления и паразитных параметров проводников. Расположение пассивных компонентов возле выводов кристалла способствует повышению его максимальной рабочей частоты.

Производство. При изготовлении микросхем «die products» используются проверенные технологии установки в корпус, при этом сокращаются затраты на создание производственной инфраструктуры. Эти микросхемы рассчитаны на использование в крупно- серийных портативных и беспроводных устройствах.

Общие расходы на изготовление изделий, в которых используются микросхемы «die products», невелики. Основные предпосылки сокращения расходов: уменьшение размеров подложки, упрощение монтажа, и, главное, более короткий период от начала раз- работки микросхемы до появления ее на рынке.

Надежность. Производители разработали мероприятия, обеспечивающие требуемую надежность микросхем при одновременном снижении общих рас- ходов на их производство. Все большая часть испытаний микросхем производится на этапе до разрезания кремниевой пластины.

Способы монтажа кристаллов на подложку

Chip-on-board (COB) – термин, обозначающий монтаж бескорпусных микросхем на подложку. Кристалл микросхемы приклеивают к плате и затем соединяют проводниками его выводы с площадками печатной платы. После этого кристалл защищают от механических воздействий с помощью компаунда (рис. 1).

Рис. 1. Монтаж микросхемы способом «chip-on-board» (на подложке может быть смонтировано несколько кристаллов, а также пассивные компоненты)

Такая технология широко используется в течение нескольких лет. Главное ее преимущество – простота. Она может быть легко интегрирована в технологический процесс поверхностного монтажа SMD-компонентов.

Direct chip attach (DCA). Способы монтажа, при которых выводы микросхемы используются как для механического крепления ее к подложке, так и для электрического соединения с ней, обозначают термином «direct chip attach» или DCA. При этом кристалл монтируется в перевернутом положении (flip-chip).

Существует много способов монтажа кристаллов flip-chip [2]. Те из них, в которых используется пайка, мо- гут быть легко интегрированы в процесс поверхностного монтажа.

Монтаж кристаллов в перевернутом положении имеет ряд преимуществ, основным из которых является то, что выводы кристалла не должны располагаться по его периметру. Наиболее распространено расположение выводов в виде матрицы. Это позволяет улучшить подвод питающих напряжений, увеличить быстродействие микросхемы, а также несколько увеличить допуски на шаг выводов, что облегчает монтаж. В настоящее время широко используются две технологии монтажа: пайкой и приклеиванием кристалла.

На рис. 2 показана зависимость максимального числа располагаемых на кристалле выводов от длины стороны кристалла квадратной формы для разных значений шага между выводами и различных конфигураций их расположения.

Рис. 2. Максимально возможное число выводов микросхемы flip-chip в зависимости от размера стороны кристалла (квадратной формы) при разных способах их расположения

Монтаж с помощью пайки. Разработанная фирмой IBM технология предусматривает формирование

на поверхности кристалла столбиковых выводов из припоя с высокой температурой плавления и припаивание их к покрытым низкотемпературным припоем площадкам подложки (рис. 3). Другой разновидностью этой технологии является формирование столбиковых выводов из низкотемпературного припоя и припаивание их к подложке.

Рис. 3. Монтаж микросхем flip-chip с выводами из высокотемпературного припоя

Монтаж с помощью клея. Эта технология в настоящее время используется наиболее часто. Существует несколько ее разновидностей. Одна из них предусматривает применение непроводящего клея для крепления кристалла и создания непосредственного контакта столбиковых выводов кристалла с площадками подложки. Одновременно клей выполняет функции герметизирующего вещества и недоливка, уменьшая влияние механических напряжений, возникающих при изменении температуры вследствие различных коэффициентов линейного расширения кристалла и подложки.

Другой разновидностью технологии является применение анизотропных проводящих клеев, представляющих собой смесь проводящих частиц и термореактивного клея (рис. 4). Они обеспечивают как механическую связь кристалла с подложкой, так и их электрическое соединение.

Рис. 4. Монтаж микросхемы flip-chip с помощью клея

Монтаж при помощи клея имеет ряд преимуществ.

Шаг выводов микросхемы в этом случае может быть меньше, чем при пайке. Операция чистки может выполняться не так тщательно. Исключается операция лужения площадок подложки, отсутствует необходимость применения припоя. Для создания столбиковых выводов может быть использовано то же оборудование и технология, что и при СОВ-технологии. Выводы на поверхности кристалла формируют с помощью термокомпрессии и ультразвука. После выравнивания их по высоте кристалл готов к монтажу.

Wafer level packaging (WLP). Технология WLP предполагает, что формирование выводов и тестирование микросхем осуществляется до резки кремниевой пластины. Сформированные по этой технологии выводы имеют больший диаметр и шаг между ними, чем в микросхемах flip-chip. Это уменьшает действие сил, возникающих при изменении температуры, а также облегчает монтаж кристаллов на стандартных линиях поверхностного монтажа.

Внедрение технологии WLP было вызвано необходимостью достижения функциональности и плотности расположения кристаллов, характерных для по- явившихся в конце 90-х годов микросхем, известных как CSP (Chip Scale Package).

Одной из причин развития технологий WLP и CSP было стремление изготовителей микросхем отказаться от использования недоливка. Кроме упомянутой выше компенсации механических напряжений недоливок служит амортизатором для кристаллов микросхем, испытывающих ударные нагрузки. Кристаллы малых размеров, изготовленные по технологиям WLP и CSP, более устойчивы к механическим нагрузкам, поэтому необходимость в недоливке снижается.

Многокристальные модули (МСМ – multichip module или МСР – multichip package). Это, как правило, микросхемы частного применения, содержащие де- сятки и сотни компонентов и имеющие большие габариты и высокую плотность расположения кристаллов.

Системы в корпусе (SIP – system in a package).

В 90-х годах прошлого столетия появились новые микросхемы, заменившие многокристальные модули.

Они содержали кристаллы различного назначения (к примеру, процессор, память и специализированные логические схемы), смонтированные на общей подложке. Такие микросхемы получили название «системы в корпусе» в силу своей функциональной идентичности с системами на кристалле. По внешнему виду и способу монтажа они не отличаются от микросхем в корпусе BGA. Микросхемы SIP привлекают разработчиков портативных устройств несколькими преимуществами. Приводим некоторые из них:

  • кристаллы различных габаритов, способов изготовления и монтажа объединены в функциональном модуле, в результате чего потребители полу- чают лучшие компоненты по минимальной цене
  • в корпусе микросхемы могут быть размещены пассивные компоненты, антенны, фильтры, экраны и др., что уменьшает уровень паразитных излучений, улучшает экранирование и увеличивает быстродействие микросхемы
  • сокращается срок модернизации микросхемы, выполняемой путем замены отдельных кристаллов.

Микросхемы с пространственным расположением кристаллов. Наивысшая плотность размещения кристаллов достигается в микросхемах с пространственным расположением кристаллов (т. наз. 3-D-микросхемах). Впервые они были использованы в 1999 году в мобильных телефонах. В них микросхемы флэш-памяти и SRAM были расположены одна над другой, что позволило увеличить емкость памяти без увеличения занимаемой площади. Если при монтаже бескорпусной микросхемы коэффициент использования площади подложки составляет 100 %, то при пространственном расположении нескольких кристаллов он может быть в несколько раз больше. Кроме того, современные технологии получения кристаллов минимальной толщины позволяют получить толщину многокристальной 3-D-микросхемы меньше, чем однокристальной, изготовленной по традиционной технологии.

Технология производства 3-D-микросхем позволяет совмещать в одном корпусе кристаллы различного назначения и различных габаритов, используя различные способы монтажа. Вместе с кристаллами можно монтировать пассивные компоненты, получая в результате проверенный функциональный узел минимальных габаритов с отличными характеристиками.

Заключение. Технология многокристальных модулей, разработанная в 90-е годы XX века, была первоначально ориентирована на применение в аэрокосмической отрасли и вычислительной технике, где высокие производственные затраты не являлись препятствием ее использования. Однако, со временем эта технология завоевала популярность и среди производителей портативной бытовой электроники. Преимущества технологии МСМ следующие:

  • в одном корпусе могут быть объединены кристаллы различного функционального назначения и способа изготовления
  • сроки выхода изделий на рынок могут быть сокращены вследствие применения в одном корпусе кристаллов апробированных компонентов
  • предварительный монтаж кристаллов может выполняться по различным технологиям, чем упрощается и удешевляется окончательный монтаж
  • сокращаются производственные затраты вследствие экономии материала подложки и вспомогательных материалов, необходимых для монтажа, а также упрощения операций тестирования микросхем.