Технология создания массива выводов на кремниевой пластине

Необходимость новых технологических реше­ний, помогающих с малыми затратами созда­вать микросхемы в современных корпусах, всег­да остается актуальной. В статье приведено крат­кое описание предложенной фирмой DEK новой технологии создания массива столбиковых выво­дов на кремниевой пластине.

А. Мельниченко

Большой популярностью у потребителей элект­ронных компонентов пользуются микросхемы в со­временных корпусах, таких как flip-chip, некоторые варианты CSP (Chip Scale Package) и SIP (System in Package). Высокая степень миниатюризации этих микросхем сочетается с превосходными электричес­кими параметрами. Эти микросхемы широко исполь­зуются в системах широкополосной передачи дан­ных, таких как Gigabit и 10G Ethernet, а также 3G mo­bile. Микросхемы в корпусах SIP по сравнению с SoC (System on Chip) отличаются большей гибкостью, меньшей стоимостью, возможностью модернизации и способностью поддержки смешанных технологий.

Однако производители компонентов испытывают недостаток в новых технологических процессах для создания микросхем с матричным расположением выводов, число которых может достигать нескольких сотен. Конечной целью, как и прежде, является повы­шение их быстродействия, увеличение выхода годных и снижение производственных затрат.

Для решения этих проблем компания DEK разра­ботала новую технологию создания столбиковых вы­водов на кремниевой пластине с шагом менее 200 мкм. Оборудование, в котором используется эта технология, имеет высокую производительность, ма­лые габариты и сравнительно небольшую стоимость. Помимо этого, данная технология обеспечивает ста­бильный результат при изменении условий окружаю­щей среды, отличается малым расходом энергии и малым количеством отходов.

Сейчас новая технология, получившая название “high accuracy mass imaging”, должна доказать, что она пригодна для решения проблем, возникающих при изготовлении современных корпусов электрон­ных компонентов. В скором времени для микросхем в корпусе CSP потребуется создавать соединения с шагом даже менее 150 мкм, поэтому существующие правила изготовления трафаретов должны быть пересмотрены. Некоторые технологические проблемы стали ощутимыми уже при переходе к бессвинцовой технологии поверхностного монтажа и неизвестно, как они проявятся на кремниевой пластине.

Благодаря своим преимуществам новая техноло­гия уже используется некоторыми крупными произво­дителями компонентов, однако ее возможности раск­рыты далеко не полностью.

Время перемен. В технологии “high accuracy mass imaging” применительно к кремниевой пластине использованы последние достижения в трафаретной печати, позволяющей за короткое время создать на кремниевой пластине большое число выводов, рас­положенных в виде матрицы. Можно выделить следу­ющие три особенности этой технологии:

• использование печатной головки, позволяющей достичь гораздо лучшей повторяемости объема наносимой паяльной пасты, чем это необходимо при обычном монтаже SMT-компонентов
• использование трафаретов, изготовленных мето­дом гальванопластики, с высокой точностью и стабильностью размеров апертур и отличным вы­ходом пасты
• использование линейных электродвигателей и датчиков положения с высокой разрешающей способностью, что обеспечивает достаточную точность позиционирования при печати на крем­ниевую пластину.

Фирма DEK как первый поставщик оборудования, в котором использована новая технология, внесла ряд усовершенствований в процесс создания столбико­вых выводов. Разработанный ею способ нанесения флюса отличается большей скоростью, точностью и повторяемостью. Новая технология также отличается большей гибкостью. К примеру, имеется возможность нанесения флюса, паяльной пасты или порошкообраз­ного припоя не только на кремниевые пластины, но и на отдельные или установленные в кассете подложки.

В последнее время разработано вспомогательное технологическое оборудование, такое как новые сис­темы очистки трафарета для применения в особо чис­тых помещениях, а также новые конструкции пол­ностью закрытых печатающих головок. Головки отли­чаются очень низкими потерями, что особенно важно при применении дорогостоящих паяльных паст, ис­пользуемых для создания столбиковых выводов с весьма малым шагом между ними.

Для того чтобы в полной мере использовать пре­имущества новой технологии, должны быть разрабо­таны руководящие материалы для каждой области ее применения, а также требования к характеристи­кам паяльных паст. Необходимы также инструкции для применения специального оборудования и ма­териалов.

Чтобы получить столбиковые выводы высотой 80­150 мкм при шаге 150-500 мкм (рис. 1), используется способ трафаретной печати с наложением, называе­мый “overprinting”. Разработка применяемого для этой цели трафарета должна выполняться в строгом соответствии с правилами. Также особое внимание необходимо обратить на площадки под выводы, пло­щадь которых должна быть достаточной для созда­ния необходимой силы сцепления с материалом вы­водов. От размеров площадок также зависит объем припоя, необходимого для создания выводов задан­ной высоты.

Рис. 1. Столбиковые выводы на кремниевой пластине, полученные оплавлением пасты, нанесенной методом трафаретной печати с наложением

Размеры выводов зависят также от площади сма­чиваемого припоем участка площадки. Форма выво­дов зависит не столько от геометрии площадки, сколько от формы протравленной на ее поверхности области.

Если пропустить через паяльную печь островок пасты, нанесенный через апертуру размерами 6×19 и высотой 3 мил (1 мил=25.4 мкм), то в результате по­лучается сферический вывод диаметром 6 и высотой 5 мил. Таким способом можно создавать выводы с минимальным шагом 200 мкм по всей поверхности кристалла и 150 мкм – возле его краев.

Технологические проблемы и пути их реше­ния. С уменьшением шага между выводами и соотве­тственно объема выводов все большее значение при­обретает повторяемость объема наносимой паяльной пасты. Этот объем, в свою очередь, зависит от двух факторов: полноты заполнения апертуры и оптимиза­ции выхода пасты. Для увеличения выхода пасты, на­носимой на кремниевую пластину, была разработана новая технология.

Стабильность процесса отделения трафарета яв­ляется главным условием достижения повторяемости параметров столбиковых выводов с шагом 150 мкм. Исследуя процесс отделения трафарета, инженеры фирмы DEK обнаружили, что он начинается от его краев и завершается в центре, где скорость отделе­ния максимальна, а условия оптимального выхода пасты хуже. Учитывая это, фирма DEK разработала систему поддержания оптимального натяжения тра­фарета, введя в нее совершенно новый метод отделе­ния трафарета от подложки (рис. 2). Для обеспечения работы системы необходимо наличие воздушной ма­гистрали повышенного давления, как правило, имею­щейся на предприятии.

Рис. 2. Применение эффекта “отслаивания” при отделении трафарета для улучшения выхода пасты

Особенности перехода к бессвинцовым при­поям. Новая технология должна быть применима и в условиях перехода к бессвинцовым припоям. Бес- свинцовые пасты по вязкости отличны от оловянно- свинцовых.

Разработчики технологий монтажа SMT-компо­нентов уже осознали, что параметры процесса трафа­ретной печати при переходе к бессвинцовым пастам необходимо несколько корректировать. То же касает­ся и нанесения паст на кремниевые пластины, когда более высокая вязкость новых паст и повышенное со­держание в них припоя оказывают влияние на запол­нение апертур, процент выхода пасты и усадку ее во время оплавления. С течением времени это должно быть отражено и в руководящих документах, опреде­ляющих размеры апертур и площадок. Исследования показали, что скорость отделения трафарета в случае применения бессвинцовых паст имеет большее зна­чение, чем при использовании оловянно-свинцовых.

Повышенное содержание припоя в бессвинцовых пастах обуславливает их меньшую усадку при оплавлении. Этот факт должен учитываться при определе­нии объема пасты, необходимой для создания выво­дов требуемой высоты, и, как следствие, размеров апертур и площадок. Кроме того, бессвинцовые пас­ты отличаются меньшей смачивающей способностью, вследствие чего они не так активно растекаются по площадке. Поэтому небольшие неточности в положе­нии трафарета относительно кремниевой пластины, отклонения в размерах апертур и другие дефекты, ко­торые прежде компенсировались высокой смачиваю­щей способностью оловянно-свинцовых припоев, в случае применения бессвинцовых припоев могут при­вести к увеличению процента брака.

Следует также отметить, что из-за более высокого содержания олова и наличия серебра бессвинцовые пасты дороже оловянно-свинцовых. Это является еще одним аргументом в пользу применения новой печатной головки, отличающейся высокой экономич­ностью при нанесении пасты. Такие головки уже хоро­шо зарекомендовали себя, примером чему может служить малообъемная головка “ProFlow”, используе­мая при изготовлении переходных отверстий в пла­тах. Скорее всего, подобная технология будет ис­пользоваться и для создания бессвинцовых столби­ковых выводов на кремниевой пластине.

Заключение

Непрерывное повышение требований к компонен­там приводит к необходимости их усложнения с одовременным увеличением числа выводов и умень­шением шага между ними. Применение технологии “high accuracy mass imaging” позволяет ускорить и удешевить процесс трафаретной печати, используе­мый при изготовлении микросхем в современных корпусах.

В дальнейшем разработка новых методов, имею­щих целью увеличить повторяемость технологических операций при нанесении очень малых объемов пасты, позволит изготавливать большие партии микросхем в корпусах следующего поколения с приемлемой стои­мостью.