Оборудование для монтажа кристаллов реферат

Обновлено: 05.07.2024

"Остек-ЭК" ― подразделение группы компаний ОСТЕК . Мы внедряем новейшие технологии для предприятий, специализирующихся на производстве электронных компонентов (сборочное производство и производство полупроводников).

Спекание (синтеринг, от англ. sintering) серебра (Ag) — перспективный метод для создания бессвинцового соединения, обеспечивающего более высокие рабочую температуру, теплопроводность и электропроводность, чем у припойных паст и других материалов из бессвинцовых сплавов. В полупроводниковых силовых модулях материал для монтажа кристаллов на диэлектрическую подложку играет существенную роль.

В статье мы обсудим:

Современные материалы, применяемые в производстве силовых элементов.
Примеры спекания частиц Ag при низком давлении на медной (Cu) подложке, на кристалле карбида кремния (SiС) и между ними.
Процесс монтажа кристаллов с помощью синтеринга для серийного производства силовых модулей и дадим оценку его качества.
А также мы представим оборудование, необходимое для синтеринга и оценки качества процесса.

01 Синтеринг

Спекание способно успешно заменить пайку во многих практических применениях, обеспечивая при этом гораздо более высокую и долговременную стабильность рабочих характеристик.

Буквально за последнее десятилетие появилось несколько технологий монтажа кристаллов для сборки надежных высокотемпературных силовых модулей (температура p-n-перехода свыше 175 °C). Некоторые из них основываются на применении дорогостоящих золотых припоев, таких как золото-германий (AuGe) и хорошо известный золото-олово (AuSn), другие используют силы Ван-дер-Ваальса, третьи делают ставку на сплавы и припои олово-сурьма (SnSb) с повышенным содержанием Sb.

В целом выбор пал на проверенные и надежные материалы, это вызвано тем, что внедрение и коммерциализация любой новой технологии является сложным процессом и надежнее стартовать с готовыми наработками. Ag используется для монтажа полупроводниковых кристаллов с 90‑х годов прошлого века, а высокая надежность Ag-соединений и их хорошие электромеханические свойства были известны еще раньше. Однако широкому применению препятствовала необходимость использования специального оборудования и низкая пригодность для массового производства по причине высокой температуры плавления Ag. Поэтому технология синтеринга не одно десятилетие исследовалась и обсуждалась на международных конференциях задолго до внедрения в производство.

Увеличение энергоэффективности требует повышения скоростей преобразования электроэнергии при хорошей устойчивости к высокому напряжению и применения материалов с высокой коммутационной способностью. Силовые элементы на основе материалов с широкой запрещенной зоной (WBG — Wide Band Gap), таких как нитрид галлия (GaN) и карбид кремния (SiC), были исследованы на предмет уменьшения размеров и повышения эффективности преобразования энергии¹. В первую очередь это вызвано тем, что материалы с WBG обладают высокой электроизоляцией и отлично подходят для повышения эффективности силовых модулей (рис 1). WBG обеспечивает работу силовых модулей при температурах свыше 250 °C², но возникают проблемы в соединении между кристаллом и подложкой, необходимо обеспечить прочность, высокую электро- и теплопроводность.

· соединение контактных площадок на кристалле с выводами корпуса.

Есть два способа крепления кристалла – это соединение припоем или эпоксидным клеем. Для соединения припоем на основание корпуса необходимо нанести тонкий слой металла. Обратная сторона кристалла должна быть свободной от диэлектриков. Тонкая фольга из припоя помещается между кристаллом и основанием корпуса. В качестве припоя часто используется эвтектический сплав золото - кремний с температурой плавления 370°С. Температура припайки кристалла должна быть выше температур последующих операций. Кремний с кристалла частично растворяется в жидком припое и при охлаждении крепко соединяется с основанием. Припой обеспечивает наилучший теплоотвод от кристалла к корпусу. Однако припой очень жесткий и неэластичный. Термомеханические напряжения в структуре, вызванные разностью коэффициентов температурного расширения кристалла и основания корпуса, могут порождать дефекты в кремнии вплоть до раскола кристалла. Кристаллы относительно больших размеров (более 3 мм) обычно соединяют с основанием корпуса эпоксидным клеем с мелкодисперсным наполнителем. Наполнитель повышает теплопроводность клея и улучшает его механические свойства. В качестве наполнителя обычно используют серебро или окись кремния. Эластичный клей сохраняет единство конструкции микросхемы даже при больших термомеханических смещениях кристалла и основания. Теплопроводность клея в 10¸20 раз меньше, а модуль упругости в 30 раз меньше, чем у припоя. Температура полимеризации клея лежит в диапазоне 125¸175°С. Однако клеевое соединение выдерживает и более высокие температуры при последующих технологических операциях.

Наиболее распространенный способ соединения контактных площадок кристалла с выводами корпуса – это сварка проволокой. Широко распространенная ранее сварка золотой проволокой постепенно заменяется алюминиевой. Причина этого – самопроизвольный синтез интерметаллических соединений в контакте золота с алюминием и их кристаллизация. Поликристаллическая прослойка в контакте нарушает его механическую прочность, увеличивает сопротивление и снижает надежность. Основной метод сварки алюминиевой проволокой – ультразвуковой. Вибрация инструмента передается материалам проволоки и контактной площадки. Окислы разрушаются, а материал проволоки под действием нагрузки течет. Свежие поверхности площадки и проволоки прочно свариваются.

Второй способ соединения площадок кристалла и выводов корпуса – это использование фольгированного полиимидного носителя. Для каждой микросхемы необходимо изготовить специальный полиимидный носитель. Соединительные проводники вытравливаются в металлической фольге на полиимидной пленке. Сама пленка вытравливается в местах сварки. Носитель автоматически совмещается с кристаллом и корпусом так, что оголенные концы проводников совпадают со сварочными площадками на кристалле и в корпусе. Ультразвуковой инструмент по очереди обрабатывает сварочные соединения. При использовании носителя повышается производительность процесса, что очень важно для микросхем с большим числом выводов (более 100).

Третий способ соединения площадок на кристалле и выводов корпуса вообще не предполагает крепления кристалла на основание. Это способ перевернутого кристалла. Для этого на контактных площадках кристалла формируются шарики припоя. Процесс начинается с последовательного напыления хрома, меди и золота на все контактные площадки на пластине. Напыление ведется через металлическую маску. Слой припоя (свинец - олово) можно напылять через маску и осаждать гальванически. Отжиг структуры проводится в вакуумной камере, где пленка припоя благодаря силам поверхностного натяжения собирается в выпуклую каплю. Для монтажа в корпус необходимо, чтобы металлизированные площадки на основании совпадали с площадками на кристалле. Монтаж кристаллов ведется при температуре плавления припоя. Это самый высокопроизводительный способ сборки микросхем. Однако у него есть и недостатки. Экономически он оправдан только тогда, когда выпуск изделий ведется миллионами штук в месяц. Для каждого типа изделия требуется своя модификация корпуса с индивидуальным размещением внутренних площадок. Теплоотвод от кристалла к основанию корпуса возможен только через капли припоя, что явно недостаточно. Поэтому теплорастекатель монтируется дополнительно. Теплорастекатель может крепиться к основанию корпуса или быть внешним по отношению к микросхеме. В этом случае кристалл изолируется от воздействия внешней среды заливкой по периметру органическим герметиком. Теплорастекатель механически крепится к основанию и прижимается к обратной стороне кристалла через теплопроводную пасту, содержащую серебро. Этот способ распространен при сборке микропроцессоров с большим числом выводов.

Различные варианты реализации кристаллодержателей типа BGA и CSP приведены на рис. 17.10 и 17.11. Преимущества кристаллодержателей типа BGA (см. рис. 17.10)по сравнению с PGA – эффективное использование знакоместа на КП; улучшенное исполнение в отношении тепловых и электрофизических показателей; уменьшенная толщина корпуса; лучшая ремонтопригодность. Несмотря на то, что разработано множество конструкторско-технологических вариантов корпусов BGA (для применения их в ЭУ самого разного назначения), их конструкции и технологии постоянно совершенствуются в направлении не только уменьшения массогабаритных показателей, но и повышения функциональных возможностей размещаемых в них СБИС (УБИС), причем для этого используются самые разные конструкторско-технологические методы (от уменьшения шага шариковых выводов и увеличения слоев коммутации платы-носителя до трехмерной интеграции, реализуемой различными способами) [3, 15, 16].

Рис. 17.10.Варианты реализации кристаллодержателей типа BGA с матричными шариковыми (или столбиковыми) выводами: а – варианты расположения выводов по донной части корпуса (слева направо) соответственно полноматричное, матричное по периметру (прореженная матрица), полноматричное в шахматном порядке, с прореженной матрицей шариковых выводов и теплоотводящей площадкой; б, в – корпус PBGA (в сечении) соответственно с двух- и четырех- уровневой разводкой коммутации; г – общий вид корпуса PBGA; д –корпус TEPBGA (в сечении) с улучшенным теплоотводом; е – корпус EBGA (в сечении) с улучшенными тепловыми и электрическими характеристиками (за счет усиленного теплоотвода в структуре и наружных деталях конструкции).

Рис. 17.10. (окончание).Варианты реализации кристаллодержателей типа BGA с матричными шариковыми (или столбиковыми) выводами: ж, з – корпуса TSBGA (в сечении) подобны EBGA (но отличаются использованием полиимидной платы-носителя коммутации с теплоотводящим слоем и в случае ж – отсутствием переходных отверстий); и, к –соответственно корпус TBGA (в сечении) и его внешний вид, отличается от TSBGA использованием TAB - технологии; л, м – соответственно корпус FCBGA (в сечении) и его внешний вид, отличается от TBGA использованием flip-chip - технологии. 1 – внешние шариковые выводы; 2 – медная коммутация; 3 – золотые проволочные выводы; 4 – эпоксисодержащий полимер; 5 – конформное покрытие; 6 – стеклотекстолитовая плата - носитель коммутации; 7 – переходные отверстия; 8 – шина питания; 9 – шина заземления; 10 – металлизация боковых стенок; 11 – кристалл (СБИС, УБИС); 12 – теплоотводящий слой; 13 – полиимидная пленка; 14 – адгезив; 15 – медная пластина (теплоотвод); 16 – термокомпенсирующий слой; 17 – ленточный вывод; 18 – шариковые выводы (внутренний монтаж методом flip-chip); 19 – высокотеплопроводящий адгезив.

Рис. 17.11. Варианты реализации кристаллодержателей типа CSP: а, б – сечение и внешний вид первых корпусов CSP с выводными площадками; в, г – сечение и внешний вид одного из вариантов Easy BGA/CSP с матричными шариковыми выводами; д – сечение корпуса SCSP стапелированной конструкции (2DCSP) с матричными шариковыми выводами; е – сечение корпуса микро - BGA/CSP (μBGA/CSP) с матричными шариковыми выводами. 1 – кристалл БИС (СБИС, УБИС); 2 – герметик (эпоксикремнийорганический); 3 – шариковый вывод; 4 – гибкая или жесткая плата (в том числе с многослойной разводкой коммутации); 5 – проволочный вывод; 6 – эластомерный слой; 7 – внешние выводные площадки; 8 – клеевая прослойка

8.ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ АВТОМАТИЗАЦИИ СБОРОЧНЫХ ОПЕРАЦИЙ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ.

Cборочные операции в производстве изделий в микроэлектронике занимают место между комплексом операций по созданию структур на полупроводниковой пластине и операциями по окончательному корпусированию изделий, образуя с последними комплекс финишных операций.

Технология сборки предполагает обработку индивидуальных кристаллов, имеющих следующие параметры:

• размер от 0,2×0,2 мм до 22×22 мм — с соотношением сторон от 1×1 до 1×40;

• размер контактных площадок для присоединения к внешним выводам от 40×40 мкм до 100×100 мкм с минимальным шагом 50 мкм, число контактных площадок достигает 1000;

• толщина от 80 до 1000 мкм;

• диаметр проводников из золотой или алюминиевой проволоки от 17 до 500 мкм.

Это определяет высокую удельную трудоемкость сборочных операций в общем технологическом цикле производства изделий микроэлектроники и, следовательно, требования большой производительности и высокой точности при максимальной автоматизации процессов сборки.

В техпроцессе можно выделить следующие основные сборочные операции:

Каждый кристалл на полупроводниковой пластине с помощью позиционера и контактирующего устройства подключается к измерителю для контроля электрических параметров. Бракованные кристаллы маркируются специальными чернилами, либо информация о них заносится в так называемую “карту годности”.

2.Утонение и шлифовка обратной стороны полупроводниковой пластины.

Полупроводниковая пластина методом шлифовки алмазными кругами утоняется с первоначальной толщины 600 —1000 мкм до остаточной толщины 150 — 250 мкм. Этим обеспечивается улучшение теплоотвода кристалла, уменьшение габаритов собранного изделия, экономия материалов на последующих операциях.

3.Разделение полупроводниковых пластин на кристаллы.

Предварительно наклеенная на тонкую пленку с адгезионным слоем пластина разделяется на индивидуальные кристаллы методом разрезания тонкими алмазными дисками или лучом лазера во взаимно перпендикулярных направлениях.

4.Контроль и сортировка кристаллов.

Годные кристаллы выбираются после разделения пластины с адгезионного носителя для последующей сборки.

Прошедшие контроль и сортировку годные кристаллы монтируются на кристаллодержатель корпуса одним из трех методов: на эпоксидный клей, на мягкий припой или на золото-кремниевую эвтектику.

Золотой или алюминиевой “проволокой” соединяются контактные площадки на кристалле, смонтированном в корпусе, с контактными площадками внешних выводов корпуса.

Концерном “Планар”, имеющим более чем 30-летний опыт автоматизации сборочных операций, в настоящее время выпускается и осваивается ряд новых моделей сборочного оборудования. Концерн “Планар” является лидером электронного машиностроения для полупроводниковой промышленности на территории СНГ. Им изготовлено и поставлено по разработкам УП “КБТЭМ-СО” более 1000 единиц оборудования зондового контроля полупроводниковых пластин,500 полуавтоматов и автоматов разделения пластин на кристаллы,8000 ручных, полуавтоматических и автоматических установок присоединения выводов м монтажа кристаллов. Изделия концерна “Планар” экспортируются в страны СНГ и Балтии, Китай, Индию, Южную Корею и другие страны. Концерн “Планар” является членом международного сообщества производителей полупроводникового оборудования и материалов SEMI.

УСТАНОВКА ЗОНДОВАЯ ЭМ-6110

Предназначена для осуществления электрического контакта цепей измерителя с контактными площадками кристаллов на полупроводниковых пластинах диаметром до 200 мм с целью обеспечения контроля параметров многовыводных СБИС. Установка обеспечивает автоматическую загрузку/выгрузку, грубую ориентацию, перемещение, контактирование и маркирование контролируемых пластин. Точная ориентация пластин выполняется оператором. Маркирование кристаллов производится как в позиции зондов, так и в позиции смещенной относительно позиции зондов на расстояние до 65 мм в любом направлении (после контроля заданных ИС на пластине). Информация о выполняемом режиме, состоянии установки, текущих координатах, выполняемой операции, сбоях, датчиках и т.д. отображается на экране монитора.

УСТАНОВКА УТОНЕНИЯ КРЕМНИЕВЫХ ПЛАСТИН ЭМ-2040.

Отличительной особенностью установки является жестко установленный на основании П-образный портал, на котором неподвижно закреплен шпиндель с алмазным инструментом, и подвижная по аэростатической направляющей основания каретка. Основание, портал, направляющая и подвижная каретка выполнены из твердокаменных пород. Такое компоновочное решение обеспечивает высокую жесткость несущих узлов, высокую точность и высокие динамические характеристики. Основание установлено на виброизолирующих опорах, что обеспечивает интенсивное гашение высокочастотных колебаний.

АВТОМАТ ДИСКОВОЙ РЕЗКИ ЗМ-2055 .

В автомате используется 25-ти местная кассета, манипуляторы, обеспечивающие точную и согласованную подачу пластин с одной позиции на другую, система автоматического совмещения и шпиндель на аэростатических опорах, несущий алмазный диск для резки пластин. В процессе резки пластины на кристаллы осуществляется постоянный контроль за состоянием диска. Система бесконтактного контроля износа диска осуществляет коррекцию глубины реза. По завершению резки разделённая на кристаллы пластина передаётся на позицию очистки. Программа работы автомата построена на операционной системе Windows и позволяет графически изображать весь процесс обработки пластины. Виброзащищённость конструкции обеспечивается применением основания из твердокаменных пород и перемещением предметного стола по координатам Х,У на воздушных опорах.

УСТАНОВКА КОНТРОЛЯ И КАССЕТИРОВАНИЯ КРИСТАЛЛОВ.

Принцип действия основан на определении годных кристаллов с помощью высокоскоростной и высокоточной системы технического зрения. Мощная встроенная ЭВМ позволяет организовать быстродействующий алгоритм распознавания и процесс укладки кристаллов в кассету. Два DSP — процессора (фирмы Техаs Instrument) управляют скоростными приводами с обратной связью систем ориентации пластины, механизмами подкола, съема и переноса кристаллов в кассету. Установка имеет систему диагностики основных электронных и механических узлов.

АВТОМАТ МОНТАЖА КРИСТАЛЛОВ ЭМ-4485 .

Подача ленты на шаг, выбор годных кристаллов с полупроводниковой пластины и присоединение кристаллов выполняются автоматически. Механизм присоединения кристаллов оснащен высокоскоростным линейным шаговым приводом с обратной связью, обеспечивающим высокую скорость, точность и надежность. Подкол кристаллов осуществляется с помощью “звуковой катушки” (voice coil motor) с обратной связью. Подача изделий в зону присоединения осуществляется загрузочно-разгрузочным устройством. Автомат оснащен микропроцессорным управлением и системой диагностики, упрощающей поиск и устранение неисправностей.

АВТОМАТ ТЕРМОЗВУКОВОГО ПРИСОЕДИНЕНИЯ

Двухкоординатный Х-У линейный шаговый двигатель с датчиками обратной связи обеспечивает требуемые точность и скорость перемещения сварочной головки. Перемещение сварочного инструмента по координате 2 осуществляется с помощью “звуковой катушки” (voice coil motor) с обратной связью. Автомат оснащен системой контроля качества сварки. Основные параметры технологического процесса (скорость перемещения, диаметр шарика, усилие сварки и др.) программируются. Встроенная программно-управляемая библиотека петель и высокая точность исполнительных механизмов обеспечивают разварку различных типов изделий с длиной перемычки (“петли”) до 7 мм, в том числе многовыводных СБИС и ИС в тонких корпусах. Подача обрабатываемых рамок (изделий) — магазинная с программируемой переналадкой, конфигурация рамок не регламентируется.

УСТАНОВКА УЛЬТРАЗВУКОВОГО ПРИСОЕДИНЕНИЯ

Присоединение выводов осуществляется стандартным микроинструментом с боковой подачей проволоки (клином). Легкая, размещенная отдельно от приводов X, У, 2 и вращающаяся по углу 180° сварочная головка обеспечивает требуемую динамику формообразования выводов, снижает влияние механических вибраций на инструмент и позволяет осуществить “мягкое” касание. Определение положения контактных площадок кристаллов и траверс — автоматическое. Программирование режимов присоединения и формы петель для каждого вывода индивидуальное. Возможно присоединение любой запрограммированной группы выводов в пределах рабочего поля (200—120 мм) с возможностью контроля оператором любой перемычки в пределах группы. Использование многоместных матричных кассет и большое рабочее поле обеспечивают универсальность установки. Предусмотрена самодиагностика основных функциональных устройств установки.

Все оборудование построено с использованием современных многоуровневых компьютерных систем управления, прецизионных датчиков, обратной связи, высокодинамичных прецизионных систем позиционирования на линейных шаговых двигателях, быстродействующих систем технического зрения и систем самодиагностики. Это позволило обеспечить конкурентоспособность машин в сравнении с лучшими мировыми образцами как по техническим характеристикам, производительности, так и по надежности. Сегодня это полностью автоматизированные установки, выполняющие в безоператорном режиме без участия человека загрузку изделий, быстрое и точное их позиционирование относительно инструмента, сборку и выгрузку .Нетрадиционная технология ;особенности микроэлектронных изделий; малые габариты, жесткие допуски по сборке, высокая чувствительность к внешним воздействиям; специфика микроэлектронного производства; громадные объёмы выпуска, быстрая смена номенклатуры, незначительный допускаемый процент брака – определяют очень высокий уровень требований ко всем системам оборудования и ,в первую очередь ,к важнейшим из них – системе управления. Разработчики оборудования все шире используют весь спектр современных технологий и научно-технических достижений, а именно:открытые стандарты;современные конструктивы; встраиваемые мощные ЭВМ и контроллеры; операционные системы реального времени; цифровые сигнальные процессоры.

Автоматическая установка монтажа кристаллов МАТ 6400 является универсальной, полностью автоматическо.

Для работы с компонентами типа MEMS могут быть разработаны специальные насадки, которые позволяют захватывать компоненты непосредственно с полупроводниковой пластины, а так же производить инкапсуляцию компонента различными материалами, благодаря наличию.

Ручная установка PP-One предназначена для осуществления точного монтажа миниатюрных и хрупких криста.

Модель PP-One может производить захват компонентов с полупроводниковых пластин, упаковок типа GelPack / WafflePack.

Установка PP6 предназначена для осуществления точного монтажа кристаллов и хрупких компонентов на по.

Машина может оснащаться различными устройствами для захвата кристаллов с таких носителей, как пластины, Gel-Pak, WafflePack и др и функцией для применения низкочастотной притирки. Точность монтажа до 3 мкм. Автоматическая последовательность монтажа программируется.

Модель UDB140B представляет собой настольную систему для эвтектического, термопластичного и других в.

Установка оснащена монтажной головкой, которая позволяет автоматически производить захват кристалла из упаковки и его последующую установку на подложку, а также PLC контроллером, который позволяет использовать такие опции как выталкиватель кристаллов.

Модель ЕDB-140А представляет собой настольную полуавтоматическую систему для монтажа кристаллов на а.

Конструкция установки обеспечивает высокую точность монтажа кристаллов и универсальность, что позволяет с легкостью перенастраивать ее на новые изделия.

SINTERSTAR Innovate-F-XL это универсальная полуавтоматическая установка спекания (sintering) для тех.

Sintering (спекание) серебра является новой технологией монтажа кристаллов, которая позволяет создать прочное соединение с термо- и электропроводимостью без образования пустот в месте соединения. Данная система обладает высокой надежностью и производительностью.

Ручная установка монтажа компонентов MPS предназначена для осуществления точного монтажа хрупких кри.

Встроенная видеосистема, совместимая с Ultra-HD камерами с регулируемым цифровым увеличением обеспечивает гибкость процесса, позволяя выполнять монтаж, как малых, так и больших кристаллов.

Данная модель является универсальной, полностью автоматической, установкой, предназначенной для монт.

Большой опыт компании Hesse&Knipps GmbH в ультразвуковой технологии гарантирует оптимальное решение .

Особенности установки:

Модель FС 300 это новое поколение высокоточных установок монтажа компонентов методом кристалл на кри.

процессы Cu-Cu монтажа с большим усилием (трехмерные сборки или наноимпринтлитография горячей штамповкой),
процессы монтажа с маленьким.

Модель FC150 представляет собой систему, разработанную с учетом самых современных требований к проце.

Установка способна производить монтаж всех типов кристаллов, а также компонентов размером 0,2 – 100 мм практически для всех существующих видов устройств и процессов (оптоэлектроника, фотоника, монтаж пластины на пластину MOEMS, MEMS, Flip Chip и др.).

Процесс монтажа кристаллов является одной из важнейших частей общего технологического процесса изготовления изделий микроэлектроники, поскольку от правильности выбора таких параметров, как точность монтажа, время, температура, усилие, зависит качество сборки и дальнейшая работа изделия. Процессы и операции сборки и монтажа являются наиболее трудоемкими в технологии производства ИМС, поэтому для их выполнения необходимо иметь современное, высокоточное и гибкое оборудование. Среди систем для монтажа кристаллов есть как универсальные системы, так и заточенные под определённые задачи или типы кристаллов. Современные установки монтажа кристаллов могут выполнять монтаж кристалла в корпус, на подложку, выводную рамку или в промежуточную тару.

Кроме того, некоторые системы монтажа кристаллов помимо установки предусматривают возможность фиксации:

Читайте также: