Пайка кристаллов со столбиковыми выводами на контактные площадки

Монтаж методом «flip-chip» применяют для кристаллов со столбиковыми выводами. Кристаллы монтируют на основание корпусов или подложки планарной стороной. При этом рисунок их контактных площадок является зеркальным отображением расположения выводов на кристалле.

Последовательность выполнения монтажа кристалла со столбиковыми выводами из низкотемпературного припоя на подложку показано на рис. 7.5.

Используется способ монтажа полупроводникового кристалла на основание корпуса (подложку), имеющего углубление или сквозное отверстие, вокруг которого располагаются контакты и проводники. Форма канавки, включая зазор между кристаллом и основанием корпуса, а также пазы по углам обеспечивает в процессе герметизации пластмассой затекание жидкого компаунда под кристалл и защиту лицевой поверхности кристалла. При наличии сквозного отверстия на обратную поверхность корпуса накладывают пластину, чтобы не допустить излишний расход компаунда.

На паяемых поверхностях кристалла и подложки формируют контактные столбики. При сборке между кристаллом и подложкой размещают фольгу толщиной менее 50 мкм из диэлектрических материалов: Al₂O₃, полиимида или оксида бериллия. В фольге имеются отверстия, расположение которых соответствует расположению контактных столбиков на поверхностях соединяемых деталей. При сборке в отверстиях фольги размещают припой, совмещают отверстия со столбиками кристалла и подложки и нагревают прибор до температуры плавления припоя. Использование диэлектрической фольги устраняет растекание припоя по поверхности подложки и уменьшает вероятность короткого замыкания между контактами прибора.

С целью повышения качества монтажа приборов со столбиковыми выводами в качестве защитного диэлектрического покрытия на планарную поверхность полупроводниковых пластин наносят полимерный лак, толщина которого находится в пределах от 8 мкм до 2/3 высоты выводов.

Рис. 7.5. Последовательность выполнения монтажа кристалла со столбиковыми выводами из низкотемпературного припоя на подложку: а, б – гальваническое нанесение припоя на кристалл и оплавление его, в – переворачивание кристалла, г – нанесение припоя на подложку, д – соединение кристалла с подложкой; 1 – припой, 2 – пленка оксида кремния, 3 – слой металлизации на кристалле, 4 – кристалл, 5, 6 – оплавленный припой на кристалле и подложке, 7 – контактная площадка, 8 – подложка, 9 – основание корпуса, 10 – столбик припоя

Пайка кристаллов со столбиковыми выводами на контактные площадки тестовой керамической подложки, которая позволяет также демонтировать кристаллы и повторно использовать подложку для испытаний и контроля электропараметров других ИС, осуществляется следующим образом. Столбики на кристалле представляют собой слои из сплава Cr:Cu/Cu/Au или Sn. Верхний слой контактов подложки состоит из W или Ta. В качестве припоя применяется сплав 95 % Pb-Sn, осаждаемый или наплавляемый на столбик. Соединение кристаллов с тест-подложкой проводится их совмещением и нагревом до 342 °С с последующей выдержкой при температуре 250 °С в специальной камере. В процессе напайки кристаллов в камеру подается формир-газ, или небольшое количество паров муравьиной кислоты, или CO. Демонтаж кристаллов проводится погружением нагретой до 340 °С подложки в смесь полиэтиленгликоля с канифолью.

На кристалле формируют контактные выступы из Au с покрытием припоем из In-Sn. Монтаж кристалла выполняют с нагревом до температуры, не превышающей температуру плавления припоя. Затем в зазор между кристаллом и подложкой вводят раствор термопласта и проводят термообработку для обеспечения надежного механического соединения кристалла с подложкой.

Специалисты французского центра ядерных исследований разработали сверхминиатюрный процесс перевернутого монтажа полупроводниковых кристаллов на поверхность подложки. В данной технологии используются шарики припоя диаметром 0,01 мм, что позволяет уменьшить расстояние между контактами до 50 мкм. Процесс сборки применяется при наличии на поверхности подложки двух уровневой системы металлизации, что позволяет использовать кристаллы, содержащие до 3000 контактных площадок.

Для контроля положения столбиковых выводов в процессе монтажа методом «flip-chip» структуру на подложке освещают от двух независимых источников наклонными лучами. Положение определяют, контролируя ориентацию теней от выводов на поверхности подложки относительно направления падения света.

Известны результаты исследований шести составов припоя, а также токопроводящего адгезива с серебряным наполнителем, которые используются при изготовлении СБИС в корпусах с матрицей шариковых выводов с кристаллами, монтируемыми на основание корпуса. Паяные соединения исследовались с помощью микрошлифов, а также подвергались испытаниям на прочность при термоциклировании от минус 55 до 125 °С. Установлено, что соединения с припоем Sn/Bi способны выдерживать свыше 750 термоциклов, с припоем Sn/Ag/Bi – свыше 620, с припоем Sn/Pb – 225. Растрескивание соединений на основе токопроводящего адгезива происходит после 260 термоциклов только на участках, где имеются поры в адгезиве.

Для отвода тепла от кристалла СБИС, смонтированного на подложку методом «flip-chip», используется пластинчатый теплоотвод, который крепится на кристалл сверху пайкой. Теплоотвод изготавливают из материала на основе углерода с ТКЛР равным (6-10)×10^–6 °С^–1. Теплоотвод может быть изготовлен, например, из пористого графита, пропитываемого полимером, или в виде углеполимерного композита с волокнами углерода. Надежность сборки обеспечивается благодаря согласованности кристалла с теплоотводом по ТКЛР.