ALMA MATER STUDIORUM - UNIVERSITA’ DI BOLOGNA SCHEDE FLIP CHIP

Introduzione La scheda elettronica deve consentire ai chip e agli altri componenti, dotati di velocità di comunicazione interne molto alte, di colloquiare tra loro nella maniera più efficace possibile. Connessioni tra packaging di primo e secondo livello: PHT (Pin Through Hole) SMT (Surface Mount Tecnology) che consente di sfruttare entrambi i layer della scheda Packaging di primo livello: il chip 1 è collegato al substrato con tecnica tradizionale (Wire Bonding) il chip 2 sfrutta la tecnica del Flip-Chip Bonding

Tecnologia Flip-Chip (1) La connessione Flip-Chip viene effettuata sfruttando tutta l’area sottostante alla superficie attiva del chip mediante sfere (BGA - Ball Grid Array) di materiale di giunzione (tipicamente in lega saldante piombo-stagno) e presenta numerosi vantaggi rispetto alle connessioni Wire Bonding: Riduce l’induttanza di segnale: si hanno linee di interconnessione più corte (0.1 mm contro 1-5 mm); questo è un punto chiave per componenti ad alta frequenza e switching device Riduce l’induttanza tra alimentazione e massa: l’alimentazione può essere portata direttamente al core del componente; questo accorgimento abbassa notevolmente il rumore sull’alimentazione a vantaggio delle prestazioni Aumenta la densità di segnali: può utilizzare l’intera superficie del die per le interconnessioni perciò può supportarne una quantità maggiore a parità di area Restringimento del die: può favorire il rispetto di specifiche sulle dimensioni o sul costo, dovendo utilizzare meno silicio Riduce il package footprint: la dimensione totale del package può essere ridotta utilizzando la tecnica Flip-Chip; questo può essere dovuto alla riduzione dell’area di die, alla riduzione (o annullamento) degli spazi dedicati ai fili o all’utilizzo di una tecnologia con più elevata densità di substrato.

Tecnologia Flip-Chip (2) È possibile distinguere due tipologie di connessione all’interno della tecnologia Flip-Chip: PBGA (Plastic Ball Grid Array): vengono utilizzati punti di saldatura che sono delle sfere di lega conduttiva, mentre il substrato è di tipo plastico; quest’ultima caratteristica rende il processo meno costoso rispetto al caso di substrato ceramico per via dei minori costi di materiale e della minor temperatura di processo, ma rende anche il dispositivo meno prestante dal punto di vista della dissipazione di calore CBGA e CCGA (Ceramic Ball Grid Array e Ceramic Column Grid Array): presentano un substrato di tipo ceramico che porta il dispositivo ad avere un’espansione 3 volte più bassa oltre ad avere una conduzione 25 volte migliore rispetto al caso precedente, aumentandone l’affidabilità; è possibile scegliere se utilizzare punti di interconnessione “a sfera” oppure “a colonna” Il Flip-Chip su substrato ceramico è stato il più utilizzato per la sua dimostrata affidabilità, mentre per quel che riguarda il substrato plastico è tuttora oggetto di studio perchè ha un’affidabilità più limitata del componente, ma ovviamente porta ad una netta riduzione di costi

Struttura del Flip-Chip Chip in silicio: è l’unità operativa di ogni sistema elettronico, contiene al suo interno milioni di transistor in grado di eseguire le funzioni principali e dev’essere collegato al resto del sistema elettronico attraverso il packaging Strato di passivazione del silicio (di solito Nitruro di silicio): ha funzione di protezione del chip Modulo o substrato (di materiale ceramico o plastico): permette il fissaggio del chip alla scheda Solder joint di Sn/Pb eutettico: è una sfera (o colonna) di materiale in grado di saldare tra loro i pads di alluminio del chip con quelli di rame presenti nel modulo; questa funzione dev’essere ottimizzata per permettere al segnale elettrico di passare dal chip al modulo senza dispersione ed è, per questo, uno degli aspetti più critici del processo Solder mask: ha funzione di protezione del modulo; come per il caso dello strato di passivazione del silicio, quando si collegano i pads di Al e Cu non è desiderabile che il segnale elettrico interessi anche le zone circostanti i pads Finiture metalliche (pads) in rame dalla parte del modulo Pads di alluminio sul chip Underfill: materiale utilizzato per proteggere la connessione dall’ambiente esterno e per aumentare l’affidabilità del collegamento Il Packaging si occupa di mettere insieme questi componenti per ottenere una struttura il più affidabile possibile, passando attraverso scelte di materiali e scelte di processo che devono portare alla riduzione dei costi

Processo di fabbricazione con tecnologia Flip-Chip Le sferette di Sn/Pb sono in composizione eutettica e ciò consente di avere temperature di fusione relativamente basse: ciò causa una minor sollecitazione sia nel silicio che negli altri materiali che entrano nel forno Under Bump Metallization: i pads in Al del chip vengono rivestiti con dei materiali specifici (tipicamente nichel-fosforo ed un sottile strato d’oro) facilitando il collegamento col giunto di saldatura Bumping: deposizione delle sfere tramite tecniche di evaporazione o elettrodeposizione Posizionamento del chip: può avvenire in maniera manuale o attraverso macchine automatiche Reflow: il chip viene inserito in un forno di rifusione dov’è sottoposto ad un preciso profilo di temperature e si forma la connessione tra substrato e chip grazie all’ovalizzazione delle sfere Bake: il chip viene cotto per circa 2 ore ad una temperatura di circa 120-150 °C per eliminare la contaminazione da residui eventualmente rimasti dopo la fase di rifusione Dispensa dell’underfill: con appositi macchinari viene fatta scorrere al di sotto del chip una resina; per favorire lo scorrimento è necessaria una fase di riscaldamento del substrato fino a circa 80 °C Polimerizzazione dell’underfill: passa dallo stato liquido a quello solido indurendosi se è portata a temperature elevate per un certo periodo di tempo

Processo di dispensa dell’underfill Inizialmente: Flow time (tempo di scorrimento) dell’ordine di 1-5 min. Cure time (tempo di polimerizzazione) di 30-90 min. a 125-165 °C Gli sviluppi degli ultimi anni hanno portato a parlare di: Fast Flow (scorrimento veloce) con un tempo compreso tra i 5 sec. e il minuto Snap Cure (polimerizzazione veloce) che impiega un tempo di 5-10 min. a 150-165 °C Problema di affidabilità: per ridurre i costi è stato introdotto il substrato plastico La principale differenza tra il materile plastico e quello ceramico è il CTE ( Coefficient of Thermal Expansion): per il primo il coefficiente di espansione termica è pari a 20 ppm/°C mentre per il secondo corrisponde a 5 ppm/°C Il CTE del silicio è di 3 ppm/°C: c’è quindi una dilatazione differenziale dei diversi materiali. Per temperature elevate si ha un trazione del silicio causata dal substrato e viceversa; questo problema è molto più evidente per substrati di tipo plastico Una volta realizzata, la struttura del Flip-Chip è sottoposta a test severi di umidità e a cicli di temperatura, proprio per verificarne l’affidabilità

STMicroelectronics 400μm Flip-Chip (1) Il materiale saldante è composto al 95,5% da stagno, al 4% da argento e per il restante 0,5% da rame Le sferette hanno un diametro di 255μm e consentono il pick and place attraverso le strumentazioni già esistenti; la tolleranza sulle dimensioni delle sferette è molto stringente per assicurare una complanarità tra die e bumps inferiore ai 50μm La composizione eutettica garantisce una temperatura di fusione tra i 217°C e i 221°C La tecnologia a 400μm si riferisce alla distanza tra due sferette adiacenti di materiale saldante Il Flip-Chip presenta un marker nell’angolo in alto a sinistra, su entrambe le facce, sia quella piatta si quella con le sferette di connessione in maniera che l’orientazione del componente risulti evidente prima e dopo l’assemblaggio Nel package sono presenti anche ulteriori indicazioni quali il logo della casa costruttrice, il marchio ECOPACK, la locazione nella quale il componente è stato costruito e la relativa data ( anno e mese) Il prodotto finale viene confezionato e sigillato per essere completamente compatibile con gli standard per i componenti SMD

STMicroelectronics 400μm Flip-Chip (2) STMicroelectronics raccomanda alcune condizioni da rispettare: umidità relativa tra il 15% e il 70% range di temperatura tra i -55°C e i 150°C evitare l’esposizione diretta coi raggi solari Per quel che riguarda il montaggio su PCB: mantenere il dispositivo il meno possibile alla temperatura di rifusione (220°C) per non incorrere in danni al chip la temperatura massima non deve superare i 260°C prestare molta attenzione alle impurità atmosferiche durante l’intero processo di rifusione è possibile effettuare la deposizione di underfill (seppur non necessaria) purchè non superi i 175 °C di temperatura e i 5 min. di durata Il dispositivo Flip-Chip è in grado di resistere a 3 processi di rifusione: 2 montaggi superficiali per supportare la tecnologia SMD 1 eventuale processo di rework

STMicroelectronics 400μm Flip-Chip (processo di rework) Rimozione del chip: vengono fuse le giunzioni saldanti con un laser che applica la temperatura di 260°C in una zona molto precisa per non interessare le zone limitrofe Ripulire dalle saldature le zone precedentemente lavorate con tools automatizzati necessari per non rovinare i pads, le maschere di saldatura e i componenti adiacenti Posizionamento del nuovo componente: viene usata una mini-matrice che consente di riposizionare il materiale saldante in uniformità con l’assemblaggio WLCSP (Wafer Level Chip Scale Package); fatto ciò si riprocede alla rifusione delle saldature mediante laser o re-inserendo l’intera scheda in un forno COMINTEC ONYX32 - controllo automatizzato delle variabili spaziali x,y,z e della variabile angolare θ - allineamento automatizzato secondo la tecnologia DFS (Digital Feature Separation) - sensori di precisione e controllori del flusso di massa - quattro zone di preriscaldamento - stazione di flux dipping - controlli FireWire (IEEE1394) - software visual machineT - tavolo di lavoro che include un cabinet per l’alimentazione Optional: testine di dosaggio, sensori di temperatura e siti per la rimozione delle saldature