Erfahren Sie mehr über die Gold Nail Head Bump (SBB)-Technologie von Flip Chip

0040-02544 Oberkörper, DPS-Metall

0020-33806 Dps der oberen Kammer + Poly

 

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Dieser Artikel beschreibt die Goldnagelkopf-Bump-Technologie in Flip-Chip-Technologie.

I. die Entwicklung der Halbleiterverpackungstechnologie
Die mikroelektronische Verpackungstechnologie hat sich zusammen mit der Entwicklung von Geräteformen weiterentwickelt, und ihre Entwicklungsgeschichte ist auch eine Geschichte der kontinuierlichen Verbesserung der Geräteleistung und der kontinuierlichen Miniaturisierung von Systemen. Ausgehend von der Klassifizierung der Installationsmethode des Geräts auf dem Substrat kann die mikroelektronische Verpackung in die folgenden Entwicklungsstadien unterteilt werden:
Die erste Stufewar die Ära der Durchsteckmontage (THD) vor den 80er Jahren des 20. Jahrhunderts, repräsentiert durch TO-Gehäuse und Dual-Inline-Gehäuse. Die Funktion des IC ist relativ einfach, die Anzahl der Leitungen ist gering, das Gehäuse kann manuell in das Durchgangsloch der Leiterplatte eingesetzt werden, der Leitungsabstand ist festgelegt, und eine Erhöhung der Leitungsanzahl bedeutet eine Vergrößerung des Gehäuses Größe und die maximale Montagedichte des Gehäuses beträgt 10 Pins/cm2.
Die zweite Stufewar die Ära der Oberflächenmontage (SMT, Oberflächenmontage/Oberflächenmontage) in den 80er Jahren des 20. Jahrhunderts, die durch Small Outline Package (SOP) und Flat Package (QFP) repräsentiert wurde, die die Anzahl der Pins und die Bestückungsdichte stark erhöhten. und war damals eine Revolution in der Verpackungstechnik. Das Designkonzept dieser Pakete unterscheidet sich vom DIP (Dual In-Line Package) dadurch, dass die Größe des Gehäusekörpers fest ist und der Leiterabstand um den Umfang je nach Bedarf variiert, was ebenfalls die Produktivität verbessert, mit einer maximalen Leiterzahl von 300 und eine Montagedichte von 10-50pin/cm2, was auch das goldene Zeitalter metallhaltiger Kunststoffverpackungen darstellt.
Die dritte StufeIn den 90er Jahren des 20. Jahrhunderts ist die Ära des Solder Ball Array Package (BGA) / Chip Size Package (CSP) angekommen. Der Anschlussabstand von BGA beträgt hauptsächlich 1,5 mm und die Erweiterung des Anschlussabstands 1,27 mm fördert den Fortschritt der Installationstechnologie und die Verbesserung der Produktionseffizienz erheblich, die Installationsdichte von BGA-Gehäusen beträgt etwa 40-60pin/cm2, und dann verwendete Japan das Konzept von BGA auf Chipebene und entwickelte ein CSP-Gehäuse mit einem kleinerer Anschlussabstand. Der Anschlussabstand kann bis zu weniger als 1,0 mm betragen, und das CSP-Gehäuse reduziert die Größe und das Gewicht des Produkts weiter, was die Wettbewerbsfähigkeit des Produkts verbessert, und die BGA-Ära ist in die BGA/CSP-Ära übergegangen .

Es gibt vier Haupttechnologien, um ein Chip-Scale-Packaging zu erreichen: Wire Bonding (WB), Tape Automated Bonding (TAB), Flip Chip (FC) und Through Silicon Via (TSV). Die WB-Technologie bezieht sich auf das Bonden von Metallleitungen und -pads unter Einwirkung von Ultraschall und wird je nach Bondmethode in Thermoultraschall-Kugelbonden und Ultraschall-Keilbonden unterteilt. Aufgrund seiner hervorragenden Zuverlässigkeit macht WB 90 % des Chip-Scale-Packaging-Marktes aus, da die durch Drahtbonden hergestellte Verbindung jedoch eine bestimmte Höhe aufweist, die sich auf die Größe des Gehäuses auswirkt, eine Verzögerung des elektrischen Signals erzeugt und den Widerstandswert erhöht Die Suche nach einer neuen Primärverpackungstechnologie, die für Kleinverpackungen geeignet ist, hat sich zu einem Forschungsschwerpunkt entwickelt.
Bei der TAB-Technologie handelt es sich um eine Technologie, bei der Chips in einem einzigen Arbeitsgang mit Bleistreifen unter einem Heißprägestempel auf Trägerbänder geklebt werden. Die Herstellung von Metallhöckern, Trägerbändern und Heißprägestempeln in dieser Technologie bringt große Herausforderungen für die Massenproduktion mit sich.
Bei der TSV-Technologie handelt es sich um eine aufstrebende neue Technologie. Die Verbindung bei dieser Technologie hängt hauptsächlich von der Verbindung zwischen dem Cu-Bump und der vorplattierten Au-Schicht in der Durchkontaktierung aus Silizium ab, die für 3D-laminierte Verpackungen geeignet ist, und weil die elektronischen Produkte darüber verfügen Hohe Anforderungen an die Gehäusegröße, die Größe der Durchkontaktierungen durch Silizium ist sehr klein, sodass die Gleichmäßigkeit der Au-Beschichtung in den Durchkontaktierungen durch Silizium und die Zuverlässigkeit der Verbindung große Herausforderungen für die Entwicklung und Anwendung dieser Technologie mit sich gebracht haben.

II. FlipChip-Technologie
Bei der FlipChip (FC)-Technologie handelt es sich um eine Methode zum Umkehren der aktiven Seite des Chips, um das Substrat für die Mikroverbindung auszurichten. Durch die Umkehrung des aktiven Geräts wird die Gehäusegröße elektronischer Produkte reduziert und aufgrund der kontrollierbaren Größe der Lötstelle Dieses Verfahren eignet sich für die Verpackung hochintegrierter und leistungsstarker elektronischer Produkte mit feinem Pin-Raster. Das schematische Diagramm des Flip-Chips sieht wie folgt aus:

Um den Flip-Chip-Prozess zu realisieren, ist es notwendig, die Herstellung von Höckern auf der Oberfläche des Chips zu realisieren, und es gibt sechs gängige Methoden zur Bildung von Höckern: Stud Bump Bond, Verdampfungs-Löthöcker, Galvanisierungs-Löthöcker, gedruckter Löthöcker, Ball-Bump und Lot-Transfer-Bump. In der Verpackung von Mobiltelefonkameras, die wir im täglichen Leben verwenden, ist die Technologie zur Verbindung des Bildchips mit dem Substrat die Gold Nail Head Bump (SBB)-Verbindung im Flip-Chip:


III.Was ist SBB (SBB, Stud Bump Bond)?
Für die Herstellung des Flip-Chip-Nagelkopfstoßes wird ein Airless-Ballon verwendet(SBB, Stud Bump Bond)Wird aus einem Metalldraht gebildet, um den I/O-Port des Chips mit dem Gehäusestift oder dem Verdrahtungslötbereich auf dem Substrat zu verbinden.
Unter der kombinierten Wirkung von Ultraschallenergie, Bindungsdruck und anderen Faktoren werden die Oxide und Schmutz auf der Oberfläche der Bindungsschnittstelle entfernt, und gleichzeitig kommt es zu einer plastischen Verformung der Bindungsschnittstelle, so dass es zu einer Versetzung im Metall kommt der Bindungsschnittstelle und die Atomdiffusion wird stimuliert, wodurch ein fester Metall-Flip-Nagelkopfhöcker entsteht.
Beim Golddraht-Heißpressen mit Ultraschall liegt der Durchmesser des Golddrahts im Allgemeinen zwischen 0,5 mil und 2,5 mil (1 mil=25μm). Das Material des Flip-Chip-Pads ist im Allgemeinen ein Aluminiumpad (es gibt auch vergoldete Pads) und die Oberfläche ist mit Aluminium (Gold) mit einer Dicke von etwa 2 μm plattiert.
Das folgende Diagramm zeigt die Ausrüstung und das Zubehör, die zur Herstellung der vergoldeten Bumps erforderlich sind, einschließlich der Bondmaschine, der Kapillare (Kapillarkapillare) und des Golddrahts:

Unter diesen wird die Klebemaschine vom Typ Kulicke und Soffa (KS) in der Klebemaschinenindustrie häufiger eingesetzt, und die interne Struktur der Ausrüstung ist unten dargestellt:

Der Schweißkopfteil der Ausrüstung ist der Schlüsselteil der Herstellung des Goldnagelkopfstoßes, wie in der Abbildung unten gezeigt. Der Schweißkopfteil umfasst einen Bleispanner, ein Glasbleirohr und eine Elektrode (auch als Feuerzeug bezeichnet). ), einer Kapillare (auch Kapillare genannt) und einer Golddrahtklemme.

In der Bondvorbereitungsphase wird die Drahtklemme geöffnet und der Heizblock auf eine bestimmte Temperatur erhitzt; Die Kapillare wird ein Stück nach unten bewegt, sodass sich die Mündung der Kapillare nahe am Feuerzeug befindet. Zu diesem Zeitpunkt gibt das elektronische Zündsystem in sehr kurzer Zeit etwa 2000 V Hochspannungsstrom ab, so dass eine Schleife zwischen dem Golddraht-Enddraht an der Spitze der Kapillare und der Elektrode des Feuerzeugs entsteht, so dass a Ein kleiner Abschnitt des Golddrahts, der der Kapillarmündung ausgesetzt ist, wird unter der Einwirkung des Stroms FAB (Free Air Ball) gebildet, und dann bewegt sich die Kapillare weiter nach unten, so dass der FAB mit dem Chippad in Kontakt kommt und der FAB einen bildet Unter der Einwirkung des Bindungsdrucks wird die Tortenform fixiert, und dann wird der Druck der Kapillare verringert. Die Ultraschallenergie beginnt zu wirken und bildet eine feste Verbindung zwischen dem FAB und dem Pad. Nachdem die Verbindung abgeschlossen ist, bewegt sich die Kapillare ein Stück nach oben, sodass die Kapillardüse ein kleines Stück Golddraht zurücklassen kann, um so ein FAB zu bilden Bei der nächsten Bonding-Zündkerzenarbeit hört die Kapillare nach einer Wegstrecke nach oben auf zu steigen, die Drahtklemme spannt den Golddraht, die Kapillare bewegt sich mit der Drahtklemme und dem Golddraht weiter nach oben und dabei wird der Golddraht gebrochen nach oben zu bewegen und einen Nagelkopfstoß zu hinterlassen.
Die erste Schicht des goldenen Nagelkopfhöckers wird auf das Aluminiumpad geklebt, und auf der Grundlage der Fertigstellung der ersten Schicht des goldenen Nagelkopfhöckers wird die Verklebung der zweiten Schicht des goldenen Nagelkopfhöckers durchgeführt, um die Verbindung des Ganzen zu realisieren laminierter goldener Nagelkopfhöcker, und der gesamte Klebevorgang ähnelt dem Klebevorgang der ersten Schicht des goldenen Nagelkopfhöckers. Der Klebevorgang von Goldnagelkopfhöckern wird hauptsächlich durch den Klebedruck, die Klebekraft und die Klebezeit beeinflusst. Der Entstehungsprozess des Goldnagelkopfhöckers ist in der folgenden Abbildung dargestellt:

Der Goldnagelkopf-Bump-Bonding-Prozess ist hauptsächlich in drei Phasen unterteilt: Die erste Phase ist die Kollisionsphase, d. Die zweite Stufe ist die Vorbereitungsphase für die Verklebung, in der sich die Kapillare auf die Verklebung zwischen der Erhebung des Goldnagelkopfes und dem Pad vorbereitet. In diesem Stadium nimmt der Bindungsdruck ab. Die dritte Stufe ist die Bondstufe, in der der Goldhöcker und das Pad eine Bindung eingehen und in der Bondkraft und Bonddruck zusammenarbeiten. In diesem Stadium beginnt sich die Kapillare unter der Einwirkung von Ultraschall heftig zu bewegen, die Klebefläche wird zerstört und es entsteht schnell und in kürzester Zeit eine starke Verbindung.

IV. Faktoren, die die Beule des Goldnagelkopfes beeinflussen
1,Die Wahl der Kapillare
Beim Flip-laminierten Goldnagelkopf-Bump-Bonding-Verfahren ist die Konsistenz jeder Goldnagelkopf-Bump-Klebung ein Schlüsselfaktor für den Erfolg der Verbindung. Die Größe der Kapillare bestimmt die Bindungseigenschaften des laminierten Goldnagelkopfhöckers und die geometrischen Eigenschaften des Goldnagelkopfhöckers. Um einen Goldnagelkopf mit guter Bindungskonsistenz zu erhalten, ist es daher notwendig, eine geeignete Kapillare auszuwählen. Die Größe des Kapillarlochs (H), der Durchmesser der Fase (CD) und der Fasenwinkel (CA) sind in der Regel die wichtigsten Referenzfaktoren für die Auswahl der Kapillare.
Die folgende Abbildung ist ein relevanter Parameter von Kulicke und Soffa (einer Kapillare):


2, die wirkung der ersten schicht von gold nagel kopf stoßeffekt
Beim Flip-laminierten Goldnagelkopf-Bump-Bonding wird die erste Schicht des Goldnagelkopf-Bump-Bondings und dann die zweite Schicht des Goldnagelkopf-Bump-Bondings fertiggestellt, d. h. der laminierte Goldnagelkopf-Bump besteht aus der ersten Schicht des Goldnagels Kopfbeule und die zweite Schicht Goldnagel-Kopfbeule. Die folgende Abbildung ist ein Mikrostrukturdiagramm der ersten Schicht des Goldnagelkopfhöckers bzw. des laminierten Goldnagelkopfhöckers.
Die erste Schicht der Goldnagelkopf-Bump-Verklebung ist Bestandteil der laminierten Goldnagelkopf-Bump-Verklebung, und die Qualität der ersten Schicht der Goldnagelkopf-Bump-Verklebung und ihre Größenparameter wirken sich auf die zweite Schicht der Goldnagelkopf-Bump-Verklebung aus .


Die wichtigsten Größenparameter der ersten Schicht des Goldnagelkopfhöckers sind in der Abbildung unten dargestellt, wobei d der Durchmesser des Golddrahts ist, der durch den zum Bonden verwendeten Golddraht bestimmt wird, und die Höhe h durch die Form bestimmt wird Die Bondkapillare und die Höhe des Goldnagelkopfhöckers H sowie der maximale radiale Durchmesser D des Goldnagelkopfhöckers werden gemeinsam durch die Bondprozessparameter bestimmt.

Die Verbesserung der Qualität des Goldnagelkopfstoßes erfolgt hauptsächlich durch die Optimierung der folgenden Faktoren:
(a)(Bump-Platzierung)
(b)(Stoßscherung)
(c)( Bump-Durchmesser)
(d) (Bump-Dicke)
(e)(Höhe der Erhebung)
(f)(Kratertest)
g)(IMC)
Die Messung des Schubs der goldenen Kugel wird anhand des folgenden Bildes getestet:

Für einige häufige Probleme in praktischen Anwendungen können sie unter folgenden Gesichtspunkten verbessert werden:


V. Simulationsanalyse von Goldnagelkopfstößen
Durch die Simulation und Analyse des gesamten Prozesses des Golddrahtbondens werden die Simulationsdaten in der folgenden Abbildung dargestellt:

In der Kollisionsphase des Kopfstoßes des Goldnagels ist die Spannungsverteilung des Kopfstoßes des Goldnagels ungleichmäßig und das Spannungsniveau ist relativ hoch, und der Bereich mit hohem Spannungsniveau befindet sich innerhalb des Kopfstoßes des Goldnagels und der Kontaktfläche zwischen dem Goldbump und Pad, und diese Bereiche sind die Bereiche, in denen der Bonddruck konzentriert ist.
Die folgende Abbildung zeigt eine positive Darstellung der Belagspannungsverteilung. Die Beanspruchung des Belags konzentriert sich auf den kreisförmigen Bereich mit dem Klebezentrum als Mittelpunkt des Kreises, wobei die größere Beanspruchung im Randbereich des Kreises verteilt ist. und es gibt eine klare Grenze zum Bereich mit geringerer Belastung, in dem die Verformung des Polsters stärker ist und die heftige Verformung mehr Versetzungen verursacht und die Bildung von Bindungen erleichtert. Das Bild rechts zeigt die Klebespur des Goldnagelkopfhöckers. Der cremefarbene Bereich ist der bindungsbildende Bereich, und es ist ersichtlich, dass die Bindung hauptsächlich im Randbereich des konzentrischen Kreises gebildet wird, der um die geometrische Mitte des Pads zentriert ist, was dem größeren Spannungsverteilungsbereich während des entspricht Flip-Gold-Nagelkopf-Bump-Bonding-Prozess.

Die Verklebung der drehlaminierten Gold-Nagelkopf-Bumps dient dazu, die zweite Schicht der Gold-Nagelkopf-Bumps auf der Grundlage der Fertigstellung der ersten Schicht der Gold-Nagelkopf-Bumps zu vervollständigen. Während des gesamten Klebevorgangs wirkt sich die Kapillare sowohl auf die Spannung als auch auf die Belastung der ersten Schicht der Goldnagelkopfhöcker und der zweiten Schicht der Goldnagelkopfhöcker aus.

Wie in der folgenden Abbildung dargestellt, verteilt sich in der Kollisionsphase der Flip-laminierten Goldnagelkopf-Bump-Bond-Verbindung das höhere Spannungsniveau des Flip-laminierten Goldnagelkopf-Bumps hauptsächlich im Inneren der beiden Goldnagelkopf-Bumps nahe der Kontaktfläche von die oberen und unteren Goldnagelkopfhöcker, bei denen die größere Spannung in der zweiten Schicht der Goldnagelkopfhöcker konzentriert ist und die maximale Spannung an der Verbindungskontaktfläche der ersten Schicht der Goldnagelkopfhöcker und der zweiten Schicht auftritt goldene Nagelkopfbeulen.

VI,Sechstens: Zusammenfassung der Goldnagel-Head-Bump-Technologie
Im Vergleich zur herkömmlichen Drahtbond-Technologie sind die Bump-Elektroden in der Bondlötzone der Flip-Chip-Bond-Technologie nicht nur entlang der Kante um den Chip verteilt, sondern können durch Umverdrahtung verteilt werden, sodass die Flip-Chip-Bond-Technologie folgende Vorteile bietet:
(1) Die Verbindungsdrähte sind sehr kurz und die durch die Verbindung erzeugten Streukapazitäten, Verbindungswiderstände und Verbindungsinduktivitäten sind viel kleiner als die des WB. Um die Anwendung von Hochfrequenz- und Hochgeschwindigkeits-Elektronikprodukten besser zu ermöglichen.
(2) Auf dem Chip montierte Verbindungen nehmen eine kleine Substratfläche ein und weisen eine hohe Dichte auf dem Chip auf.
BibliogrAphy:
(1) Kong Lingsong: Forschung zur Qualitätskontrolle des thermischen Ultraschall-Flip-Chip-Bondings von Goldbumps. (2) Wang Jiao, Formgebung und Grenzflächenreaktionsmechanismus von Nagelkopfbump-_Sn-basierten Hartlötmetallverbindungen
(3)Tang Wenliang, Simulation und Zuverlässigkeitsforschung eines Schlagschlüssels mit klappbarem, laminiertem Goldnagelkopf

ENDE