Kopioi artikkelin PDF-versio
Kopioi artikkelin PDF-versio
Uudessa täysin juotteettomassa kokoonpanoprosessissa yhdistyvät piirilevynvalmistus, komponenttien kotelointi ja kontaktointi. Menetelmällä integroidaan paljaat mikropiirit ja passiivikomponentit suoraan "piirilevyn" sisään, jolloin erikoistiheän kokoonpanon sähköinen suorituskyky ja luotettavuus kasvavat merkittävästi.
Jatkuva elektroniikkatuotteiden miniatyrisointi johtaa juotetilavuuksien pienenemiseen etenkin paljaiden mikropiirien ja alustan välisissä sähköisissä kontakteissa (Kuva 1). Pienissä juotosliitoksissa (< 10-3 mm3) liian suuri osuus juotteen tilavuudesta voi muuttua hauraiksi metallienvälisiksi yhdisteiksi joko valmistuksen tai käytön aikana. Tämä heikentää merkittävästi juotosten luotettavuutta.
Lisäksi pienissä juotoksissa on vähemmän kiteitä, jolloin juotoksen heikentynyt jousto ja epäpuhtauksien korostuneet vaikutukset vähentävät osaltaan sähköisten kontaktien luotettavuutta. Tunnettu esimerkki tästä on alustäytemateriaalien (underfills) käytön välttämättömyys Flip Chip - ja pienen jakovälin CSP-kokoonpanoissa.
Jännityksiä syntyy orgaanisen substraatin ja piin (tai kotelon) erisuuren lämpölaajenemisen takia, ja nämä jännitykset ovat sitä suurempia, mitä lähempänä komponentti on alustaa eli mitä pienempiä ovat juotokset. Alustäyte tarvitaan jakamaan erityisesti reunaliitoksiin kohdistuvia jännityksiä koko komponentin alalle. Ilman alustäytettä tiheäkontaktisten Flip Chip -kokoonpanojen elinikä jää varsin lyhyeksi.
Liitostiheyksien kasvun myötä kiinnostus on kohdistunut monisirumoduuleihin (MCM, Multi Chip Module), joissa mikropiirit kontaktoidaan erikoistiheille alustoille käyttämällä lankaliitos-, TAB- tai juotenystytettyä Flip Chip -tekniikkaa.
Pienentääkseen liitosten impedanssia ja induktanssia, General Electric (GE) on kehittänyt tekniikkaa, jolla monisirumoduulin mikropiirit integroidaan keraamialustaan. Tämä HDI-tekniikka (High Density Interconnection) perustuu kuvan 2 esittämään Chip First -menetelmään, jossa mikropiirit asetetaan ensin keraamilevyyn valmistettuihin syvennyksiin ja sen jälkeen mikropiirin ja alustan välinen rako täytetään keraamilla tai polymeerillä.
HDI-tekniikalla voidaan valmistaa MCM-komponentteja, joilla on suuri kontaktitiheys ja matala impedanssi. Lisäksi HDI-tekniikalla valmistettu MCM-rakenne antaa haudatuille mikroliitoksille hyvän mekaanisen ja kemiallisen suojan.
Läpiviennit mikropiireihin valmistetaan laserporauksella alustan päälle laminoidun dielektrisen kalvon läpi, ja sähköinen kontaktointi tehdään perinteisellä semiadditiivisella sputterointi- ja kuviointitekniikoilla.
Juotteeton kokoonpanoprosessi
TKK:n Elektroniikan valmistustekniikan laboratoriossa kehitetty uusi integrointimenetelmä mikropiirien (ja passiivikomponenttien) kontaktoimiseksi orgaanisiin alustoihin eroaa GE:n tekniikasta muun muassa siinä, että se on täysin additiivinen ja että sähköinen kontaktointi ja piirijohtimien valmistus tehdään kemiallisen kuparoinnin ja valokuvioitavien dielektristen resistien avulla, jolloin suurten paneelierien samanaikainen prosessointi on mahdollista.
Uudella tekniikalla vältetään myös erilaiset metallointien syövytysvaiheet ja sillä voidaan valmistaa sekä yksittäisiä komponentteja (CSP) että monisirumoduuleja (MCM). Menetelmällä voidaan integroida mikropiirejä myös suoraan piirilevyyn (CIB, Chip-in-Board).
Koska tekniikka perustuu valolitografian ja märkäkemiallisten prosessin käyttöön, sillä voidaan valmistaa matalissa lämpötiloissa luotettavasti erittäin pieniä liitoksia (< 50 (m, kuva 1). Menetelmä soveltuu erityisen hyvin uusien kuparimetalloitujen mikropiirien kontaktointiin, jolloin alustan kuparijohtimet kasvatetaan "saumattomasti" IC:n kuparipadeille. Päinvastoin kuin juottamisessa kontaktoitavien metallien välillä (Cu|Cu) ei tällöin luonnollisesti esiinny minkäänlaisia kemiallisia reaktioita eikä niin muodoin myöskään SVE-efektiä.
Yksinkertaisen monisirumoduulin juotteeton valmistusprosessi on esitetty kuvassa 3. Siinä neljä kuparinystytettyä mikropiiriä on ensin ladottu tarkasti alustalle aktiivinen puoli ylöspäin (a). Alustana voidaan käyttää FR4:ää tai kuparilevyä. Mikropiirit valetaan tämän jälkeen epoksiin, joka kovetetaan "koteloksi" kahdessa perättäisessä vaiheessa (b).
Ylimääräinen epoksi hiotaan mikropiirien päältä pois siten, että kaikkien mikropiirien ulostulonystyt tulevat esille (c). Hiomisen jälkeen karhea kotelon pinta aktivoidaan kolloidisella tina-palladium-liuoksella kuparin kemiallista pinnoitusta varten. Aktivoinnissa tina-palladium-saarekkeet absorboituvat alustan pinnalle, joka ei johda aktivoinnin jälkeen sähköä.
Aktivointivaihetta seuraa dielektrisen resistin litografiaprosessi (d), jossa resisti pinnoitetaan, valotetaan, kehitetään ja kovetetaan. Kehitysvaiheen aikana valottamattomat alueet liukenevat kehitteeseen, jolloin näiltä kohdilta paljastuu edellisessä vaiheessa aktivoitua alustan pintaa. Kemiallinen kupari pinnoittuu vain aktivoiduille alueille, jolloin liitokset ja muu tarvittava johdotus valmistuvat samanaikaisesti (e).
Lopuksi kuparipinnoite jälkikäsitellään luotettavuuden parantamiseksi. Seuraava johdinkerros voidaan nyt valmistaa toistamalla edellä esitettyjä prosessivaiheita; aktivointi, litografia ja kemiallinen kuparointi. Dielektrinen kerros on kuitenkin karhennettava riittävän adheesion varmistamiseksi ennen seuraavan johdinkerroksen valmistusta.
Integroidut komponentit ovat luotettavia
MCM-testikomponentti ja yhden testimikropiirin sisältäviä komponentteja valmistettiin käyttämällä esitettyä juotteetonta kokoonpanotekniikkaa. MCM-komponentti on esitetty kuvassa 4, josta voidaan havaita kuinka neljä 100 mikrometrin (50 + 50) jakovälin testimikropiiriä on kontaktoitu keskenään "daisy chain" -testirakenteeksi.
MCM-komponentin aktiivinen pinta-ala, joka sisältää johdotuksen, mittapisteet sekä mikropiireihin tehdyt 1504 kuparikontaktia on pinta-alaltaan noin yksi neliösentti. Jotta komponentista saataisiin mahdollisimman ohut, voidaan alusta, johon mikropiirit kohdistetaan ja ladotaan, poistaa. Ohennetun komponentin takapuoli voidaan tarvittaessa pinnoittaa kuparilla samanaikaisesti muun kuparoinnin kanssa riittävän lämmönsiirron varmistamiseksi.
Kaikki komponentit suunniteltiin siten, että "daisy chain" -testirakenteen aiheuttamaa vastusta voitiin monitoroida testauksen aikana. Komponentteja testattiin ympäristörasitustestissä (85 (C ja 85 % suhteellinen kosteus) 3000 tunnin ajan sekä lämpöshokkitestissä (-65 (C +125 (C) 1000 syklin ajan. Yhden syklin kesto oli 30 minuuttia. Testit eivät aiheuttaneet muutoksia kontaktivastuksissa. Kosteuden kestävyyden ja lämpörasituksen lisäksi komponenttien todettiin olevan mekaanisesti erittäin luotettavia.
Kuvassa 5 on esitetty poikkileikkaus yhden komponentin liitosrakenteesta, jolla daisy chain -testirakenne on muodostettu.
Kuvassa 6 on kultanystyyn kemiallisesti kasvatetun kuparijohtimen poikkileikkausrakenne, kun taas kuva 7 esittää liitoksen poikkileikkausrakennetta, kun nystymetallina on kupari. Eri nystymetallien tapauksissa ei havaittu merkittävää eroa liitosten sähköisissä ominaisuuksissa.
Komponenttivalmistuksen lisäksi uudella tekniikalla voidaan myös integroida mikropiirit suoraan piirilevyyn samanaikaisesi muun johdotuksen valmistamisen kanssa. Tällöin käytetään nystyttämätöntä mikropiiriä, joka valetaan piirilevyyn porattuun reikään. Ulostulometallointina voi olla kulta tai kupari. IBM:n kuparijohdotettujen mikropiirien yleistyessä kontaktialue olisi luonnostaan kuparia ilman mitään erityistä alusmetallurgiaa.
Integroitaessa mikropiirejä piirilevyihin on kohdistuksessa oltava tarkka, mikä ei ole ongelma tämän päivän tarkoilla ladontakoneilla. "Joustavat liitosalustat"-projektin tavoitteena on valmistaa kuvassa 8 esitetty "Integrated Module Board (IMB)", jolla demonstroidaan mikropiirien ja passiivisten komponenttien kuten vastusten, kondensaattoreiden ja kelojen valmistusta additiivitekniikalla samaan "piirilevyyn". IMB:ssä tulee olemaan kaksi erikoistiheätä testimikropiiriä, CSP-kotelon kontaktialueet, 37 vastusta, 12 kondensaattoria ja 9 spiraalikelaa. Vastukset valmistetaan kemiallisesti amorfisesta nikkelifosforista (NiP), niiden neliömäärien vaihdellessa 1--10000 neliöön.
Suunnittelijalle vapauksia
Uudessa mikropiirien integrointimenetelmässä yhdistyvät komponenttien kontaktointi, kotelointi ja alustan valmistustekniikat yhdeksi prosessiksi. Erikoistiheiden sähköisten kontaktien valmistaminen lähellä huoneenlämpötilaa normaalissa ilmanpaineessa tarjoaa kustannustehokkaan ratkaisun integroida mikropiirejä piirilevyjen sisään.
Matalien prosessointilämpötilojen ansiosta uusi tekniikka voi hyödyntää edullisia orgaanisia alustamateriaaleja, mikä on tärkeätä erityisesti kulutuselektroniikkasovelluksissa. Kemiallisen kuparoinnin käytöllä varmistetaan liitosten luotettavuus ilman pieniin liitoskokoihin liittyviä vaikeuksia. Lisäksi suhteellisen monimutkaisia mikropiirien juotenystyjen alusmetallurgioita voidaan yksinkertaistaa ja viime kädessä poistaa kokonaan, kun mikropiireissä siirrytään enemmälti käyttämään kuparijohdotusta.
Suuri kontaktointitarkkuus ja signaalireittien lyhentäminen saavutetaan käyttämällä valokuvioitavaa dielektristä resistiä, jolloin tuotteen sähköistä suorituskykyä voidaan parantaa.
Yhteystieto: Jorma.Kivilahti@hut.fi
Tutkimus: Uudet integroidut liitosalustat
Yhteistyössä: TKK EV laboratorio, VTT Elektroniikka, Nokia Mobile Phones, Picopak, Elcoteq Network, Audel, Polar Electro, Suunto, Micronas, Planar Int., Ultraprint, Aspocom, LK-Products, Vaisala ja Simage.
Teknologiaohjelma: ETX