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文章来源:鸿路机械网  |  2022-12-02

高I/O数倒装芯片设计的极限尺寸测试

随着当今存储器容量增大,倒装芯片上I/O数量不断增多,倒装芯片的面积也越来越大,缺陷发生的可能性也较以前大为增加。本文通过研究底部填充材料的特性,对大型封装(指I/O数量在250个到5,770个,芯片面积从10mm2到40mm2)的设计制造工艺进行考查,以期达到减少缺陷产生的目的。

K.-F. Becker

P. Coskina

A. Schubert

德国Fraunhofer可靠性及微电子研究所

倒装芯片具有很高的互连速度和装联密度,同时体积也很小。最近柏林Fraunhofer可靠性及微电子研究所(IZM)和亚特兰大佐治随着导电涂料中国制造业转转型升级的步伐加快亚理工学院的研究人员对倒装芯片的I/O容量和物理尺寸的极限进行了一项研究,他们根据的是SIA(半导体工业协会)对2012年存储器需求的预计情况。

为研究倒装芯片技术的极限,他们对先进热机仿真和现有的互连技术都进行了研究,得出四种基本倒装芯片,尺寸分别为10m操作台m2、20mm2、30mm2及40mm2。针对这些设计,Fraunhofer IZM采用仿真和互连技术对尺寸大于20×20mm2倒装芯片的可行性进行了评估。

虽然有个别器件生产商已经尝试为专门应用设计高I/O数倒装芯片,但是目前还没有一个比较全面的试验报道,可以帮助了解这些大型封装的要求和限制条件。如果所有这四种芯片在封装设计和制造上都证明兴化可行,那么40mm2大型封装不仅仅体积最大,而且在技术上也更吸引人,I/O数范围可从10mm2的250个到40mm2的5,770个。

倒装芯片封装设计和制造中的基本问题包括焊接突点上会出现的各种应力、焊接突点与底部填收纳用品充材料之间的相互影响、以及底部填充只有重新更换传感器缺陷如分层和孔洞等。这项研究考虑了各种底部填充材料的特性,对大封装的尺寸特性进行了测试,并设计出能避免缺陷的制造工艺。具体的可靠性五金螺丝研究包括如何使焊点疲劳程度最小、避免625um厚芯片的断裂及器件弯曲等等。

试验采用DC(菊花链)退火时间取决于制品的大小和壁厚;和RF(射频)测试芯片,两种芯片都从150mm(6英寸)的晶圆上切下。这些芯片包含菊花链、四点开尔文结构、温度测量TCR(阻性温度系数)绕组及加热器(图1(3)TPJ-5、10、20、50具有弹簧断裂自动停机功能),RF测试芯片还包括有测量电容和电感的线路结构,以及直通线和短路线等。所有RF测试结构都是通过共面线路实现的。

研究项目的第一步是用有限元工具对已经完成的封装进行寿命估计。计算和实际测试都采用 -55℃到+125℃温度循环范围,停留时间为5分钟,升温时间为10分钟。这主要是考察这些大型封装内焊料的疲劳度和断裂程度,因为这里电路基底和裸片之间的CTE(热膨胀系数)相差了一个数量级。

在热循环中产生的侧向运动会变得比较大,CTE差异则随着离中心越远而越大。在非底部填充倒装芯片中,裸片角落的焊接突点是最危险的,比如在40mm裸片上,角落处的焊接突点离中心很远,因而由热循环造成的应力非常大。一般来说,底部填充材料能够大大削弱侧向运动并将其中一部分转换为垂直运动,同时也可加强芯片与基底的粘结力。对底部填充倒装芯片来说,张力相对于芯片的尺寸及DNP(中点到裸片中心的距离)则没有什么关系。这些事实说明大的裸片之所以更可能会断裂,并不是因为内部张力和压力的增加,而是从统计角度看它更可能具有一种临界尺寸,在有压力的条件下会造成断裂并传播开去。

非线性有限元分析(FEA)可以预测焊接突点的受损路径,并大致估计出现故障前能经历的热循环次数。在热循环过程中,焊料易于发生弹性和塑性形变。沿着受损路径的焊料会出现疲劳,最后导致断裂,图2绘出了最外面焊接突点理论上的受损路径(红色)以及由压力造成的断裂情况西方家具。

利用FEA仿真结果的支持,系统设计人员和装配工程师一起可共同完成这种大尺寸裸片的预备、处理、组装及封装技术的开发工作。

首先是制作焊接突点,将5um厚的无电镀Ni/Au底部金属合金(UBM)做到150mm晶圆上。为了将焊膏印到这些金属合金表面,可选用120um厚的化学蚀刻不锈钢模板,而不是更贵的激光蚀刻模板。由于印制间距为500um,所以选用的孔径尺寸为350×350um。

焊接使用标准的贺利氏共晶Sn/Pb(63/37)焊膏,锡粉大小为45~75um(type 2)。回流焊按照贺利氏提供的温度曲线在氮气环境下进行,经清洗去除助焊剂之后,突点的平均高度为215um,150mm晶圆的标准偏差为5σ。拉床

晶圆上的焊膏印刷质量由很多因素确定,如焊膏特性、模板设计、模板制造工艺及印刷机特性等等。不过印刷工艺质量可以在回流焊后的检查阶段很容易测出来,而回流焊及助焊剂清洗后焊料堆积的突点高度可使用带修订版软件的OKM 2D自动检查系统来测定。在两步式工艺中,检查系统可以测出焊接突起的直径并算出其高度。

对不同种类焊膏的最初检验过程中,最常见的缺陷是焊料遗失和桥接,原因是相邻的突点在模板印刷后连在了一起。由于焊膏连在一

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