Proseso ng Pag-assemble ng IC Substrate: Isang Komprehensibong Pangkalahatang-ideya ng Teknikal
1. Panimula
Ang substrate-based packaging, lalo na ang mga BGA configuration, ay naging dominanteng teknolohiya sa pag-assemble para sa mga high-performance at high-I/O integrated circuits. Hindi tulad ng mga leadframe package na gumagamit ng metallic framework para sa interconnection, ang mga substrate package ay gumagamit ng laminated organic o ceram.Ic Substrate na nagbibigay ng maraming routing layer, power at ground plane, at area-array solder ball interconnection.
Ang substrate mismo ay isang istrukturang may maraming patong, karaniwang gawa sa bismaleimide triazine (BT) resin na may pampalakas na salamin o mga materyales na polyimide. Para sa mga variant ng ceramic substrate, ang proseso ng paggawa ay kinabibilangan ng high-temperature co-firing ng mga multi-layer ceramic structure upang makamit ang high-density metallized substrates.
Bagama't ang mga pakete ng substrate ay nagbabahagi ng unang kalahati ng proseso ng pag-assemble kasama ang mga pakete ng leadframe—kabilang ang wafer backgrinding, paglalagari, die attach, Pagbubuklod ng Kawad o flip-chip bonding, at molding—ang mga proseso sa back-end ay lubhang magkakaiba. Ang mga substrate package ay sumasailalim sa solder ball mounting, reflow, singulation, at final inspection, samantalang ang mga leadframe package ay nangangailangan ng mga operasyon sa trimming, plating, at forming.
2. Yugto ng Paghahanda ng Wafer
2.1 Paggiling sa likod
Ang proseso ng pag-iimpake ay nagsisimula sa paggiling pabalik ng wafer, na binabawasan ang kapal ng wafer sa mga ispesipikasyong naaangkop para sa pangwakas na pakete. Para sa mga stacked-die configuration, ang mga wafer ay giniling sa mas manipis na sukat upang mapaunlakan ang maraming layer ng chip sa loob ng mga limitasyon sa taas ng pakete.
Ang backgrinding ay gumagamit ng progresibong pagkakasunod-sunod: ang magaspang na paggiling ay nag-aalis ng bulk material, ang pinong paggiling ay nagbibigay ng katumpakan sa dimensyon, at ang pagpapakintab ay nag-aalis ng mga micro-crack sa ibabaw na maaaring humantong sa posibilidad ng pagkabali. Ang proteksiyon na tape ay nakalamina sa aktibong ibabaw bago ang paggiling upang maiwasan ang pinsala sa circuit. Pagkatapos ng paggiling, ang mounting tape ay inilalapat sa likurang bahagi ng wafer, at ang wafer ay nakakabit sa isang ring frame para sa paghawak.
2.2 Paglalagari gamit ang Wafer
Ang paglalagari ng wafer (dicing) ay naghihiwalay sa naprosesong wafer sa indibidwal na die gamit ang isang umiikot na talim na pinapagbinhi ng diamond-grit. Para sa mga wafer na lalong lumiliit, ang laser dicing ay nagbibigay ng alternatibong hindi nakadikit na nakakabawas sa panganib ng pagkabasag. Pagkatapos ng paglalagari, ang mga die ay sumasailalim sa paglilinis sa de-ionized na tubig upang maalis ang silicon dust at static charge na naipon habang nilalagagari.
3. Proseso ng Pagkabit ng Die
Inililipat ng die attach ang indibidwal na die mula sa mounting tape patungo sa die pad area ng substrate. Ang proseso ay nangangailangan ng tumpak na operasyon sa pagpili at paglalagay na may maingat na pagpili ng pandikit.
Ang mga materyales na pandikit ay nahahati sa dalawang kategorya:
Ang epoxy na puno ng pilak ay ipinapahid sa substrate die pad gamit ang syringe dispenser o stencil printing bago ilagay ang die. Tinitiyak ng mga conductive adhesive na ito ang ohmic contact sa pagitan ng die at substrate.
Ang mga die attach film o wafer backside lamination film ay nilalaminate sa likurang bahagi ng wafer pagkatapos gilingin at hinihiwa kasama ng wafer. Ang DAF ay pinuputol nang sabay-sabay kasama ng die, na nagbibigay-daan sa sabay-sabay na paglipat ng die at adhesive. Ang pamamaraang ito ay partikular na kapaki-pakinabang para sa mga stacked-die configuration.
Isang mahalagang konsiderasyon sa pagkabit ng die ay ang lakas ng pandikit ng mounting tape. Dapat mapanatili ng pandikit ang matibay na lakas ng pagkakadikit habang naglalagari ng wafer ngunit dapat humina nang sapat kapag nalantad sa ultraviolet bago kunin ang die, na magbibigay-daan sa malinis na pag-alis ng die nang walang pinsala.
4. Interkoneksyon: Mga Paraan ng Koneksyon sa Elektrisidad
Ang interkoneksyon ay nagtatatag ng mga electrical pathway sa pagitan ng mga die bonding pad at substrate bond fingers. Dalawang pangunahing pamamaraan ang ginagamit: wire bonding at flip-chip bonding.
4.1 Pagbubuklod ng Kawad
Ang wire bonding ay gumagamit ng mga alambreng ginto o tanso na may init, presyon, at panginginig upang ikonekta ang mga chips at substrates sa pamamagitan ng kuryente. Ang pagkakasunud-sunod ng proseso ay sumusunod sa mga hakbang na ito:
Ang buntot ng alambreng nagmumula sa capillary ay tinutunaw sa pamamagitan ng electronic flame-off, na lumilikha ng isang spherical ball sa pamamagitan ng surface tension.
Ang FAB ay idinidiin sa die bonding pad, na siyang bumubuo sa unang bond.
Ang capillary ay gumagalaw patungo sa substrate bond finger, na naglalabas ng alambre upang lumikha ng kinakailangang loop profile.
Ang alambre ay idinidiin sa daliri ng pangkabit upang mabuo ang pangalawang kawing.
Ang alambre ay hinihila pabalik at pinuputol, naghahanda para sa susunod na pagkakatali.
Para sa mga pakete ng substrate, ang alambreng ginto ay karaniwang ginagamit dahil sa mahusay nitong electrical conductivity at ductility. Ang mga variant ng alambreng tanso, kabilang ang palladium-coated copper (Pd-Cu), ay ginamit din para sa pagbawas ng gastos at pinahusay na pagganap sa kuryente.
Bago ang pagdidikit ng alambre, isinasagawa ang paglilinis ng plasma upang maalis ang mga kontaminante mula sa mga ibabaw na nagdidikit, na tinitiyak ang pinakamainam na pagdikit.
4.2 Pagbubuklod gamit ang Flip-Chip at Pagpuno nang Hindi Malalim
Ang flip-chip bonding ay lumilikha ng mga bukol-bukol sa ibabaw ng die at direktang nagkokonekta sa mga ito sa mga kaukulang pad sa substrate, na nagbibigay ng higit na mahusay na pagganap sa kuryente kumpara sa wire bonding sa pamamagitan ng pag-aalis ng mahahabang wire loop.
Dalawang proseso ng flip-chip bonding ang karaniwang ginagamit:
Ang mga bukol ng panghinang ay tinutunaw sa mataas na temperatura upang ikabit ang maliit na tilad sa substrate.
Ang init at presyon ay inilalapat sa junction upang mabuo ang koneksyon sa pagitan ng chip at substrate.
Ang coefficient of thermal expansion mismatch sa pagitan ng silicon chip at organic substrate ay lumilikha ng stress na hindi kayang hawakan ng bump nang mag-isa. Samakatuwid, kinakailangan ang underfill upang matiyak ang reliability ng solder joint. Kabilang sa mga proseso ng underfill ang:
Ang materyal na kulang sa pagpuno ay iniinject sa gilid ng chip, pinupuno ang puwang sa pagitan ng mga bukol sa pamamagitan ng capillary action.
Ang epoxy molding compound ay may dalawahang tungkulin bilang encapsulant at underfill, pinupuno ang espasyo sa pagitan ng mga bukol habang nasa proseso ng paghubog.
5. Paghubog: Pag-empake at Proteksyon
Binabalot ng molding ang binuong substrate, pinoprotektahan ang die at mga istrukturang pangkabit mula sa mekanikal na pinsala at mga kontaminante sa kapaligiran. Ang epoxy molding compound (EMC) ay nagsisilbing ginustong materyal na encapsulant.
Ang proseso ng paghubog ay nagpapakita ng mga natatanging hamon para sa mga pakete ng substrate. Habang tumataas ang bilang ng mga chip stack habang bumababa ang kapal ng pakete, patuloy na lumiliit ang agwat sa pagitan ng chip at ng ibabaw ng pakete. Bukod pa rito, lumalaki ang laki ng mga substrate upang maproseso ang mas maraming chip sa malalaking batch, na binabawasan ang mga gastos sa pagmamanupaktura. Ang mga trend na ito ay nagtulak sa transfer molding sa mga limitasyon nito.
Paghubog ng Kompresyonay lumitaw bilang solusyon para sa mga hamong ito. Sa compression molding:
- Ang hulmahan ay paunang pinuno ng EMC powder.
- Ang substrate ay inilalagay sa molde.
- Init at presyon ang inilalapat, na nagiging sanhi ng paglikido at pagpuno ng EMC powder sa espasyo.
- Dahil ang EMC ay agad na nagiging likido at pinupuno ang espasyo nang hindi umaagos, walang problema sa pagpuno kahit sa maliit na puwang sa pagitan ng chip at ng takip ng pakete.
6. Pagmamarka
Iniuukit ng pagmamarka ang impormasyon ng produkto—kabilang ang uri ng semiconductor, tagagawa, mga pattern, simbolo, numero, o letra—sa ibabaw ng Pakete ng Semikonduktors. Ang impormasyong ito ay napakahalaga para sa pagsubaybay sa sanhi ng mga pagkabigo ng produkto. Ang pagmamarka gamit ang laser ang pangunahing pamamaraan para sa mga plastik na pakete, kung saan mas mainam ang itim na EMC para sa kalinawan.
7. Pagkakabit ng Bola ng Panghinang
Ang solder ball mounting ang natatanging proseso sa likod para sa mga substrate package, na nagtatatag ng parehong electrical pathways at mechanical connections sa pagitan ng package at external circuitry.
Ang pagkakasunod-sunod ng pagkakabit ng solder ball:
Ang flux ay inilalapat sa mga substrate pad upang alisin ang mga dumi at oksido habang nasa proseso ng reflow, na nagbibigay-daan sa pantay na pagkatunaw at pagbibigay ng malinis na ibabaw.
Ang mga bolang panghinang ay inilalagay sa mga pad gamit ang isang espesyal na kagamitan sa pagsipsip o stencil printing. Ang flux ay nagbibigay ng pansamantalang pagdikit upang mapanatili ang mga bola sa lugar.
Ang assembly ay dumadaan sa isang reflow oven kung saan natutunaw ang mga solder ball, na bumubuo ng isang maaasahang koneksyon sa mga substrate pad.
Ang mga nalalabi ay tinatanggal gamit ang isang CFC-free inorganic cleaner.
Ang profile ng temperatura habang nasa reflow ay maingat na kinokontrol gamit ang mga parametro kabilang ang preheat dwell time, peak temperature, at cooling rate upang matiyak ang pinakamainam na pagkabuo ng joint nang walang pinsala sa substrate.
Ang mga karaniwang komposisyon ng solder alloy ay kinabibilangan ng:
8. Substrate ng Pakete Paggawa
Ang substrate mismo ay isang kritikal na bahagi na nangangailangan ng sopistikadong proseso ng pagmamanupaktura. Para sa mga organikong substrate, ang daloy ng paggawa ay kinabibilangan ng:
Isang napakanipis na foil na tanso (12–18μm ang kapal) ang nakalamina sa magkabilang gilid ng isang BT resin/glass core plate.
Ang mga butas na paikot ay binubutasan at nilalagay sa metal upang magbigay ng mga patayong pagkakabit.
Ang mga padron ay nililikha sa magkabilang panig ng substrate gamit ang mga kumbensyonal na pamamaraan ng PCB, na bumubuo ng mga gabay na bakas, mga electrode, at hanay ng mga solder zone para sa pagkakabit ng bola.
Naglalagay ng solder mask, na may mga disenyong nagpapakita ng mga bahagi ng elektrod at panghinang.
Ang pagtatapos sa ibabaw (hal., nickel/gold plating) ay inilalapat sa mga nakalantad na pad upang mapahusay ang kakayahang maghinang.
Tinutugunan ng mga advanced na pamamaraan sa paggawa ng substrate ang hamon ng pagproseso ng mga ultra-thin substrate. Sa pamamagitan ng pagsasama-sama ng dalawang napakanipis na substrate sa magkabilang gilid ng isang carrier, nadaragdagan ang kapal ng istruktura na kinakailangan para sa paggawa, na nagbibigay-daan sa mga kumbensyonal na kagamitan sa pagproseso na pangasiwaan ang mga ultra-thin substrate nang walang espesyal na pamumuhunan sa kagamitan.
9. Pag-iisa at Pangwakas na Pagproseso
Pag-iisapinaghihiwalay ang mga indibidwal na pakete mula sa substrate panel gamit ang mechanical sawing, laser cutting, o iba pang mga pamamaraan ng katumpakan.
Kasunod ng pag-iisa, ang mga pakete ay sumasailalim sa:
- Pangwakas na Inspeksyon sa Biswal: Natutukoy ng awtomatikong optical inspection ang mga depekto tulad ng misalignment, mga solder bridge, o mga bitak.
- Pagsusuri sa Elektrisidad: Pag-verify ng pagpapatuloy, paghihiwalay, at integridad ng signal.
- Inspeksyon sa X-ray: Para sa mga nakatagong tampok tulad ng mga solder joint sa mga flip-chip package at mga koneksyon ng solder ball.
- Bukas/Maikling Pagsusulit: Pag-verify ng pagpapatuloy ng kuryente.
- Pag-iimpake: Ang mga natapos na pakete ay nakaimpake sa mga tray para sa pagpapadala.
10. Mga Baryante ng Pakete
Ang PBGA ay isang die-up design, plastic overmolded BGA na gumagamit ng 2, 4, o 6 layer na BT substrate na may 0.8, 1.0, o 1.27mm ball pitch pataas. Nag-aalok ito ng mataas na I/O replacement para sa mga QFP package kapag ang I/O ay lumampas sa mga limitasyon ng QFP-256, na may pinahusay na electrical at thermal performance sa pamamagitan ng maraming routing layer.
Ang PBGA ay mainam para sa mga microprocessor, DSP, high pin-count ASIC, gate array, memory, at PC chipset, pati na rin para sa mga portable na aplikasyon kabilang ang cellular, wireless, at laptop PC.
Ang mga TFBGA/VFBGA ay mga cavity-up, wire-bonded, overmolded chip-scale packages na nag-aalok ng maliit na form factor at magaan na katangian. Ang mga paketeng ito ay gumagamit ng matrix format substrate na may karaniwang mold chase na tumatanggap ng iba't ibang laki ng pakete, na nagbibigay ng flexibility sa pagmamanupaktura at nagpapaikli sa oras ng pag-market.
Ang TFBGA/VFBGA ay angkop para sa memory, analog, Flash, ASIC, RF device, at mga simpleng PLD kung saan ang gastos at espasyo ay mga kritikal na salik.
Para sa mga aplikasyon na may mataas na pagiging maaasahan at mataas na dalas, ang mga ceramic substrate ay nag-aalok ng higit na mahusay na dimensional stability at thermal performance. Ang mga CBGA substrate ay ginagawa sa pamamagitan ng mga proseso ng multi-layer ceramic co-firing, ngunit nahaharap sa mga hamon kabilang ang CTE mismatch sa pagitan ng substrate, chip, at PCB—isang pangunahing mekanismo ng pagkabigo na tinutugunan sa pamamagitan ng mga istrukturang CCGA o HITCE ceramic substrate.
11. Mga Pagsasaalang-alang sa Pagkontrol ng Kalidad
Ang pagkontrol sa proseso sa buong daloy ng substrate packaging ay mahalaga para sa pagkamit ng mataas na ani at pagiging maaasahan ng produkto:
- Pagkapatag ng Substrate: Mahalaga ang pagkontrol sa pagbaluktot ng mga bahagi habang naghihinang at nagmomolde.
- Integridad ng Bono: Tinitiyak ng regular na pull at shear testing ang pagiging maaasahan ng pagkakabit ng alambre.
- Saklaw ng Kulang na Pagpunan: Tinitiyak ng inspeksyon ang kumpletong pagpuno ng mga puwang sa flip-chip.
- Integridad ng Bola ng Panghinang: Binibigyang-patunay ng inspeksyon ng X-ray ang wastong pagbuo ng solder joint.
- Kalidad ng Die Attach: Ang paglalagay ng void-free adhesive ay mahalaga para sa thermal at mechanical performance.
12. Konklusyon
Ang substrate-based packaging, lalo na ang mga BGA configuration, ay nagbibigay ng sopistikado at maraming gamit na plataporma ng pag-assemble para sa mga modernong semiconductor device. Ang daloy ng proseso—mula sa paghahanda ng wafer hanggang sa die attach, interconnection, molding, solder ball mounting, at final testing—ay nag-aalok ng mga makabuluhang bentahe kumpara sa mga leadframe package kabilang ang mas mataas na I/O density, superior electrical performance, pinahusay na thermal management, at mas malawak na design flexibility.
Kabilang sa mga umuusbong na uso ang paggamit ng mas manipis na substrates na pinapagana ng mga advanced na pamamaraan sa pagproseso ng carrier, compression molding para sa fine-gap encapsulation, at lead-free solder alloys para sa pagsunod sa kapaligiran. Habang patuloy na tumataas ang integration density at patuloy na lumiliit ang mga sukat ng pakete, ang mga teknolohiya ng substrate packaging ay patuloy na magbabago upang matugunan ang mga pangangailangan ng mga susunod na henerasyon ng mga aplikasyon ng semiconductor.