تحقیق در مورد فرآیند و تجهیزات پیوند قالب نیمه هادی

مطالعه بر روی قالب نیمه هادیفرآیند پیونداز جمله فرآیند باندینگ چسب، فرآیند باند یوتکتیک، فرآیند اتصال لحیم نرم، فرآیند پیوند زینترینگ نقره، فرآیند اتصال پرس گرم، فرآیند اتصال تراشه‌های فلیپ. انواع و شاخص های فنی مهم تجهیزات پیوند قالب نیمه هادی معرفی می شوند، وضعیت توسعه تجزیه و تحلیل می شود و روند توسعه پیش بینی می شود.

 

1 مروری بر صنعت نیمه هادی و بسته بندی

صنعت نیمه هادی به طور خاص شامل مواد و تجهیزات نیمه هادی بالادستی، تولید نیمه هادی میانی و کاربردهای پایین دستی است. صنعت نیمه هادی کشور من دیر شروع شد، اما پس از نزدیک به ده سال توسعه سریع، کشور من به بزرگترین بازار مصرف محصولات نیمه هادی و بزرگترین بازار تجهیزات نیمه هادی جهان تبدیل شده است. صنعت نیمه هادی در حالت یک نسل از تجهیزات، یک نسل فرآیند و یک نسل از محصولات به سرعت در حال توسعه است. تحقیق در مورد فرآیند و تجهیزات نیمه هادی، نیروی محرکه اصلی برای پیشرفت مستمر صنعت و تضمین صنعتی شدن و تولید انبوه محصولات نیمه هادی است.

 

تاریخچه توسعه فناوری بسته بندی نیمه هادی، تاریخچه بهبود مستمر عملکرد تراشه و کوچک سازی مداوم سیستم ها است. نیروی محرکه داخلی فناوری بسته بندی از حوزه گوشی های هوشمند پیشرفته به زمینه هایی مانند محاسبات با کارایی بالا و هوش مصنوعی تبدیل شده است. چهار مرحله توسعه فناوری بسته بندی نیمه هادی در جدول 1 نشان داده شده است.

همانطور که گره های فرآیند لیتوگرافی نیمه هادی به سمت 10 نانومتر، 7 نانومتر، 5 نانومتر، 3 نانومتر و 2 نانومتر حرکت می کنند، هزینه های تحقیق و توسعه و تولید همچنان افزایش می یابد، نرخ بازده کاهش می یابد و قانون مور کند می شود. از منظر روند توسعه صنعتی، که در حال حاضر توسط محدودیت های فیزیکی چگالی ترانزیستور و افزایش عظیم هزینه های ساخت محدود شده است، بسته بندی در جهت کوچک سازی، چگالی بالا، عملکرد بالا، سرعت بالا، فرکانس بالا و یکپارچگی بالا در حال توسعه است. صنعت نیمه هادی وارد دوران پس از مور شده است و فرآیندهای پیشرفته دیگر تنها بر پیشرفت گره های فناوری تولید ویفر متمرکز نمی شوند، بلکه به تدریج به فناوری بسته بندی پیشرفته روی می آورند. فناوری بسته بندی پیشرفته نه تنها می تواند عملکردها را بهبود بخشد و ارزش محصول را افزایش دهد، بلکه به طور موثر هزینه های تولید را کاهش می دهد و به یک مسیر مهم برای ادامه قانون مور تبدیل می شود. از یک طرف، فناوری ذرات هسته برای تقسیم سیستم های پیچیده به چندین فناوری بسته بندی که می توانند در بسته بندی های ناهمگن و ناهمگن بسته بندی شوند، استفاده می شود. از سوی دیگر، فناوری سیستم یکپارچه برای ادغام دستگاه ها از مواد و سازه های مختلف استفاده می شود که دارای مزایای عملکردی منحصر به فردی است. ادغام چندین عملکرد و دستگاه از مواد مختلف با استفاده از فناوری میکروالکترونیک محقق می شود و توسعه از مدارهای مجتمع به سیستم های یکپارچه تحقق می یابد.

 

بسته بندی نیمه هادی نقطه شروع تولید تراشه و پلی بین دنیای داخلی تراشه و سیستم خارجی است. در حال حاضر، علاوه بر نیمه هادی های سنتی بسته بندی و شرکت های تست، نیمه هادیویفرریخته‌گری‌ها، شرکت‌های طراحی نیمه‌رسانا، و شرکت‌های قطعات یکپارچه، فعالانه در حال توسعه بسته‌بندی پیشرفته یا فناوری‌های بسته‌بندی کلیدی مرتبط هستند.

 

فرآیندهای اصلی فناوری بسته بندی سنتی عبارتند ازویفرنازک کردن، برش، باندینگ قالب، باند سیم، آب بندی پلاستیک، آبکاری، برش و قالب گیری دنده ای و غیره. در این میان فرآیند پیوند قالب یکی از پیچیده ترین و حیاتی ترین فرآیندهای بسته بندی است و تجهیزات فرآیند باندینگ قالب نیز یکی از آنهاست. بحرانی ترین تجهیزات هسته ای در بسته بندی نیمه هادی است و یکی از تجهیزات بسته بندی با بالاترین ارزش بازار است. اگرچه فناوری بسته بندی پیشرفته از فرآیندهای جلویی مانند لیتوگرافی، اچینگ، متالیزاسیون و صفحه آرایی استفاده می کند، اما مهم ترین فرآیند بسته بندی هنوز فرآیند پیوند قالب است.

 

2 فرآیند اتصال قالب نیمه هادی

2.1 بررسی اجمالی

فرآیند پیوند قالب همچنین بارگذاری تراشه، بارگذاری هسته، باندینگ قالب، فرآیند پیوند تراشه و غیره نامیده می‌شود. فرآیند پیوند قالب در شکل 1 نشان داده شده است. به طور کلی، پیوند قالب برداشتن تراشه از ویفر با استفاده از سر جوش است نازل مکش را با استفاده از خلاء، و بر روی ناحیه پد تعیین شده قاب سرب یا بستر بسته بندی تحت هدایت بصری قرار دهید، به طوری که تراشه و لنت چسبانده و ثابت می شوند. کیفیت و کارایی فرآیند پیوند قالب مستقیماً بر کیفیت و کارایی اتصال سیم بعدی تأثیر می‌گذارد، بنابراین پیوند قالب یکی از فناوری‌های کلیدی در فرآیند نیمه هادی پس‌انداخت است.

 

برای فرآیندهای مختلف بسته بندی محصولات نیمه هادی، در حال حاضر شش فناوری فرآیند باند قالب اصلی وجود دارد که عبارتند از باندینگ چسب، اتصال یوتکتیک، اتصال لحیم نرم، اتصال زینترینگ نقره، اتصال با فشار داغ، و اتصال فلیپ چیپ. برای دستیابی به اتصال تراشه ای خوب، لازم است عناصر فرآیند کلیدی در فرآیند پیوند قالب با یکدیگر همکاری کنند، عمدتاً شامل مواد پیوند قالب، دما، زمان، فشار و سایر عناصر.

 

2. 2 فرآیند اتصال چسب

در حین باندینگ چسب، قبل از قرار دادن تراشه، باید مقدار معینی از چسب روی قاب سرب یا بستر بسته بندی اعمال شود و سپس سر باندینگ تراشه را برمی دارد و از طریق هدایت بینایی ماشین، تراشه به طور دقیق روی باندینگ قرار می گیرد. موقعیت قاب سربی یا بستر بسته پوشش داده شده با چسب، و نیروی اتصال قالب خاصی از طریق سر دستگاه پیوند قالب به تراشه اعمال می شود و یک لایه چسب بین تراشه و تراشه تشکیل می دهد. قاب سرب یا بستر بسته، به طوری که هدف از اتصال، نصب و تثبیت تراشه محقق شود. به این فرآیند پیوند قالب، فرآیند چسبندگی چسب نیز گفته می شود، زیرا باید چسب را در جلوی دستگاه باندینگ قالب زده شود.

 

چسب های پرکاربرد شامل مواد نیمه هادی مانند رزین اپوکسی و خمیر نقره رسانا هستند. باندینگ چسبی پرکاربردترین فرآیند پیوند قالب تراشه نیمه هادی است زیرا فرآیند نسبتاً ساده است، هزینه آن کم است و می توان از مواد مختلفی استفاده کرد.

 

2.3 فرآیند پیوند یوتکتیک

در طول پیوند یوتکتیک، مواد باند یوتکتیک معمولاً از قبل در پایین تراشه یا قاب سرب اعمال می شود. تجهیزات اتصال یوتکتیک تراشه را برمی دارد و توسط سیستم بینایی ماشین هدایت می شود تا تراشه را به طور دقیق در موقعیت اتصال مربوط به قاب سرب قرار دهد. تراشه و قاب سرب یک رابط پیوند یوتکتیک بین تراشه و بستر بسته را تحت اثر ترکیبی حرارت و فشار تشکیل می دهند. فرآیند پیوند یوتکتیک اغلب در بسته بندی قاب سربی و بستر سرامیکی استفاده می شود.

 

مواد پیوند یوتکتیک معمولاً توسط دو ماده در دمای معینی مخلوط می شوند. مواد رایج مورد استفاده شامل طلا و قلع، طلا و سیلیکون و غیره است. هنگام استفاده از فرآیند پیوند یوتکتیک، ماژول انتقال مسیر که قاب سرب در آن قرار دارد، قاب را از قبل گرم می کند. کلید تحقق فرآیند پیوند یوتکتیک این است که ماده پیوند یوتکتیک می تواند در دمایی بسیار پایین تر از نقطه ذوب دو ماده تشکیل دهنده ذوب شود و یک پیوند ایجاد کند. به منظور جلوگیری از اکسید شدن قاب در طول فرآیند پیوند یوتکتیک، فرآیند پیوند یوتکتیک اغلب از گازهای محافظ مانند گاز مخلوط هیدروژن و نیتروژن برای ورود به مسیر برای محافظت از قاب سرب استفاده می کند.

 

2. 4 فرآیند اتصال لحیم کاری نرم

هنگام اتصال لحیم نرم، قبل از قرار دادن تراشه، موقعیت اتصال روی قاب سرب قلع‌بندی و فشرده می‌شود یا دو قلع‌بندی می‌شود و قاب سرب باید در مسیر گرم شود. مزیت فرآیند اتصال لحیم کاری نرم هدایت حرارتی خوب است و عیب آن این است که اکسیده شدن آسان و فرآیند نسبتاً پیچیده است. برای بسته بندی قاب سرب دستگاه های قدرت، مانند بسته بندی طرح کلی ترانزیستور مناسب است.

 

2. 5 فرآیند پیوند زینترینگ نقره

امیدوار کننده ترین فرآیند پیوند برای تراشه های نیمه هادی نسل سوم فعلی، استفاده از فناوری تف جوشی ذرات فلزی است که پلیمرهایی مانند رزین اپوکسی مسئول اتصال در چسب رسانا را مخلوط می کند. دارای رسانایی الکتریکی عالی، هدایت حرارتی و ویژگی های سرویس در دمای بالا است. همچنین یک فناوری کلیدی برای پیشرفت های بیشتر در بسته بندی نیمه هادی نسل سوم در سال های اخیر است.

 

2.6 فرآیند پیوند حرارتی

در کاربرد بسته بندی مدارهای مجتمع سه بعدی با کارایی بالا، به دلیل کاهش مداوم گام ورودی/خروجی اتصال تراشه، اندازه و گام برجستگی، شرکت نیمه هادی اینتل فرآیند اتصال حرارتی فشرده سازی را برای کاربردهای پیشرفته باندینگ گام کوچک، اتصال کوچک راه اندازی کرده است. تراشه های برآمدگی با گام 40 تا 50 میکرومتر یا حتی 10 میکرومتر. فرآیند پیوند حرارتی برای کاربردهای تراشه به ویفر و تراشه به بستر مناسب است. به عنوان یک فرآیند چند مرحله ای سریع، فرآیند پیوند حرارتی با چالش هایی در مسائل کنترل فرآیند، مانند دمای ناهموار و ذوب غیرقابل کنترل لحیم کاری با حجم کم مواجه است. در طول اتصال حرارتی، دما، فشار، موقعیت و غیره باید الزامات کنترل دقیق را برآورده کنند.

 

2.7 فرآیند اتصال تراشه برگردان

اصل فرآیند اتصال تراشه فلیپ در شکل 2 نشان داده شده است. مکانیزم فلیپ تراشه را از ویفر برمی دارد و آن را 180 درجه می چرخاند تا تراشه را انتقال دهد. نازل سر لحیم کاری تراشه را از مکانیزم چرخاندن می گیرد و جهت ضربه تراشه به سمت پایین است. پس از اینکه نازل سر جوش به بالای بستر بسته بندی حرکت کرد، به سمت پایین حرکت می کند تا تراشه را روی بستر بسته بندی چسبانده و ثابت کند.

 

بسته بندی تراشه فلیپ یک فناوری پیشرفته اتصال تراشه است و به مسیر اصلی توسعه فناوری بسته بندی پیشرفته تبدیل شده است. دارای ویژگی های چگالی بالا، عملکرد بالا، نازک و کوتاه است و می تواند نیازهای توسعه محصولات الکترونیکی مصرفی مانند تلفن های هوشمند و تبلت ها را برآورده کند. فرآیند باندینگ فلیپ چیپ هزینه بسته بندی را کاهش می دهد و می تواند تراشه های انباشته و بسته بندی سه بعدی را درک کند. این به طور گسترده در زمینه های فن آوری بسته بندی مانند بسته بندی یکپارچه 2.5D/3D، بسته بندی در سطح ویفر و بسته بندی در سطح سیستم استفاده می شود. فرآیند باندینگ فلیپ چیپ پرکاربردترین و پرکاربردترین فرآیند پیوند قالب جامد در فناوری بسته بندی پیشرفته است.