ALMA MATER STUDIORUM - UNIVERSITA’ DI BOLOGNA
SCHEDE FLIP CHIP
Introduzione
La scheda elettronica deve consentire ai chip e agli altri componenti, dotati di velocità di
comunicazione interne molto alte, di colloquiare tra loro nella maniera più efficace possibile.
Connessioni tra packaging di primo e
secondo livello:
Packaging di primo livello:
• PHT (Pin Through Hole)
• il chip 1 è collegato al substrato con
tecnica tradizionale (Wire Bonding)
• SMT (Surface Mount Tecnology) che
consente di sfruttare entrambi i layer della
scheda
• il chip 2 sfrutta la tecnica
del Flip-Chip Bonding
Tecnologia Flip-Chip (1)
La connessione Flip-Chip viene effettuata sfruttando tutta l’area
sottostante alla superficie attiva del chip mediante sfere (BGA - Ball
Grid Array) di materiale di giunzione (tipicamente in lega saldante
piombo-stagno) e presenta numerosi vantaggi rispetto alle connessioni
Wire Bonding:
 Riduce l’induttanza di segnale: si hanno linee di interconnessione
più corte (0.1 mm contro 1-5 mm); questo è un punto chiave per
componenti ad alta frequenza e switching device
 Riduce l’induttanza tra alimentazione e massa: l’alimentazione può
essere portata direttamente al core del componente; questo
accorgimento abbassa notevolmente il rumore sull’alimentazione a
vantaggio delle prestazioni
 Aumenta la densità di segnali: può utilizzare l’intera superficie del die per le interconnessioni
perciò può supportarne una quantità maggiore a parità di area
 Restringimento del die: può favorire il rispetto di specifiche sulle dimensioni o sul costo,
dovendo utilizzare meno silicio
 Riduce il package footprint: la dimensione totale del package può essere ridotta utilizzando la
tecnica Flip-Chip; questo può essere dovuto alla riduzione dell’area di die, alla riduzione (o
annullamento) degli spazi dedicati ai fili o all’utilizzo di una tecnologia con più elevata densità di
substrato.
Tecnologia Flip-Chip (2)
È possibile distinguere due tipologie di connessione all’interno della tecnologia Flip-Chip:
• PBGA (Plastic Ball Grid Array): vengono utilizzati punti di
saldatura che sono delle sfere di lega conduttiva, mentre il
substrato è di tipo plastico; quest’ultima caratteristica rende il
processo meno costoso rispetto al caso di substrato ceramico per
via dei minori costi di materiale e della minor temperatura di
processo, ma rende anche il dispositivo meno prestante dal punto
di vista della dissipazione di calore
• CBGA e CCGA (Ceramic Ball Grid Array e Ceramic Column Grid
Array): presentano un substrato di tipo ceramico che porta il
dispositivo ad avere un’espansione 3 volte più bassa oltre ad
avere una conduzione 25 volte migliore rispetto al caso
precedente, aumentandone l’affidabilità; è possibile scegliere se
utilizzare punti di interconnessione “a sfera” oppure “a colonna”
Il Flip-Chip su substrato ceramico è stato il più utilizzato per la sua dimostrata affidabilità, mentre
per quel che riguarda il substrato plastico è tuttora oggetto di studio perchè ha un’affidabilità più
limitata del componente, ma ovviamente porta ad una netta riduzione di costi
Struttura del Flip-Chip
Chip in silicio: è l’unità operativa di ogni sistema elettronico, contiene al suo interno milioni di
transistor in grado di eseguire le funzioni principali e dev’essere collegato al resto del sistema
elettronico attraverso il packaging
Strato di passivazione del silicio (di solito Nitruro di silicio): ha funzione di protezione del chip
Modulo o substrato (di materiale ceramico o plastico): permette il fissaggio del chip alla scheda
Solder joint di Sn/Pb eutettico: è una sfera (o colonna) di materiale in grado di saldare tra loro i
pads di alluminio del chip con quelli di rame presenti nel modulo; questa funzione dev’essere
ottimizzata per permettere al segnale elettrico di passare dal chip al modulo senza dispersione ed
è, per questo, uno degli aspetti più critici del processo
Solder mask: ha funzione di protezione del modulo; come per il caso dello strato di passivazione
del silicio, quando si collegano i pads di Al e Cu non è desiderabile che il segnale elettrico
interessi anche le zone circostanti i pads
Finiture metalliche (pads) in rame dalla parte del modulo
Pads di alluminio sul chip
Underfill: materiale utilizzato per proteggere la connessione dall’ambiente esterno e per
aumentare l’affidabilità del collegamento
Il Packaging si occupa di mettere insieme questi componenti per ottenere una struttura il più
affidabile possibile, passando attraverso scelte di materiali e scelte di processo che devono
portare alla riduzione dei costi
Processo di fabbricazione
con tecnologia Flip-Chip
Le sferette di Sn/Pb sono in composizione eutettica e ciò consente di avere temperature di fusione
relativamente basse: ciò causa una minor sollecitazione sia nel silicio che negli altri materiali che
entrano nel forno
Under Bump Metallization: i pads in Al del chip vengono rivestiti con dei materiali specifici
(tipicamente nichel-fosforo ed un sottile strato d’oro) facilitando il collegamento col giunto di
saldatura
Bumping: deposizione delle sfere tramite tecniche di evaporazione o elettrodeposizione
Posizionamento del chip: può avvenire in maniera manuale o attraverso macchine automatiche
Reflow: il chip viene inserito in un forno di rifusione dov’è sottoposto ad un preciso profilo di
temperature e si forma la connessione tra substrato e chip grazie all’ovalizzazione delle sfere
Bake: il chip viene cotto per circa 2 ore ad una temperatura di circa 120-150 °C per eliminare la
contaminazione da residui eventualmente rimasti dopo la fase di rifusione
Dispensa dell’underfill: con appositi macchinari viene fatta scorrere al di sotto del chip una
resina; per favorire lo scorrimento è necessaria una fase di riscaldamento del substrato fino a
circa 80 °C
Polimerizzazione dell’underfill: passa dallo stato liquido a quello solido indurendosi se è portata
a temperature elevate per un certo periodo di tempo
Processo di dispensa dell’underfill
Inizialmente:
• Flow time (tempo di scorrimento) dell’ordine di 1-5 min.
• Cure time (tempo di polimerizzazione) di 30-90 min. a 125-165 °C
Gli sviluppi degli ultimi anni hanno portato a parlare di:
• Fast Flow (scorrimento veloce) con un tempo compreso tra i 5 sec. e il minuto
• Snap Cure (polimerizzazione veloce) che impiega un tempo di 5-10 min. a 150-165 °C
Problema di affidabilità: per ridurre i costi è stato introdotto il substrato plastico
La principale differenza tra il materile plastico e quello ceramico è il CTE
( Coefficient of Thermal Expansion): per il primo il coefficiente di
espansione termica è pari a 20 ppm/°C mentre per il secondo corrisponde a
5 ppm/°C
Il CTE del silicio è di 3 ppm/°C: c’è quindi una dilatazione differenziale dei
diversi materiali. Per temperature elevate si ha un trazione del silicio causata
dal substrato e viceversa; questo problema è molto più evidente per
substrati di tipo plastico
Una volta realizzata, la struttura del Flip-Chip è sottoposta a test severi di umidità e a cicli di
temperatura, proprio per verificarne l’affidabilità
STMicroelectronics 400μm Flip-Chip (1)
Il materiale saldante è composto al 95,5% da stagno, al 4% da argento e per il restante 0,5% da rame
Le sferette hanno un diametro di 255μm e consentono il pick and place
attraverso le strumentazioni già esistenti; la tolleranza sulle dimensioni
delle sferette è molto stringente per assicurare una complanarità tra die e
bumps inferiore ai 50μm
La composizione eutettica garantisce una temperatura di fusione tra i
217°C e i 221°C
La tecnologia a 400μm si riferisce alla distanza tra due sferette adiacenti
di materiale saldante
Il Flip-Chip presenta un marker nell’angolo in alto a sinistra, su entrambe
le facce, sia quella piatta si quella con le sferette di connessione in
maniera che l’orientazione del componente risulti evidente prima e dopo
l’assemblaggio
Nel package sono presenti anche ulteriori indicazioni quali il logo della
casa costruttrice, il marchio ECOPACK, la locazione nella quale il
componente è stato costruito e la relativa data ( anno e mese)
Il prodotto finale viene confezionato e sigillato per essere completamente compatibile con gli
standard per i componenti SMD
STMicroelectronics 400μm Flip-Chip (2)
STMicroelectronics raccomanda alcune condizioni da rispettare:
• umidità relativa tra il 15% e il 70%
• range di temperatura tra i -55°C e i 150°C
• evitare l’esposizione diretta coi raggi solari
Per quel che riguarda il montaggio
su PCB:
• mantenere il dispositivo il meno
possibile alla temperatura di
rifusione (220°C) per non incorrere in
danni al chip
• la temperatura massima non deve
superare i 260°C
• prestare molta attenzione alle
impurità atmosferiche durante
l’intero processo di rifusione
Il dispositivo Flip-Chip è in grado di resistere a 3 processi di
rifusione:
- 2 montaggi superficiali per supportare la tecnologia SMD
- 1 eventuale processo di rework
• è possibile effettuare la deposizione
di underfill (seppur non necessaria)
purchè non superi i 175 °C di
temperatura e i 5 min. di durata
STMicroelectronics 400μm Flip-Chip
(processo di rework)
Rimozione del chip: vengono fuse le giunzioni saldanti con un laser che applica la temperatura di
260°C in una zona molto precisa per non interessare le zone limitrofe
Ripulire dalle saldature le zone precedentemente lavorate con tools automatizzati necessari per
non rovinare i pads, le maschere di saldatura e i componenti adiacenti
Posizionamento del nuovo componente: viene usata una mini-matrice che consente di
riposizionare il materiale saldante in uniformità con l’assemblaggio WLCSP (Wafer Level Chip
Scale Package); fatto ciò si riprocede alla rifusione delle saldature mediante laser o re-inserendo
l’intera scheda in un forno
COMINTEC ONYX32
- controllo automatizzato delle variabili spaziali x,y,z e della
variabile angolare θ
- allineamento automatizzato secondo la tecnologia DFS
(Digital Feature Separation)
- sensori di precisione e controllori del flusso di massa
- quattro zone di preriscaldamento
- stazione di flux dipping
- controlli FireWire (IEEE1394)
- software visual machineT
- tavolo di lavoro che include un cabinet per l’alimentazione
Optional: testine di dosaggio, sensori di temperatura e siti per la rimozione delle saldature