eng
Выпуск #1/2025
И. Мандрик, И. Новожилов
ОБОРУДОВАНИЕ И МЕТОДЫ МОНТАЖА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ КРИСТАЛЛОВ
ОБОРУДОВАНИЕ И МЕТОДЫ МОНТАЖА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ КРИСТАЛЛОВ
Просмотры: 1010
DOI: 10.22184/1992-4178.2025.242.1.76.83
Рассмотрено оборудование для высокоточного монтажа полупроводниковых кристаллов и предъявляемые к нему требования, а также приведена информация о различных методах монтажа кристаллов.
Рассмотрено оборудование для высокоточного монтажа полупроводниковых кристаллов и предъявляемые к нему требования, а также приведена информация о различных методах монтажа кристаллов.
Оборудование и методы монтажа полупроводниковых кристаллов
И. Мандрик, к.т.н. , И. Новожилов
Монтаж кристаллов интегральных схем (ИС) является одним из ключевых этапов сборки полупроводниковых устройств (ППУ). Соединение кристалла ИС с основанием корпуса ППУ должно обеспечивать заданную механическую прочность, отвод тепла, стойкость к ударам и вибрациям. Применение специализированного оборудования для присоединения и пайки кристаллов имеет решающее значение для обеспечения производительности и качества процесса.
В данной статье рассмотрено оборудование для высокоточного монтажа полупроводниковых кристаллов и предъявляемые к нему требования, а также приведена информация о различных методах монтажа кристаллов.
В настоящее время наиболее трудоемкими технологическими операциями при изготовлении ППУ являются процессы сборки. Около 60–70% от общей стоимости изготовления ППУ приходится на монтажно-сборочные операции. Эти затраты обоснованы, так как от качества выполнения данных операций напрямую зависит эксплуатационная надежность готовых изделий. Разработка новых способов и технологий монтажа кристаллов находится в центре внимания разработчиков ППУ. Использование таких технологий, как корпусирование ИС на уровне полупроводниковой пластины (WLP), разработка архитектур систем-в-корпусе (SiP), сборка ИС с использованием методов 2,5D-и 3D-интеграции направлены на уменьшение размеров ППУ и сокращение длины межсоединений за счет замены длинных горизонтальных связей на короткие вертикальные. Особенностью, с которой обычно сталкиваются разработчики ППУ на производствах, использующих новые технологии сборки, является широкое разнообразие характеристик оборудования и методов монтажа кристаллов.
Требования к оборудованию
для монтажа кристаллов
Конструкция платформы установки имеет решающее значение для высокоточного монтажа, так как нестабильность, случайное смещение или вибрация приводят к дополнительной ошибке при установке кристалла.
Параметры оборудования, влияющие на точность установки кристаллов, включают:
Продуманная конструкция платформы начинается с выбора материалов, которые стабильны независимо от перепадов температуры и влажности. Для этого используются гранит или полимерные материалы. Рама установки проектируется с учетом КТР сопутствующих элементов оборудования для исключения относительного смещения. Манипулятор не должен быть консольной конструкции для минимизации усилия и износа, приводящих к снижению производительности.
Машинное зрение также имеет важное значение для высокоточного монтажа. Управление подсветкой кристалла, разрешение камеры и выбор оптики – ключевые параметры для анализа и обработки изображений с высокой степенью детализации. Подсветка должна обладать высокой гибкостью регулировки для достижения необходимого контраста для быстрой и качественной обработки изображений. Одним из таких решений является система из двух камер для кристалла и подложки. Использование такой системы позволяет одновременно опознавать элементы и реперные метки на кристалле и подложке для повышения точности монтажа.
Для облегчения ориентации и повышения повторяемости операций монтажа на поверхности кристаллов формируются отдельные элементы (метки совмещения), выполняющие роль маркеров. Система машинного зрения должна быстро находить и выравнивать кристаллы, располагающиеся в произвольной ориентации. Однако даже сложная система машинного зрения требует оптических ориентиров для монтажа с высокой точностью.
Методы монтажа кристаллов
Монтаж на адгезив
Одним из наиболее распространенных методов создания соединения между кристаллом и корпусом ППУ является процесс монтажа с использованием адгезива. На первом этапе наносится проводящий или непроводящий адгезив. Для этого используются различные методы (шприцевое дозирование, штемпелевание, каплеструйное нанесение и др.). На следующем этапе кристалл захватывается вакуумной монтажной головкой и устанавливается на адгезив. Затем адгезив отверждается с использованием нагрева в течение заданного времени.
Настраиваемые параметры:
Преимущества метода:
Монтаж на УФ-отверждаемый адгезив
В отличие от эпоксидного адгезива, для которого требуются определенное время и температура в зависимости от его типа, УФ-клей остается в жидком состоянии до тех пор, пока не подвергнется воздействию УФ-излучения. Время отверждения при воздействии УФ-излучения составляет всего несколько секунд.
Настраиваемые параметры:
Преимущества метода:
Монтаж ультразвуком
Монтаж ультразвуком – это процесс монтажа кристалла с использованием давления и ультразвуковой вибрации (трения) для создания электропроводящего соединения между кристаллом и подложкой. Так как этот процесс можно использовать при комнатной температуре, в отличие от термозвукового монтажа, дополнительного нагрева подложки в данном случае не требуется. Компоненты, чувствительные к температуре, или компоненты, которые трудно нагреть, могут быть установлены с использованием ультразвука.
Настраиваемые параметры:
Преимущества метода:
Термокомпрессионный монтаж
В большинстве случаев данный процесс заключается в монтаже методом перевернутого кристалла с шариками (бампами) припоя на подложку. При прикладывании силы и нагреве в течение заданного времени создается электропроводящий контакт. Данная технология особенно подходит для радиочастотных и оптоэлектронных устройств. Например, в системах «кристалл-кристалл» и «кристалл-пластина». В качестве соединения используются сплавы золото-золото (Au-Au) и золото-кремний (Au-Si).
Настраиваемые параметры:
Преимущества метода:
Монтаж кристалла с использованием
технологии спекания (синтеринга)
В процессе спекания кристалл приклеивается к подложке с использованием пасты на основе наночастиц серебра. Это происходит под воздействием температуры (более 220 °C) и давления (в диапазоне 50–300 бар). Наночастицы серебра соединяются друг с другом за счет диффузионных процессов. Преимуществом по сравнению с обычными процессами пайки является высокая термомеханическая стабильность, которая необходима, прежде всего, в силовой электронике.
Сортировка кристаллов
Процесс сортировки заключается в перемещении кристаллов из одного источника кристаллов в другой носитель. Чаще всего кристаллы перемещаются из пластин (источник) в контейнер для кристаллов (waffle pack). Cуществует также сортировка в ленты, контейнеры с гель-пленкой (Gel-Pak) или другие носители для транспортировки кристаллов.
Монтаж кристалла на эвтектический сплав
В данном процессе монтажа используются особые свойства отдельных материалов и их сплавов. Часто применяемый в данном методе сплав золото-олово (Au-Sn) имеет температуру плавления 280 °С, а сплав золото-кремний (Au-Si) – 363 °С.
Преимущество эвтектических сплавов в том, что их температура плавления значительно ниже, чем у ряда других материалов. При нагревании выше эвтектической температуры образуется «жидкая фаза» и возникает соединение на атомарном уровне. Еще одним существенным преимуществом эвтектического соединения является то, что кристалл и подложка соединяются электрически и механически за один технологический этап.
Настраиваемые параметры:
Преимущества метода:
***
С развитием передовых технологий гетерогенной интеграции требования к точности монтажа кристаллов становятся все более строгими. В условиях растущего спроса на более компактную и эффективную электронику технологии сборки полупроводниковых устройств требуют особого внимания. Компания «Диполь» является экспертом в области высокоточной сборки и имеет многолетний опыт работы в области микроэлектроники. Компания «Диполь» предлагает широкий спектр инструментов и технологического оборудования для прецизионного монтажа и сортировки кристаллов (рис. 1–6, табл. 1–4), которые могут быть использованы как в научных исследованиях, так и в мелкосерийном и крупносерийном производствах. Возможно объединение нескольких типов установок в конвейерную линию, а также оснащение платформы SMD-питателями, вибролотком для подбора из россыпи, модулем синтеринга для максимальной универсальности процесса монтажа компонентов. Специалисты компании «Диполь» всегда помогут с выбором подходящего технологического решения в рамках поставленной задачи.
И. Мандрик, к.т.н. , И. Новожилов
Монтаж кристаллов интегральных схем (ИС) является одним из ключевых этапов сборки полупроводниковых устройств (ППУ). Соединение кристалла ИС с основанием корпуса ППУ должно обеспечивать заданную механическую прочность, отвод тепла, стойкость к ударам и вибрациям. Применение специализированного оборудования для присоединения и пайки кристаллов имеет решающее значение для обеспечения производительности и качества процесса.
В данной статье рассмотрено оборудование для высокоточного монтажа полупроводниковых кристаллов и предъявляемые к нему требования, а также приведена информация о различных методах монтажа кристаллов.
В настоящее время наиболее трудоемкими технологическими операциями при изготовлении ППУ являются процессы сборки. Около 60–70% от общей стоимости изготовления ППУ приходится на монтажно-сборочные операции. Эти затраты обоснованы, так как от качества выполнения данных операций напрямую зависит эксплуатационная надежность готовых изделий. Разработка новых способов и технологий монтажа кристаллов находится в центре внимания разработчиков ППУ. Использование таких технологий, как корпусирование ИС на уровне полупроводниковой пластины (WLP), разработка архитектур систем-в-корпусе (SiP), сборка ИС с использованием методов 2,5D-и 3D-интеграции направлены на уменьшение размеров ППУ и сокращение длины межсоединений за счет замены длинных горизонтальных связей на короткие вертикальные. Особенностью, с которой обычно сталкиваются разработчики ППУ на производствах, использующих новые технологии сборки, является широкое разнообразие характеристик оборудования и методов монтажа кристаллов.
Требования к оборудованию
для монтажа кристаллов
Конструкция платформы установки имеет решающее значение для высокоточного монтажа, так как нестабильность, случайное смещение или вибрация приводят к дополнительной ошибке при установке кристалла.
Параметры оборудования, влияющие на точность установки кристаллов, включают:
- расположение линейных энкодеров;
- использование термостабильных материалов с соответствующими коэффициентами теплового расширения (КТР);
- наличие встроенной системы защиты от вибраций;
- современное машинное зрение;
- стабильное программное обеспечение;
- способность захвата удерживать кристалл в определенном положении относительно его центра;
- разрешение энкодера, отвечающего за вращение захвата;
- динамический и статический контроль усилия в процессе монтажа;
- надлежащая калибровка оборудования.
Продуманная конструкция платформы начинается с выбора материалов, которые стабильны независимо от перепадов температуры и влажности. Для этого используются гранит или полимерные материалы. Рама установки проектируется с учетом КТР сопутствующих элементов оборудования для исключения относительного смещения. Манипулятор не должен быть консольной конструкции для минимизации усилия и износа, приводящих к снижению производительности.
Машинное зрение также имеет важное значение для высокоточного монтажа. Управление подсветкой кристалла, разрешение камеры и выбор оптики – ключевые параметры для анализа и обработки изображений с высокой степенью детализации. Подсветка должна обладать высокой гибкостью регулировки для достижения необходимого контраста для быстрой и качественной обработки изображений. Одним из таких решений является система из двух камер для кристалла и подложки. Использование такой системы позволяет одновременно опознавать элементы и реперные метки на кристалле и подложке для повышения точности монтажа.
Для облегчения ориентации и повышения повторяемости операций монтажа на поверхности кристаллов формируются отдельные элементы (метки совмещения), выполняющие роль маркеров. Система машинного зрения должна быстро находить и выравнивать кристаллы, располагающиеся в произвольной ориентации. Однако даже сложная система машинного зрения требует оптических ориентиров для монтажа с высокой точностью.
Методы монтажа кристаллов
Монтаж на адгезив
Одним из наиболее распространенных методов создания соединения между кристаллом и корпусом ППУ является процесс монтажа с использованием адгезива. На первом этапе наносится проводящий или непроводящий адгезив. Для этого используются различные методы (шприцевое дозирование, штемпелевание, каплеструйное нанесение и др.). На следующем этапе кристалл захватывается вакуумной монтажной головкой и устанавливается на адгезив. Затем адгезив отверждается с использованием нагрева в течение заданного времени.
Настраиваемые параметры:
- объем адгезива;
- рисунок нанесения адгезива;
- давление в дозаторе;
- время ожидания между операциями дозирования.
Преимущества метода:
- низкое прикладываемое усилие на кристалл;
- низкая термическая нагрузка на кристалл.
Монтаж на УФ-отверждаемый адгезив
В отличие от эпоксидного адгезива, для которого требуются определенное время и температура в зависимости от его типа, УФ-клей остается в жидком состоянии до тех пор, пока не подвергнется воздействию УФ-излучения. Время отверждения при воздействии УФ-излучения составляет всего несколько секунд.
Настраиваемые параметры:
- объем адгезива;
- рисунок нанесения адгезива;
- давление в дозаторе;
- время ожидания между операциями дозирования.
Преимущества метода:
- низкое прикладываемое усилие на кристалл;
- отсутствие термической нагрузки на кристалл;
- свободно определяемое время для полимеризации;
- быстрое отверждение.
Монтаж ультразвуком
Монтаж ультразвуком – это процесс монтажа кристалла с использованием давления и ультразвуковой вибрации (трения) для создания электропроводящего соединения между кристаллом и подложкой. Так как этот процесс можно использовать при комнатной температуре, в отличие от термозвукового монтажа, дополнительного нагрева подложки в данном случае не требуется. Компоненты, чувствительные к температуре, или компоненты, которые трудно нагреть, могут быть установлены с использованием ультразвука.
Настраиваемые параметры:
- усилие при склеивании;
- мощность ультразвука;
- частота;
- время применения ультразвука.
Преимущества метода:
- уменьшение времени монтажа;
- не требует дополнительного нагрева.
Термокомпрессионный монтаж
В большинстве случаев данный процесс заключается в монтаже методом перевернутого кристалла с шариками (бампами) припоя на подложку. При прикладывании силы и нагреве в течение заданного времени создается электропроводящий контакт. Данная технология особенно подходит для радиочастотных и оптоэлектронных устройств. Например, в системах «кристалл-кристалл» и «кристалл-пластина». В качестве соединения используются сплавы золото-золото (Au-Au) и золото-кремний (Au-Si).
Настраиваемые параметры:
- усилие при склеивании;
- температура подложки;
- температура монтажной головки.
Преимущества метода:
- высокая прочность соединения;
- электропроводящее соединение.
Монтаж кристалла с использованием
технологии спекания (синтеринга)
В процессе спекания кристалл приклеивается к подложке с использованием пасты на основе наночастиц серебра. Это происходит под воздействием температуры (более 220 °C) и давления (в диапазоне 50–300 бар). Наночастицы серебра соединяются друг с другом за счет диффузионных процессов. Преимуществом по сравнению с обычными процессами пайки является высокая термомеханическая стабильность, которая необходима, прежде всего, в силовой электронике.
Сортировка кристаллов
Процесс сортировки заключается в перемещении кристаллов из одного источника кристаллов в другой носитель. Чаще всего кристаллы перемещаются из пластин (источник) в контейнер для кристаллов (waffle pack). Cуществует также сортировка в ленты, контейнеры с гель-пленкой (Gel-Pak) или другие носители для транспортировки кристаллов.
Монтаж кристалла на эвтектический сплав
В данном процессе монтажа используются особые свойства отдельных материалов и их сплавов. Часто применяемый в данном методе сплав золото-олово (Au-Sn) имеет температуру плавления 280 °С, а сплав золото-кремний (Au-Si) – 363 °С.
Преимущество эвтектических сплавов в том, что их температура плавления значительно ниже, чем у ряда других материалов. При нагревании выше эвтектической температуры образуется «жидкая фаза» и возникает соединение на атомарном уровне. Еще одним существенным преимуществом эвтектического соединения является то, что кристалл и подложка соединяются электрически и механически за один технологический этап.
Настраиваемые параметры:
- температура подложки;
- температура монтажной головки;
- температурный профиль пайки.
Преимущества метода:
- герметичность соединения;
- низкие температуры в сравнении термокомпресионным монтажом.
***
С развитием передовых технологий гетерогенной интеграции требования к точности монтажа кристаллов становятся все более строгими. В условиях растущего спроса на более компактную и эффективную электронику технологии сборки полупроводниковых устройств требуют особого внимания. Компания «Диполь» является экспертом в области высокоточной сборки и имеет многолетний опыт работы в области микроэлектроники. Компания «Диполь» предлагает широкий спектр инструментов и технологического оборудования для прецизионного монтажа и сортировки кристаллов (рис. 1–6, табл. 1–4), которые могут быть использованы как в научных исследованиях, так и в мелкосерийном и крупносерийном производствах. Возможно объединение нескольких типов установок в конвейерную линию, а также оснащение платформы SMD-питателями, вибролотком для подбора из россыпи, модулем синтеринга для максимальной универсальности процесса монтажа компонентов. Специалисты компании «Диполь» всегда помогут с выбором подходящего технологического решения в рамках поставленной задачи.
Отзывы читателей
