Processo de montagem de substratos de circuitos integrados: uma visão geral técnica abrangente.
1. Introdução
A embalagem baseada em substrato, particularmente as configurações BGA, tornou-se a tecnologia de montagem dominante para circuitos integrados de alto desempenho e alta densidade de entradas/saídas. Ao contrário das embalagens com estrutura de chumbo, que utilizam uma estrutura metálica para interconexão, as embalagens de substrato empregam um laminado orgânico ou cerâmico.Substrato Ic que fornece múltiplas camadas de roteamento, planos de alimentação e terra, e interconexão de esferas de solda em matriz de área.
O próprio substrato é uma estrutura multicamadas, tipicamente construída a partir de resina de bismaleimida triazina (BT) com reforço de vidro ou materiais de poliimida. Para variantes de substrato cerâmico, o processo de fabricação envolve a co-queima em alta temperatura de estruturas cerâmicas multicamadas para obter substratos metalizados de alta densidade.
Embora os encapsulamentos de substrato compartilhem a primeira metade do processo de montagem com os encapsulamentos de estrutura de chumbo — incluindo retificação da parte traseira do wafer, serragem, fixação do chip, Ligação de fios ou ligação flip-chip e moldagem — os processos de back-end diferem significativamente. Os encapsulamentos de substrato passam por montagem de esferas de solda, refluxo, separação individual e inspeção final, enquanto os encapsulamentos de leadframe requerem operações de corte, revestimento e conformação.
2. Fase de Preparação do Wafer
2.1 Retificação reversa
O processo de encapsulamento começa com a retificação da parte traseira do wafer, reduzindo sua espessura para as especificações adequadas ao encapsulamento final. Para configurações de chips empilhados, os wafers são retificados para dimensões significativamente menores, a fim de acomodar múltiplas camadas de chips dentro das restrições de altura do encapsulamento.
O processo de retificação traseira emprega uma sequência progressiva: a retificação grosseira remove o material em excesso, a retificação fina proporciona precisão dimensional e o polimento elimina microfissuras superficiais que poderiam levar à suscetibilidade à fratura. Uma fita protetora é laminada na superfície ativa antes da retificação para evitar danos ao circuito. Após a retificação, uma fita de montagem é aplicada na parte traseira do wafer, e o wafer é montado em uma estrutura anelar para manuseio.
2.2 Serragem de wafers
O corte (ou fatiamento) de wafers separa o wafer processado em chips individuais usando uma lâmina rotativa impregnada com grãos de diamante. Para wafers cada vez mais finos, o corte a laser oferece uma alternativa sem contato que reduz o risco de quebra. Após o corte, os chips são limpos em água deionizada para remover a poeira de silício e a carga estática acumulada durante o processo.
3. Processo de Fixação do Chip
A aplicação de chips transfere chips individuais da fita de montagem para a área de contato do chip no substrato. O processo requer operações precisas de coleta e posicionamento, com seleção cuidadosa do adesivo.
Os materiais adesivos dividem-se em duas categorias:
Antes da colocação do chip, uma resina epóxi com carga de prata é aplicada sobre a área de contato do substrato utilizando uma seringa ou impressão com estêncil. Esses adesivos condutores garantem o contato ôhmico entre o chip e o substrato.
Filmes de fixação de chips ou filmes de laminação da parte traseira do wafer são laminados na parte traseira do wafer após a retificação e cortados juntamente com o wafer. O filme de fixação de chips é cortado simultaneamente com o chip, permitindo a transferência simultânea do chip e do adesivo. Essa abordagem é particularmente vantajosa para configurações com chips empilhados.
Um fator crítico durante a montagem do chip é a força adesiva da fita de fixação. O adesivo deve manter uma forte aderência durante o corte do wafer, mas enfraquecer o suficiente após a exposição à radiação ultravioleta antes da remoção do chip, permitindo sua retirada limpa e sem danos.
4. Interconexão: Métodos de Conexão Elétrica
A interconexão estabelece caminhos elétricos entre os pads de ligação do chip e os contatos de ligação do substrato. Dois métodos principais são empregados: ligação por fio e ligação flip-chip.
4.1 Ligação por Fio
A ligação por fio utiliza fios de ouro ou cobre, juntamente com calor, pressão e vibração, para conectar eletricamente chips e substratos. A sequência do processo segue estas etapas:
A extremidade do fio que se estende do capilar é derretida por ignição eletrônica, criando uma esfera devido à tensão superficial.
O FAB é comprimido sobre a área de contato do chip, formando a primeira ligação.
O capilar move-se em direção ao contato de ligação do substrato, liberando o fio para criar o perfil de laço necessário.
O fio é pressionado contra o terminal de ligação para formar a segunda ligação.
O fio é puxado para trás e cortado, preparando-o para a próxima ligação.
Para encapsulamento de substratos, o fio de ouro é comumente usado devido à sua excelente condutividade elétrica e ductilidade. Variantes de fio de cobre, incluindo cobre revestido com paládio (Pd-Cu), também ganharam adoção para redução de custos e melhoria do desempenho elétrico.
Antes da ligação dos fios, é realizada uma limpeza a plasma para remover contaminantes das superfícies de ligação, garantindo uma adesão ideal.
4.2 Colagem e preenchimento inferior Flip-Chip
A tecnologia flip-chip cria protuberâncias de solda na superfície do chip e as conecta diretamente aos pads correspondentes no substrato, proporcionando um desempenho elétrico superior em comparação com a ligação por fio, eliminando longos laços de fio.
Dois processos de ligação flip-chip são comumente empregados:
As esferas de solda são derretidas em alta temperatura para fixar o chip ao substrato.
Calor e pressão são aplicados à junção para formar a conexão entre o chip e o substrato.
A diferença no coeficiente de expansão térmica entre o chip de silício e o substrato orgânico cria tensões que não podem ser suportadas apenas pela protuberância de solda. Portanto, o preenchimento inferior (underfill) é necessário para garantir a confiabilidade da junta de solda. Os processos de preenchimento inferior incluem:
O material de preenchimento é injetado na lateral do chip, preenchendo o espaço entre as saliências por ação capilar.
O composto de moldagem epóxi desempenha dupla função como encapsulante e material de preenchimento, preenchendo o espaço entre as saliências durante o processo de moldagem.
5. Moldagem: Encapsulamento e Proteção
A moldagem encapsula o substrato montado, protegendo o chip e as estruturas de interconexão contra danos mecânicos e contaminantes ambientais. O composto de moldagem epóxi (EMC) é o material de encapsulamento preferido.
O processo de moldagem apresenta desafios únicos para os encapsulamentos de substrato. À medida que o número de camadas de chips aumenta enquanto a espessura do encapsulamento diminui, o espaço entre o chip e a parte superior do encapsulamento continua a se reduzir. Além disso, os substratos estão aumentando de tamanho para processar mais chips em grandes lotes, reduzindo os custos de fabricação. Essas tendências levaram a moldagem por transferência ao seu limite.
Moldagem por compressãosurgiu como uma solução para esses desafios. Na moldagem por compressão:
- O molde já vem preenchido com pó EMC.
- O substrato é colocado no molde.
- Ao aplicar calor e pressão, o pó EMC se liquefaz e preenche o espaço.
- Como o EMC se torna líquido imediatamente e preenche o espaço sem escorrer, não há problema de preenchimento mesmo na pequena folga entre o chip e a parte superior da embalagem.
6. Marcação
A marcação grava informações do produto — incluindo tipo de semicondutor, fabricante, padrões, símbolos, números ou letras — na superfície de Pacote de semicondutoresEssas informações são cruciais para rastrear a causa de falhas do produto. A marcação a laser é o método predominante para embalagens plásticas, sendo o EMC preto preferido para melhor legibilidade.
7. Montagem de esferas de solda
A montagem com esferas de solda é o processo de finalização que distingue os encapsulamentos de substrato, estabelecendo tanto os caminhos elétricos quanto as conexões mecânicas entre o encapsulamento e os circuitos externos.
Sequência de montagem das esferas de solda:
Durante o processo de refluxo, aplica-se fluxo nas almofadas do substrato para remover impurezas e óxidos, permitindo uma fusão uniforme e proporcionando uma superfície limpa.
As esferas de solda são colocadas nos terminais usando uma ferramenta de sucção especializada ou impressão com estêncil. O fluxo proporciona adesão temporária para manter as esferas no lugar.
O conjunto passa por um forno de refluxo onde as esferas de solda derretem, formando uma conexão confiável com os terminais do substrato.
Os resíduos são removidos utilizando um produto de limpeza inorgânico sem CFC.
O perfil de temperatura durante o processo de refluxo é cuidadosamente controlado por parâmetros como tempo de pré-aquecimento, temperatura máxima e taxa de resfriamento para garantir a formação ideal da junta sem danos ao substrato.
As composições comuns de ligas de solda incluem:
8. Substrato da embalagem Fabricação
O próprio substrato é um componente crítico que requer processos de fabricação sofisticados. Para substratos orgânicos, o fluxo de fabricação inclui:
Uma folha de cobre ultrafina (12–18 μm de espessura) é laminada em ambos os lados de uma placa com núcleo de resina BT/vidro.
Furos passantes são perfurados e metalizados para fornecer interconexões verticais.
Os padrões são criados em ambos os lados do substrato usando técnicas convencionais de PCB, formando trilhas guia, eletrodos e uma matriz de zonas de solda para a montagem das esferas.
Aplica-se uma máscara de solda com padrões que expõem as áreas dos eletrodos e da solda.
O acabamento superficial (por exemplo, revestimento de níquel/ouro) é aplicado às áreas expostas para melhorar a soldabilidade.
Métodos avançados de fabricação de substratos abordam o desafio do processamento de substratos ultrafinos. Ao combinar dois substratos extremamente finos em lados opostos de um suporte, a espessura estrutural necessária para a fabricação é aumentada, permitindo que equipamentos de processamento convencionais lidem com substratos ultrafinos sem investimento em equipamentos especializados.
9. Singulação e Processamento Final
SingulaçãoSepara as embalagens individuais do painel de substrato usando serragem mecânica, corte a laser ou outros métodos de precisão.
Após a separação, os pacotes passam por:
- Inspeção visual final: A inspeção óptica automatizada detecta defeitos como desalinhamento, pontes de solda ou rachaduras.
- Testes elétricos: Verificação de continuidade, isolamento e integridade do sinal.
- Inspeção por raios X: Para recursos ocultos, como juntas de solda em encapsulamentos flip-chip e conexões de esferas de solda.
- Testes abertos/curtos: Verificação da continuidade elétrica.
- Embalagem: Os pacotes finalizados são acondicionados em bandejas para envio.
10. Variantes de embalagem
O PBGA é um BGA moldado em plástico com design die-up, utilizando substrato BT de 2, 4 ou 6 camadas com espaçamento entre esferas de 0,8, 1,0 ou 1,27 mm ou superior. Ele oferece alta capacidade de E/S como substituto para encapsulamentos QFP quando a E/S excede as limitações do QFP-256, com desempenho elétrico e térmico aprimorado por meio de múltiplas camadas de roteamento.
O PBGA é ideal para microprocessadores, DSPs, ASICs com alta contagem de pinos, matrizes de portas, memória e chipsets de PC, bem como para aplicações portáteis, incluindo celulares, dispositivos sem fio e laptops.
TFBGA/VFBGA são encapsulamentos em escala de chip, com cavidade para cima, conectados por fios e moldados em excesso, que oferecem formato compacto e características de leveza. Esses encapsulamentos utilizam um substrato em formato de matriz com um molde comum que acomoda diferentes tamanhos de encapsulamento, proporcionando flexibilidade de fabricação e reduzindo o tempo de lançamento no mercado.
TFBGA/VFBGA é adequado para memórias, circuitos analógicos, Flash, ASICs, dispositivos de RF e PLDs simples, onde custo e espaço são fatores críticos.
Para aplicações de alta confiabilidade e alta frequência, os substratos cerâmicos oferecem estabilidade dimensional e desempenho térmico superiores. Os substratos CBGA são fabricados por meio de processos de co-queima de cerâmica multicamadas, mas enfrentam desafios, incluindo a incompatibilidade do coeficiente de expansão térmica (CTE) entre o substrato, o chip e a placa de circuito impresso (PCB) — um dos principais mecanismos de falha abordados por meio de estruturas CCGA ou substratos cerâmicos HITCE.
11. Considerações sobre o Controle de Qualidade
O controle do processo ao longo de todo o fluxo de embalagem do substrato é fundamental para alcançar altos rendimentos e confiabilidade do produto:
- Planicidade do substrato: O controle da deformação durante os processos de soldagem e moldagem é essencial.
- Integridade dos Títulos: Testes regulares de tração e cisalhamento garantem a confiabilidade da ligação dos fios.
- Cobertura de enchimento inferior: A inspeção garante o preenchimento completo das lacunas do flip-chip.
- Integridade da esfera de solda: A inspeção por raios X verifica a formação adequada da junta de solda.
- Qualidade de fixação do chip: A aplicação de adesivo sem vazios é fundamental para o desempenho térmico e mecânico.
12. Conclusão
A embalagem baseada em substrato, particularmente as configurações BGA, oferece uma plataforma de montagem sofisticada e versátil para dispositivos semicondutores modernos. O fluxo de processo — desde a preparação do wafer até a fixação do chip, interconexão, moldagem, montagem das esferas de solda e testes finais — oferece vantagens significativas em relação às embalagens com estrutura de chumbo, incluindo maior densidade de E/S, desempenho elétrico superior, gerenciamento térmico aprimorado e maior flexibilidade de projeto.
As tendências emergentes incluem a adoção de substratos mais finos, possibilitada por técnicas avançadas de processamento de suporte, moldagem por compressão para encapsulamento com espaçamento reduzido e ligas de solda sem chumbo para conformidade ambiental. À medida que a densidade de integração continua a aumentar e as dimensões dos encapsulamentos continuam a diminuir, as tecnologias de encapsulamento de substratos continuarão a evoluir para atender às demandas das aplicações de semicondutores de próxima geração.