Глава 9 методы совмещения шариковых выводов с контактными площадками

Перенос токопроводящих шариков припоя на контактные площадки кристалла может осуществляться с помощью переводной пластины из кремния. Пластина имеет углубления трапециевидной в сечении формы, по расположению точно соответствующие позициям площадок на Si-пластине со структурами ППИ. После оксидирования поверхности переводной пластины в ее полости укладываются шарики припоя, а затем на нее сверху кладется пластина с ППИ, площадки которых имеют золоченую поверхность с подслоями Ni, Сu и Cr. При нагреве сборки и расплавления припоя шарики переходят на контактные площадки ППИ в форме припойных выступов. Высокая точность переноса шариков припоя достигается применением одинакового материала пластин (Si), не приводящего к рассовмещению площадок и полостей при их совместном нагреве.

Для формирования шариковых контактов на подложке, используемой для обращенного монтажа нескольких кристаллов ППИ, используется специальная пластина из несмачиваемого припоем материала, например алюминия, содержащая матрицу полусферических углублений, расположенных соответственно контактным площадкам на подложке. В углублениях пластины размещают шарики из припоя. Затем подложка накладывается на пластину с высокой точностью совмещения ее контактных площадок с шариками, которые присоединяются к ним термокомпрессионной сваркой или пайкой.

Формирование столбиковых выводов на контактных площадках коммутационных подложек может производиться с помощью легкорастворимой полимерной пленки-носителя. Пленку с выводами получают литьем из раствора на основе алифатического мономера акрилата или акрилового полимера либо на основе стеариновых пластиков. В пленке пробиваются сквозные конические отверстия, которые заполняются припойной пастой или расплавленным припоем. После этого пленка совмещается с подложкой и происходит оплавление припоя. Эта операция может быть совмещена с монтажом компонентов. Затем пленка растворяется. Данный способ позволяет одновременно формировать с высокой точностью на подложках сотни и тысячи выводов.

Для получения паяных выступов на кристалле поверхность пластины кремния со структурами ИС защищается пленкой полиимида, в которой вскрываются окна небольшого диаметра над контактными площадками. На пленке равномерно по всей площади кристалла формируются контакты большего диаметра намазыванием пасты через трафарет из тонкой стальной сетки. Нанесенная металлизация на пластине сушится при температуре около 165 С в течение 30 мин. Затем на контакты устанавливаются шарики из припоя, которые расплавляются нагревом пластины до температуры их плавления.

Для контроля положения столбиковых выводов в процессе монтажа методом «flip-chip» структуру на подложке освещают от двух независимых источников наклонными лучами. Положение определяют, контролируя ориентацию теней от выводов на поверхности подложки относительно направления падения света.

Разработан сверхминиатюрный процесс перевернутого монтажа полупроводниковых кристаллов на поверхность подложки. Данная технология предусматривает использование шариков припоя диаметром 0,01 мм, что позволяет уменьшить расстояние между контактами до 50 мкм. Процесс сборки применяется при наличии на поверхности подложки двухуровневой системы металлизации, что позволяет использовать кристаллы, содержащие до 3000 контактных площадок.

Установка и фиксация на подложке полупроводниковых кристаллов. Для установки и фиксации полупроводниковых кристаллов в заданном положении на подложке разработан специальный способ (А.с. СССР № 1518834). Суть данного способа заключается в следующем. На поверхность диэлектрической подложки 1 наносят схемные соединения, имеющие контактные площадки 2, предназначенные для присоединения полупроводниковых кристаллов 3 (рис. 9.1). Каждый из полупроводниковых кристаллов 3 помещают в углубление ячейки 4, которую выполняют из материала с магнитными свойствами. Ячейку 4 устанавливают на столик 5 горизонтального и вертикального перемещения, а кристалл удерживают в ячейке, например, с помощью вакуума.

Рис. 9.1. Установка и фиксация на подложке полупроводниковых кристаллов: 1 – диэлектрическая подложка; 2 – контактные площадки;

3 – полупроводниковые кристаллы; 4 – ячейки с углублениями;

5 – столик; 6 – постоянные магниты; 7 – прокладки

Перемещая столик 5 в верхнее положение, осуществляют совмещение контактных площадок кристалла с контактными площадками 2 на подложке, ячейку 4 с находящимся в ее углублении кристаллом 3 предварительно крепят на подложке 1 постоянным магнитным полем, а потом отключают вакуум от столика 5.

Постоянное магнитное поле формируют следующим образом. На поверхность диэлектрической подложки 1 устанавливают постоянные магниты 6 таким образом, что плоскость каждого последующего магнита, прилегающего к поверхности подложки 1, имеет противоположный полюс по отношению к плоскости предыдущего магнита, причем постоянные магниты 6 разделяют друг от друга прокладками 7, которые создают зазор между магнитами для установки кристаллов. Зазор между магнитами определяется габаритными размерами кристаллов.

Таким образом, предварительно крепят на подложке 1 последовательно один за другим все кристаллы. Жесткое присоединение всех кристаллов на подложке осуществляют путем термонагрева, после чего постоянные магниты 6 убирают. Термонагрев осуществляют инфракрасным излучением со стороны постоянных магнитов 6.

В результате кратковременного ИК-нагрева осуществляются плавление соединяемых контактных площадок кристаллов и контактов подложки и их припайка.

Нагрев подложки с кристаллами благодаря кратковременному ИК–воздействию на подложку и перемещению подложки в зоне обработки исключает перегрев кристаллов.

С целью повышения надежности и производительности присоединение всех кристаллов осуществляется одновременно. Термонагрев ведется по всей поверхности диэлектрической подложки со стороны пластин из магнитного материала.

Способ совмещения и монтажа кремниевого кристалла на плату. Технология данного способа монтажа кремниевого кристалла на плату заключается в следующем (патент РФ на изобретение №2003204). Кристалл 1, имеющий область активных элементов 2, а также контактные площадки 3, сформированные на защитном слое 4, размещен на плате 5, имеющей токоведущие дорожки 6 с контактными площадками платы, сформированными на верхнем слое платы 5 (рис. 9.2).

Рис. 9.2. Схема совмещения и монтажа кремниевого кристалла на плату: 1 – кристалл; 2 – активные элементы; 3 – контактные площадки;

4 – защитный слой; 5 – плата; 6 – токоведущие дорожки; 7 – контактные площадки платы; 8 – верхний слой платы; 9 – контактный инструмент;

10 – лазер; 11 – излучение лазера

Кристалл размещен так, что контактные площадки совмещены с соответствующими контактными площадками 7 и прижат к плате с определенным усилием штоком контактного инструмента 9. Механический прижим кристалла к плате с помощью штока монтажного инструмента должен обеспечивать механическое соединение всех контактных площадок и утолщений дорожек в местах контактирования.

Лазер 10 способен генерировать излучение 11, для которого материал кристалла прозрачен, а материал защитного слоя и материал верхнего слоя 8 платы непрозрачны и являются поглощающими.

Сварка расплавлением контактных площадок кристалла и контактных площадок платы производится путем облучения излучением лазера защитного слоя кристалла и верхнего слоя платы в областях, непосредственно прилегающих к свариваемым контактам. Поглощенное защитными слоями излучение трансформируется в тепло, которое за счет теплопередачи переходит контактным площадкам кристалла и контактным площадкам платы и расплавляет их. Следует отметить, что контактные площадки платы зеркально-симметричны контактным площадкам кристалла.

Шток монтажного инструмента, прижимающего кристалл к плате не должен препятствовать прохождению излучения в области сварки, но должен затенять от излучения область активных элементов. Для этого шток может иметь, например, квадратное или прямоугольное сечения.

Лазерное излучение фокусируют в зоне совмещения контактных площадок.