книги / Микроэлектроника толстых пленок

на стеклянных подложках 8— 10 мкм, на кремниевых подложках 3—5 мкм. Отклонение от плоскопараллельности подложки приводит к определенным труд­ ностям. Шарики на чипах обычно имеют диаметр 50— 100 мкм, диаметр столбиков на подложке всегда больше. Их диаметр зависит от расстояния между контактами на чипе. Если контакты достаточно далеки друг от друга,

Направление деформирующей силы

Фиг. 5.6. Деформация столбиков подложки.

то для подложки типичными будут столбики диаметром 150—200 мкм. Чем больше диаметр, тем большее уси­ лие необходимо для деформации столбика. Оптималь­ ный диаметр поэтому зависит от общего числа контак­ тов. С другой стороны, важное значение имеет отноше­ ние диаметра к высоте столбика. Деформация должна иметь радиальную симметрию относительно оси столбика (фиг. 5.6).

Дефектные чипы могут быть удалены поворотом, пока контакты еще сдвигаются; для удаления облуженных чипов требуется определенный нагрев. Если чипы, ко­ торые прикреплены с помощью ультразвука или термо­ компрессией, должны быть заменены, важно, чтобы технология допускала эту замену. Столбики, принадле­ жащие подложке, не должны отрываться от нее и уда­ ляться с чипомСила, необходимая для отрыва чипа от

столбиков, должна быть меньше силы, необходимой для удаления столбиков с подложки.

Это условие легко осуществляется. Сцепление между чипом и столбиками редко бывает столь же хорошим, как между столбиками и подложкой, а поверхность кон­ такта между столбиком и подложкой обычно больше, чем поверхность связи между шариком чипа и столби­ ком. Если столбик вырывается с чипом, удаление чипа вызывает обычно повреждение тонкопленочной кон­ тактной площадки на подложке так, что обеспечить другое соединение по этой поверхности уже нельзя. Кон­ тактная площадка на подложке должна быть поэтому больше, чем поверхность соединения, чтобы при замене чипа можно было использовать для закрепления све­ жее место контактной площадки. Для транзисторных чипов легко сделать площадки на подложке достаточно большими с тем, чтобы они допускали четыре или более замены. Для чипов с интегральной схемой, которые мо­ гут иметь до 40 контактов на чипе размером 1000 мкм, трудно обеспечить поверхность, достаточную для двух соединений.

Наиболее распространенными методами соединения перевернутого чипа являются: ультразвуковая сварка, термокомпрессия и пайка. Ультразвуковую сварку ис­ пользуют чаще, так как не требуется нагрев и пригодны все комбинации металлов. Для создания такого соеди­ нения чип подвергается воздействию ультразвука часто­ той 60 кГц, когда он прижат к соответствующему месту подложки наконечником из карбида вольфрама. Сила, прижимающая чип, вызывает деформацию столбика в момент соединения. Под действием ультразвуковой энер­ гии происходит перемешивание металла на чипе и стол­ бике. Оптимальные условия для такого соединения — прижимающее усилие, длительность и амплитуда сиг­ нала— подбираются предварительно в соответствии с типом соединяемого чипа. Большие чипы с несколькими столбиками обычно требуют большей мощности ультра­ звука и большей прижимающей силы для обеспечения необходимой деформации. Тем не менее существуют определенные ограничения, которые следует учитывать. Например, механическая прочность самого чипа диктует

максимально возможную прижимающую силу. Хотя большая прижимающая сила обеспечивает хорошую де­ формацию столбика, избыточная сила может разрушить чип. Термокомпрессионное соединение легко осуществи­ мо в системе золото — золото и особенно удобно для соединения перевернутых чипов с большим числом кон­ тактов от 12 до нескольких сотен, но оно не годится для схем с алюминием. Температура, необходимая для тер­ мокомпрессии (от 320 до 420°С), требует близкого зна­ чения коэффициентов теплового расширения чипа и под­ ложки, которые нагреваются одновременно. Проведение термокомпрессии без учета этого обстоятельства вызы­ вает смещение чипов из-за термических напряжений. Ультразвуковой метод соединения кажется заманчивым для соединения кремниевых чинов на кремниевых под­ ложках, особенно для очень больших чипов с большим числом контактов, но пока эта технология широко не используется.

Для обеспечения надежных термокомпрессионных соединений при большой разности коэффициентов рас­ ширения чипа и подложки применяют два способа. Пер­ вый заключается в нагревании элемента с более низким коэффициентом теплового расширения (обычно крем­ ниевый чип) до более высокой температуры во время проведения операции соединения. Разница температур должна быть такой, чтобы обе части соединения при остывании до температур работы контура имели бы одинаковые размеры. Например, если подложка имеет коэффициент расширения в два раза больший, чем у чипа, и средняя рабочая температура 30° С, то чип дол­ жен быть нагрет до 370° С, а подложка— до 200°С. Второй способ компенсации заключается в изготовлении столбиков таких больших размеров, что часть термиче­ ских напряжений релаксирует за счет остаточных де­ формаций столбика.

Недостатки применения ультразвуковой и термоком­ прессионной технологии могут быть преодолены. Исполь­ зование нагревания позволяет понизить энергию, необ­ ходимую для ультразвукового соединения, а малые ультразвуковые колебания позволяют снизить температу­ ру, необходимую для термокомпрессионного соединения1

5.6. Технология балочных выводов

Второй процесс, представляющий большой интерес, — это технология балочных выводов. Существенным в этом методе является дальнейшее развитие ранее известного метода защиты поверхности кремния пленкой из его со­ единений. Пленка нитрида кремния служит надежной защитой от проникновения натрия. Она устраняет необ­ ходимость помещать схему в относительно большой гер­ метизированный корпус. Для внутренних соединений различных элементов схемы и ее присоединения к внеш­ ней электрической цепи обычно служит металлизация. Основные элементы схемы соединяются пленкой золота, а внешние соединения осуществляются в форме сравни­ тельно толстых балочных выводов, изготовленных также из золота. Балочные выводы, которые выходят за пре­ делы кремниевой схемы, обеспечивают как электропро­ водность, так и крепление схемы. С их помощью схема может быть полностью присоединена к внешним цепям за одну операцию. За исключением герметизации и про­ цесса соединения балочных выводов вся остальная тех­ нология обычна для интегральных схем. В последнее время она стала применяться также и для изготовления отдельных диффузионных транзисторов. При производ­ стве интегральных схем эта технология использовалась неоднократно.

Прежде чем соединять отдельные элементы в схему, всю поверхность пластины покрывают защитной пленкой нитрида кремния. Затем как в этой пленке, так и в пленке ранее сформированного окисла открываются со­ ответствующие окна до контакта с поверхностью выводов индивидуальных компонент. Для подготовки последую­ щего открытия окон в обоих слоях на оксидной пленке заранее до нанесения нитридной пленки намечается рас­ положение окон. Пленка нитрида образуется в реакторе, аналогичном реактору для выращивания эпитаксиаль­ ных слоев. Однако в этом случае при получении нитрида кремния в реактор вводят аммоний и тетрахлорид крем­ ния. Для обеспечения однородности нанесенной пленки пластины вращаются во время процесса и все условия осаждения тщательно контролируются. В результате

156 ГЛАВА 5

неоднородность толщины нанесенной пленки обычно не превышает 0,01 мкм. Из-за того что нитрид кремния с трудом поддается травлению какой-либо кислотой, применяемой в процессе фотолитографии, для открытия контактных окон в пленке нитрида кремния применяется специальная технология, основанная на использовании кипящей фосфорной кислоты, которая действует через окна в окисной пленке на верхнюю часть нитридной пленки.

Для объединения индивидуальных компонент в схему обнаженные контактные поверхности соединяются с зо­ лотыми выводами, образованными электроосаждением. Эти выводы положены на тонкие пленки силицида пла­ тины, титан и платину, нанесенные в указанном порядке. Силицид платины, который образуется только на уча­ стках кремния в контактных поверхностях, дает хороший низкоомный омический контакт с кремнием. Пленка ти­ тана связывает платиновую пленку с нитридом в закры­ той части контактов, а пленка платины предохраняет золото от миграции в кремний или нитрид. Наконец, после того как нанесена золотая пленка для внутренних соединений, проводится второе электроосаждение для образования относительно толстых балочных выводов, с помощью которых соответствующие выводы схемы могут быть соединены с внешними электрическими кон­ тактами. Для разделения готовых схем, находящихся на одной пластине, используется техника утонения и трав­ ления. Первоначально пластина монтируется с помощью воска балочными выводами вниз на гладкий сапфиро­ вый диск, отшлифованный до толщины 0,09 ± 0,0005 см. Задняя сторона пластины затем доводится до толщины 0,005 ± 0,0005 см. После того как нанесена разделитель­ ная сетка, пластина вдоль линий сетки протравливается насквозь. Кремний травится смесью 5: 3: 1 азотной, уксусной и плавиковой кислот. Так как эта смесь очень медленно травит двуокись кремния, тонкая пленка окис­ ла, оставшаяся на нижней стороне балочных выводов, удаляется с помощью буферного раствора плавиковой кислоты. Процесс травления разделяет отдельные схемы друг от друга, но они остаются закрепленными воском в том же положении на сапфировом диске,

В этой позиции каждая схема проверяется с помощью автоматизированных тестов. Контролирующие контакты, смонтированные по кругу на измерительной головке, сое­ диняются с балочными выводами одной из схем. Таким способом можно одновременно проводить 12 и более испытаний на одном чипе.

Испытания должны быть полностью автоматизиро­ ваны. Если схема не удовлетворяет техническим усло­ виям, то соответствующий чип отмечается каплей чернил. Так последовательно проверяются все чипы. Кроме этого, автоматически записываются номера годных чипов и но­ мер теста, по которому произошел отказ для дефектного чипа. Большинство транзисторов и интегральных схем, изготовляемых в настоящее время, разделяются скрайбированием. После разделения каждый чип ориенти­ руется вручную или с помощью виброустройства. Однако использование виброустройств для интегральных схем с балочными выводами затруднено. Для защиты золотых балочных выводов от механических повреждений и в то же время для ориентировки чипа перед соответствующей операцией соединения используется ориентация чипа, которую он имел после химического разделения.

Технология балочных выводов особенно удобна для операций соединения. Обычно операции соединения на­ чинаются с прикрепления кремниевого чипа с помощью золото-кремниевой эвтектики, образующей связку между чипом и покрытой золотом подложкой. Затем выпол­ няются соединения между выводами подложки и напы­ ленными контактами на чипе, используя технологию ультразвукового или термокомпрессиониого соединения. Для каждого контакта необходимо провести два соеди­ нения проволоки, а также операцию отрезки проволоки. Например, дискретный транзистор требует 5 операций соединений — прикрепление чипа к подложке и четыре соединения выводов.

Существенная часть стоимости транзистора и его на­ дежность связаны с операциями прикрепления чипа и присоединения выводов. Роль надежности и стоимости становится особенно важной при увеличении числа со­ единений на один корпус. Чем больше соединений и выводов, тем больше вероятность получения плохого

158 ГЛ А ВА 5

контакта. Кроме того, возрастание числа соединений вызывает также рост цены, так как обычный метод дает одно соединение проволоки на каждую операцию. Тех­ нология балочных выводов должна сделать устройство более надежным и понизить стоимость сборки. Изготов­ ление балочных выводов как части интегральной схемы чипа устраняет необходимость в присоединениях выво­ дов к кремниевому чипу. Это в два раза снижает число необходимых присоединений. Так как каждый балочный вывод сделан по гибридной технологии, а не присоеди­ нен механически, надежность всего устройства также повышается. Монометаллические системы (золото к зо­ лоту) осуществления контактов обладают большей на­ дежностью по сравнению с контактами из разных металлов (например, золото и алюминий). Кроме того, эта система из благородных металлов не подвержена коррозии.

Главное преимущество балочных выводов заклю­ чается в том, что все соединения чипа могут быть сде­ ланы одновременно. Сравнение следует провести с уче­ том числа связей и необходимых операций. Для типич­ ной схемы с проволочной разводкой необходимы одна связь чипа с подложкой плюс несколько десятков от­ дельных соединений выводов, в то время как для схемы с балочными выводами необходима операция соединения чипа с подложкой плюс всего одна операция соединения всех выводов.

Для соединения балочных выводов с разными под­ ложками был использован или опробован ряд техно­ логий. Большинство предприятий в настоящее время используют термокомпрессионную связь, так как в ней наиболее полно используются характерные черты этой технологии. Это не означает, что другие методы соеди­ нений не будут использоваться в ближайшем будущем. Например, соединение с помощью лазера, находящееся в стадии исследования, имеет целый ряд преимуществ.

Использование микросхем с балочными выводами требует гораздо большей точности монтажа, чем исполь­ зование микросхем с мягкими выводами. Необходимая точность зависит от соотношения ширины балочного вывода и ширины контактной площадки.

230 мкм). Размеры выводов контролируют с точностью не ниже 5 мкм.

После того как чип и подложка установлены по ме­ сту, проводится окончательная операция соединения ба­ лочных выводов. Успех этой операции зависит от возможности применяемой аппаратуры произвести на­ дежное и однородное соединение всех выводов в мини­ мальное время. При соединении балочных выводов с контактами на подложке методом термокомпрессии про­ исходит диффузия золота и деформация балочных вы­ водов. Процесс сопровождается нагревом приблизи­ тельно на 300° С в течение 1—2 с. Возникшая связь при благоприятных условиях обладает достаточной прочностью на разрыв.

При одновременном соединении всех балочных вы­ водов на чипе необходима определенная компенсация для устранения разницы в толщине балочных выводов, неровности поверхности и т. д.

В среднем балочные выводы могут быть охарактери­ зованы следующими прочностными характеристиками: прочность на отрыв 2 или 3 г; прочность на изгиб при комнатной температуре от 7 до 9 г; прочность на изгиб при 350° С 1 или 2 г; сопротивление сдвигу от 32 до 38 г; сопротивление растяжению от 10 до 12 г.

Преимущества соединения с помощью балочных вы­ водов видны на фиг. 5.9 [16]. В обычной схеме чип дол­ жен быть присоединен к подложке и каждый вывод требует двух отдельных присоединений проволоки. При соединении с помощью балочных выводов не требуется специального крепления чипа к подложке и все соеди­ нения выполняются одновременно.

Сложная схема с балочными выводами показана на фиг. 5.10 [16]. На подложке находится 41 чип интеграль­ ных микросхем, которые образуют регистр сдвига на 2560 бит. Эта схема помещается в корпус только для предохранения от механических повреждений.

На фиг. 5.11 [19] сопоставлены основные особенности соединений, полученных методами перевернутого чипа и