Жапырақша тікелеу технологиясы: Шығару процесі мен ерекшеліктері
Ball bonding
Шығару кезінде кремний кристалдарын қосылыстармен байланыстыру үшін баллдық байланыс қолданылады. Алтын немесе мыс сымдар қолданылады, әрқайсысының артықшылықтары бар.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Кіріспе
Шарықты байланыстыру – сымды байланыстырудың бір түрі және жартылай өткізгіш құрылғыны жасау кезінде жалаңаш кремнийлі кристал мен оны орналастыратын корпустың қорғасын қаңқасы арасындағы электрлік қосылыстарды жасаудың ең көп таралған тәсілі. Алтын немесе мыс сымды қолдануға болады, бірақ алтын жиірек қолданылады, себебі оның оксиді дәнекерлеу кезінде қиындық тудырмайды. Егер мыс сым қолданылса, сымды біріктіру процесінде мыс оксидтерінің түзілуін болдырмау үшін азот газы қолданылуы тиіс. Мыс алтыннан қаттырақ, сондықтан кристалл бетін зақымдау ықтималдығы жоғары. Дегенмен, мыс алтыннан арзан және электрлік қасиеттері жақсырақ, сондықтан ол тартымды таңдау болып табылады. Көптеген қазіргі заманғы шарықты байланыстыру процестері дәнекерлеу үшін жылу, қысым және ультрадыбыстық энергияның үйлесімін пайдаланады. Қолданылатын сымның диаметрі 15 мкм-ге дейін болуы мүмкін – сондықтан бірнеше дәнекерлеу адам шашының еніне сыйып кетеді. Шарықты байланыстыру машинасының жұмысын алғаш көрген адам оны тігін машинасымен салыстырады. Шындығында, сымды беруге арналған ине тәрізді, бір рет қолданылатын капилляр деп аталатын құрал бар. Сымға жоғары кернеулі электр заряды беріледі. Бұл капилляр ұшындағы сымды балқытады. Балқыған металдың беттік кернеуі салдарынан сым ұшы шар тәрізді болады. Шар тез қаттыққа ие болады, ал капилляр кристалл бетіне түсіріледі, ол әдетте кемінде 125 °C-қа дейін қыздырылады. Содан кейін машина капиллярды басады және оған жалғанған түрлендіргіш арқылы ультрадыбыстық энергияны қолданады. Жылу, қысым және ультрадыбыстық энергияның үйлесімі мыс немесе алтын шарды кристалл бетімен (әдетте мыс немесе алюминий) біріктіреді. Бұл процесске есім берген шарлы байланыс осылай жасалады. (Жартылай өткізгіштерді өндірудегі барлық алюминий жүйелері "күлгін індетті" – сынғыш алтын-алюминий қоспасын – жояды, бұл таза алтын сымды қолданған кезде кездесуі мүмкін. Бұл қасиет алюминийді ультрадыбыстық байланыс үшін өте қолайлы етеді.) Содан кейін сым капилляр арқылы өтеді және машина кристаллды қосу қажетті жерге (әдетте қорғасын қаңқа деп аталады) бірнеше миллиметрге жылжып келеді. Машина қайтадан бетке түседі, бірақ бұл жолы шар жасамайды, сымды қорғасын қаңқа мен капилляр ұшы арасында қысып жатады. Бұл кезде бет әдетте алтын, палладий немесе күміс болады, бірақ дәнекерлеу сол әдіспен жасалады. Нәтижесіндегі дәнекерлеу шарлы байланыстан мүлдем өзгеше көрінеді және оны клиндік байланыс, құйрық байланыс немесе жай ғана екінші байланыс деп атайды. Соңғы қадамда машина сымның шағын бөлігін шығарып, оны қысқыштар жиынтығымен бетінен жұлып алады. Бұл капилляр ұшынан ілінген сымның кішкентай құйрығын қалдырады. Осыдан кейін цикл қайта басталады, жоғары кернеулі электр заряды осы құйрыққа беріледі. Шар жасалғаннан кейін сымды кесу процесі де штифттік соққы деп аталады. Штифттік соққы SIP модульдерінде кристалдарды жинағанда қолданылады. Қазіргі заманғы машиналар (2003 жылғы мәліметтер бойынша) бұл циклді секундтына 20 рет қайталай алады. Қазіргі заманғы шарықты байланыстыру машинасы толығымен автоматтандырылған және визуалды жүйесі, сенсорлары және күрделі сервожүйелері бар дербес өнеркәсіптік робот болып табылады.
Ball bonding is a type of wire bonding, and is the most common way to make the electrical interconnections between a bare silicon die and the lead frame of the package it is placed in during semiconductor device fabrication. Gold or copper wire can be used, though gold is more common because its oxide is not as problematic in making a weld. If copper wire is used, nitrogen must be used as a cover gas to prevent the copper oxides from forming during the wire bonding process. Copper is also harder than gold, which makes damage to the surface of the chip more likely. However copper is cheaper than gold and has superior electrical properties, and so remains a compelling choice. Almost all modern ball bonding processes use a combination of heat, pressure, and ultrasonic energy to make a weld at each end of the wire. The wire used can be as small as 15 μm in diameter—such that several welds could fit across the width of a human hair. A person upon first seeing a ball bonder will usually compare its operation to that of a sewing machine. In fact there is a needle like disposable tool called the capillary, through which the wire is fed. A high voltage electric charge is applied to the wire. This melts the wire at the tip of the capillary. The tip of the wire forms into a ball because of the surface tension of the molten metal. The ball quickly solidifies, and the capillary is lowered to the surface of the chip, which is typically heated to at least 125 °C. The machine then pushes down on the capillary and applies ultrasonic energy with an attached transducer. The combined heat, pressure, and ultrasonic energy create a weld between the copper or gold ball and the surface of the chip—which is usually copper or aluminum. This is the so called ball bond that gives the process its name. (All aluminum systems in semiconductor fabrication eliminate the "purple plague"—a brittle gold aluminum intermetallic compound—sometimes associated with pure gold bonding wire. This property makes aluminum ideal for ultrasonic bonding.) Next the wire is passed out through the capillary and the machine moves over a few millimeters to the location that the chip needs to be wired up to (usually called the leadframe). The machine again descends to the surface, this time without making a ball so that the wire is crushed between the leadframe and the tip of the capillary. This time the surface is usually gold, palladium, or silver—but the weld is made in the same way. The resulting weld is quite different in appearance from the ball bond, and is referred to as the wedge bond, tail bond, or simply as the second bond. In the final step the machine pays out a small length of wire and tears the wire from the surface using a set of clamps. This leaves a small tail of wire hanging from the end of the capillary. The cycle then starts again with the high voltage electric charge being applied to this tail. The process where wire is cut right after ball is formed is also called stud bumping. Stud bumping is used when stacking chips in system in package (SIP) modules. The current state of the art machines (as of 2003) can repeat this cycle about 20 times per second. A modern ball bonder is fully automatic and is essentially a self sufficient industrial robot, complete with a vision system, sensors, and complex servo systems.
Шарықты байланыстыру трансформаторы
Пиезоэлектрлік түрлендіргіштер шарларды біріктіру процесінде ультрадыбыстық энергияны қамтамасыз ету үшін қолданылады. Бұл түрлендіргіштер бұрандалы қысқыш түрлендіргіштер немесе Лангевин түрлендіргіштері деп аталады. Олар металл компоненттер мен пиезоэлектрлік элементтерден тұрады, барлығы бір бұрандамен бекітілген. Бұл түрлендіргіштер капиллярға көлденең ультрадыбыстық қоздыруды енгізу үшін көлденең тербелістің резонанстық жиілігінде жұмыс істейді. Түрлендіргіштің көлденең бағытында түйін (үлкен орын ауыстыру) және антитүйін (орын ауыстыру жоқ) нүктелері болады. Пиезоэлектрлік элементтер ауыспалы кернеумен (резонанстық жиілікте) кеңейіп, жиырылады, соның салдарынан құрылымда резонанстық тербеліс туындайды. Әдетте, қолданылатын кернеу үшін электр өрісін арттыру мақсатында бірнеше элемент қабаттастырылады (созылу электр өрісіне пропорционалды). Пиезоэлектрлік элементтен құрылымға энергияны барынша беру үшін олар жоғары деформация және жоғары кернеу аймақтары болып табылатын түйіндерге орналастырылады. Сонымен қатар, айналаға энергияның жоғалуын азайту үшін түрлендіргіш антитүйінде (орын ауыстыру жоқ) бекітіледі. Түрлендіргіштің алдыңғы жағында тербелісті күшейту үшін конус тәрізді мүйіз қолданылады. Сызықтық немесе параболалық конус сияқты, қажетті нәтижеге жету үшін әртүрлі конус пішіндері қолданылуы мүмкін. Мүйіздің конустығы көлденең қима ауданын азайтады, бұл ультрадыбыстық энергия тығыздығының артуына және содан кейін ұштың жанындағы үлкен орын ауыстыруға әкеледі. Осы себепті капилляр ұшқа жақын орналастырылады. Капиллярда жоғары ретті иілу режимдері пайда болады, бұл тиімсіз. Бұл әсерді азайту үшін капиллярдың бекітілу орны капиллярдың антитүйініне реттеледі. Идеалды жағдайда капилляр қысқа болуы керек, бірақ бұл мүмкін емес, себебі қосылыс қол жеткізу қиын аймақтарда жасалуы керек. Бұранда мүйізге бұралып (конфигурациясына байланысты) бүкіл құрылымды бірге қысады. Оптималды жұмыс істеу үшін дұрыс алдын ала жүктеме қолданылуы керек. Пиезокерамика созуға қатысты нашар; сондықтан үлкен алдын ала жүктеме керамиканың көбінесе қысымда жұмыс істеуін қамтамасыз етеді, бұл алдын ала тудырылған кернеудің нәтижесінде болады.
Piezoelectric transducers are used to provide ultrasonic energy in the ball bonding process. These transducers are known as bolt clamped transducers or Langevin transducers. They consist of metal components and piezoelectric elements, all held together by a bolt. These transducers operate at their resonant frequency of lateral vibration to introduce lateral ultrasonic excitation to the capillary. Along the lateral direction of the transducer, there exists nodal points (large displacement) and antinodal points (no displacement). Piezoelectric elements expand and contract upon alternating voltage excitation (which will be at the resonance frequency), thereby exciting resonance vibration in the structure. Usually, a few elements are stacked in order to increase the electric field for an applied voltage (stress is generated proportional to electric field). In order to maximize the energy transfer from the piezoelectric element to the structure, they are placed at nodes, which are high strain and high stress regions. At the same time, in order to minimize energy loss to the surroundings, the transducer is held at an antinode (no displacement). At the front end of the transducer a tapered horn is used to magnify the vibration. Different tapering profiles can be used to get the desired result, such as a linear taper or parabolic taper. The horn's taper reduces the cross sectional area, causing a larger ultrasonic energy density, then leading to more displacement near the tip. The capillary is placed near the tip for this reason. Higher order bending modes are excited in the capillary, which are quite unideal. In order to mitigate this effect, the capillary clamping position is adjusted to an antinode of the capillary. Ideally, the capillary would be short, but this is not possible because the bond needs to be made in hard to reach areas. The bolt clamps the whole structure together by screwing into the horn (depending on the configuration). Correct preload needs to be administered in order to optimize performance. Piezo ceramics are weak under tension; therefore, a large preload will ensure the ceramics will operate mostly in compression due to the bias stress.