جهاز شريحة IC مع أطراف الكرة ولماذا تنفصل الكرة

كلنا نحب الإلكترونيات ونعبدها تقريبًا. الهواتف وأجهزة الكمبيوتر وما إلى ذلك ، الأجهزة معقدة للغاية ، ولأنها لا تكلف أموالًا رائعة ، وذلك بفضل الأتمتة و CAD ، لكننا ما زلنا نعتقد أنها باهظة الثمن ، ونريد أرخص ، ولا نعرف حتى عدد التقنيات التي تحتوي عليها الإلكترونيات الدقيقة.
واحدة من هذه التقنيات المخفية التي ندفع مقابلها عند شراء معالج وهاتف وبطاقة فيديو وأجهزة أخرى - UBM (تحت معدنة عثرة) هي تعدين منصة على شريحة لتركيب خيوط كرة.

يؤدي تطوير الإلكترونيات الدقيقة إلى زيادة كثافة تكامل المكونات على رقاقة IC وعلى ثنائي الفينيل متعدد الكلور. إذا لم يكن هناك الكثير من الاستنتاجات على البلورة ، من واحد إلى بضع مئات أو أكثر ، فيمكن تصميم البلورة لحام الأسلاك. هناك العديد من الأمثلة: ذاكرة فلاش ، ورقائق ذاكرة الوصول العشوائي ، ورقائق الصوت ، والمزيد. هنا ، يمكن للقارئ أن يتذكر كيف تبدو بعض حالات الدوائر المصغرة ، ويقول أن الحالات ملحومة على أطراف الكرة ، وسيكون على حق. فقط داخل هذه الحالات يتم لصق البلورات وملحومة بالأسلاك. بعد ذلك ، سنتحدث عن خيوط الكرة الموجودة بين البلورة والجسم.

التين. 1 Hunix RAM Chip. يظهر تفريغ الكريستال (خطوط بيضاء)
والكريستال نفسه (مستطيل غامق) بشكل تخطيطي ، على الرغم من أن العلبة نفسها ملحومة على الكرات.

إذا كان عدد دبابيس البلورة المحتملة كبيرًا ، من 600 إلى أكثر من 4000 ، فإن المطور يقوم بتطوير بلورة على الفور لدبابيس الكرة ، على سبيل المثال ، بلورات مثل CPU و GPU. نعم ، وفك ضغط سلك ماديًا مع مثل هذا العدد من الاستنتاجات هي عملية متسلسلة طويلة ، لكنني عادة ما ألتزم الصمت بشأن برمجة جهاز.

التين. 2 رقاقة رسومات AMD فيجي. على رقاقة IC ، أكثر من 4000 كرة لحام ، وليس على الجسم.

الرصاص الكروي عبارة عن كرة لحام (يمكن أن تحتوي على الرصاص أو بدونه) ، والتي تؤدي 3 وظائف في نفس الوقت:
1. تحمل البلورة على PCB أو السيليكون المتداخل (مثل AMD Fiji)
2. تعمل على إزالة الحرارة
3. إنشاء اتصال كهربائي للبلورة مع البيئة الخارجية

إذا كانت البلورة مصنوعة من أسلاك كروية ، فيتم تكوين وسادات تلامس نحاسية على كامل سطح البلورة على شكل مصفوفة ، وهي في الأساس استمرار لطوبولوجيا الكريستال. ثم ، على النحاس ، عند الضرورة ، يتم تطبيق طبقة واقية من التخميل ، ولا يتم تطبيقها في مكان وجود الكرة. المنطقة المفتوحة من النحاس مغطاة بطبقة UBM وبعد ذلك تكون جاهزة لتطبيق الكرة. جزء من طبقة UBM يعتمد على التخميل ، وبالتالي يغطي النحاس بالكامل ويخلق نتوءًا حول محيط الموقع.

التين. 3 KP تحت استنتاج الكرة. أصفر - نحاس تحت التخميل ، طلاء رمادي UBM.

إذا كانت البلورة مصنوعة من أجل لحام الأسلاك ، فإن وسادات الاتصال (KP) للحام هي مستطيلات ذات طلاء من الألومنيوم بشكل أساسي ، وتقع حول محيط البلورة.

التين. 4 KP للحام الأسلاك بحجم يصل إلى 100 × 100 ميكرون

ومن المستحيل أيضًا توصيل كرة اللحام مباشرة بمثل هذا KP: لا يمكن لحام اللحام بلوحة ألومنيوم. للقيام بذلك ، لحام الكرة ، استخدم أيضًا تقنية UBM.
وهكذا ، UBM هي الطبقة بين كرة اللحام ومعدن لوحة الاتصال على الرقاقة. وتتمثل مهمتها في الالتصاق بلوحة اتصال ، وحماية الانتشار والرطوبة للحام. هناك حاجة إلى UBM لإنشاء هياكل بمفاصل كروية ويسمح لك أيضًا بإنشاء هياكل للكرات وعلى ICs التي تم إنشاؤها للتوصيل.

التين. 5 موقع UBM

يجب أن تضمن واجهة UBM استيفاء الشروط التالية:
1. إنشاء اتصال موثوق به مع الألومنيوم من لوحة الاتصال ومع طبقة التخميل على الشريحة. من المهم أن تكون طبقة التخميل نفسها بدون ثقوب صغيرة ، لأن هذا يمكن أن يؤدي إلى دائرة قصر عند إنشاء طبقات UBM موصلة.
2. لديها مقاومة منخفضة مع لوحة اتصال. لتحقيق هذا المطلب ، تتم إزالة الألومينا من سطح CP قبل تطبيق طبقة UBM الأولى.
3. توفير حاجز لنشر مادة كرة اللحام ومادة KP.
4. يجب أن تكون الطبقة الخارجية من UBM قابلة للبلل من أجل اللحام.
5. حماية ضد تكوين طبقة أكسيد على سطح مفتوح.
6. توفير أقل قدر ممكن من الجهد للكريستال.

UBM هو 3 طبقات محفورة على الأقل من أغشية معدنية رقيقة.
1. طبقة التصاق KP. إنه يعمل على تكوين رابطة بين معدن KP وطبقة التخميل من IC ويحمي من الانتشار بين KP وكرة اللحام. المواد شائعة الاستخدام لهذا: الكروم (Cr) ، التيتانيوم (Ti) ، التيتانيوم / التنغستن (Ti / W) ، النيكل (Ni) ، Mo molybdenum. سمك هذه الطبقة حوالي 0.15 - 0.2 ميكرومتر.
2. طبقة مبللة لحام. لإنشاء وصلة لحام باستخدام كرة لحام. المعادن المستخدمة هي: النحاس (Cu) ، النيكل (Ni) ، Palladium (Pd). سمك الطبقة المعتاد هو ~ 1-5 ميكرومتر.
3. طبقة الحماية ضد الأكسدة. لهذا ، يتم استخدام الذهب (Au). سمك ~ 0.05 - 0.1 ميكرومتر.

يمكنك إنشاء العديد من مجموعات طبقات UBM ، على سبيل المثال ، Ti / Cu / Au ، Ti / Cu ، Ti / Cu / Ni ، TiW / Cu / Au ، Cr / Cu / Au ، Ni / Au ، Ti / Ni / Pd ، Mo / Pd . ومع ذلك ، فإن هياكل UBM المختلفة لها خصائص مختلفة وموثوقية مختلفة. على سبيل المثال ، يحتوي Ti / Cu / Ni على التصاق أفضل من Ti / Cu. تؤثر توليفات المواد UBM على موثوقية الاتصال بموقع البلورة وبكرة اللحام. يجب أن يكون UBM متوافقًا مع مادة كرة اللحام. قد لا تكون الطبقة الخارجية من UBM ، التي تعمل بشكل جيد مع بائعي الرصاص ، مناسبة للجنود الخاليين من الرصاص. على سبيل المثال ، يعطي Cu مركب لحام جيدًا مع بائعي الرصاص ، وسيئًا مع خالٍ من الرصاص ، لأن القصدير النقي يشكل مركبًا معدنيًا مع النحاس Sn-Cu. إذا تم امتصاص النحاس بالكامل بواسطة اللحام ، فسوف ينكسر الاتصال.

دعونا نرى كيف تبدو على مثال الدائرة المصغرة ، التي تم تطويرها في الأصل لحام الأسلاك ، ثم تم إنهاؤها لمخرجات الكرة. علاوة على ذلك ، لم تتغير طوبولوجيا البلورة بالنسبة للكرات. في الواقع ، إذا كانت البلورة تعمل ، لماذا تتسلق؟ هذه هي رقاقة WL1271L - رقاقة Texas Instruments Wi-Fi وبلوتوث. جزء من الصورة:

التين. 6 قطعة من الكريستال WL1271L.

هنا ، تجذب اللحظة الانتباه إلى أن هناك إمكانية ، دون اللجوء إلى تغيير طوبولوجيا البلورة ، لتكييفها مع اتجاهات الكرة عن طريق تشكيل طبقات فوق البلورة. يتطلب هذا عمليات إضافية على اللوحة بالبلورات ، وعملية تشكيل الكرات ، ولكن هذا يعطي ميزة في توفير مساحة على اللوحة ، لأنه مع حجم كرة من 200 - 250 ميكرومتر ، فإنه لا يحتاج إلى لوحة محول ، أي أنه يمكنك تركيب البلورة مباشرة على اللوحة. على حد علمي ، لا يفعلون ذلك في روسيا ، على الرغم من وجود دوائر دقيقة مناسبة لذلك ، ولكن بعض الدوائر المتكاملة المستوردة تفعل ذلك. بطريقة جيدة ، يجب أن تقلل هذه التقنية من تكلفة المنتج النهائي. بالنسبة للجيش ، قد لا يكون مناسبًا بسبب متطلبات الموثوقية ، ولكن للاستخدام المنزلي ، بسعر مناسب ، فهو تمامًا.

الآن دعونا نلقي نظرة على مثال IC ، الذي تم تصميمه خصيصًا لمحطات الكرة. نأخذ بطاقة فيديو ، ونكسر البلورة ، وننظفها ، ونخللها بمزيج من كبريتات الأمونيوم وكبريتات النحاس.

التين. 7 وسادة تلامس قبل (يسار) وبعد الحفر (يمين). الآن عن مشكلة استنتاجات الكرة. أثناء ربط الأسلاك ، تتصل البلورة بالغطاء بسلك من الألومنيوم / الذهب ، وحتى إذا كانت مشوهة ، فسيظل الاتصال ، لأن السلك من البلاستيك. ولكن الرصاص الصلب ، بلاستيكي قليلاً ، لا يمتد وفي ظل ظروف معينة يمكن أن يتأخر خلف لوحة التلامس (لأنه في هذا المكان يكون سمك المعدن ضئيلاً => الحمل أكبر). يؤدي التدمير / التفريغ إلى زيادة المقاومة ودائرة مفتوحة.

عندما يتم حفر القصدير (ويجب أن تكون الكرات خالية من الرصاص) ، يحل القصدير النحاس من كبريتات النحاس ، ثم يمتص هذا النحاس في شكل معدن بواسطة كبريتات الأمونيوم. وهكذا ، يتم تطهير الموقع من الصفيح. تحت المجهر ، عندما يتغير التركيز ، يكون الاكتئاب مرئيًا بعد إزالة القصدير ، وهذا غير مرئي بشكل واضح في الصورة. لم يتم حفر الأسلاك النحاسية المتباينة من لوحة الاتصال لأنها محمية بواسطة التخميل. كما ظل النحاس تحت وسادة الاتصال نفسها دون تغيير ، لأن الطبقة العليا من UBM لم تتفاعل مع كبريتات الأمونيوم أو الكبريتات ، وبالتالي تعرض نفسها ومن خلال هذه الخاصية يمكن تخمين نوع المعدن.

التين. 8 موقع طبقة UBM والكرة (منظر علوي).

يقع UBM مباشرة أسفل طرف الكرة (إذا نظرت إلى البلورة من جانب الكرات). عند وضعها فوق بعضها البعض ، تمارس الكرة جهدًا على UBM ويمكنها فصلها بالطبقة المعدنية لـ UBM أو من UBM نفسها.

لن تؤثر بعض عمليات فصل الكرة على تشغيل الجهاز ، على سبيل المثال ، إذا كان هناك عدد كبير من كرات الطاقة المتصلة بالتوازي ، فلن يؤدي فصل أحدها إلى خلل في الجهاز. ولكن إذا حدث انقطاع في الخط الذي تذهب إليه البيانات ... فهذه مشكلة تسمى "شفرة النصل" وتؤدي إلى خلل في الجهاز. لذلك ، تسقط / لا تسقط الكرة بين الركيزة واللوح (على الرغم من أن هذا يمكن أن يكون) ، ولكن بين البلورة والركيزة. مع درجة عالية من الاحتمال ، حدث تدمير اتصال الكرة عند نقطة اللحام إلى UBM بسبب العديد من دورات التسخين / التبريد للكريستال. وتسخن بطاقات الفيديو بسرعة وإلى درجات حرارة عالية ، مما يؤدي إلى الإجهاد الميكانيكي. ولذلك ، فإن سيادة القانون صحيحة ، فكلما كان النظام أكثر برودة و "برودة" ، كلما طال أمده.بالنسبة لمعالجات Intel ، تصل درجة الحرارة الحرجة إلى 65 درجة مئوية ، وبعد ذلك تبدأ الحماية من الحرارة الزائدة في العمل ، وبطاقات الفيديو يمكن أن تصل درجة الحرارة إلى 80-90 درجة.

وفقًا للإنترنت ، يمكنك لصق بطاقة فيديو بكريستال مقطوع! (وليس بمشكلة أخرى ، ثم صراخ أن كل شيء تم إصلاحه والمؤلف خاطئ) في الفرن ودفئ ، وستعمل بطاقة الفيديو مرة أخرى. لست بحاجة إلى القيام بذلك ، لأنه يمكنك تسميم البلاستيك / textolite في أزواج وهذا لن يؤدي إلى إصلاح بطاقة الفيديو. لبعض الوقت ، يمكن استعادة قابلية التشغيل ، لأنه بسبب التمدد الحراري ، يمكن أن تتكسر طبقة أكسيد ، ولكن لفترة طويلة ، حتى تقوم عملية التآكل / التمدد الحراري بفصل الاتصال مرة أخرى ، وسيحدث ذلك. السبب الوحيد المنطقي لتدفئة بطاقة الفيديو هو التشخيص لتحديد النصل بدقة.

Source: https://habr.com/ru/post/ar389253/