Das Gerät eines IC-Chips mit Kugelklemmen und warum die Kugel trennt

Wir alle lieben Elektronik und verehren sie fast. Telefone, Computer usw. Geräte sind sehr komplex und weil sie dank Automatisierung und CAD kein fabelhaftes Geld kosten, denken wir immer noch, dass es teuer ist und wir wollen billiger und wir wissen nicht einmal, wie viele Technologien es enthält Mikroelektronik.
Eine dieser versteckten Technologien, für die wir beim Kauf eines Prozessors, eines Telefons, einer Grafikkarte und anderer Geräte bezahlen - UBM (Under Bump Metallization) - ist die Metallisierung einer Plattform auf einem Chip zur Montage von Kugelleitungen.

Die Entwicklung der Mikroelektronik führt zu einer Erhöhung der Integrationsdichte der Komponenten sowohl auf dem IC-Chip als auch auf der Leiterplatte. Wenn der Kristall nicht zu viele Schlussfolgerungen enthält, von einem bis zu einigen hundert oder mehr, kann der Kristall für das Drahtschweißen ausgelegt werden. Es gibt viele Beispiele: Flash-Speicher, RAM-Chips, Soundchips und mehr. Hier kann sich der Leser daran erinnern, wie einige der Mikroschaltungsgehäuse aussehen, und sagen, dass die Gehäuse an die Kugelanschlüsse gelötet sind, und er hat Recht. Nur in diesen Fällen werden Kristalle mit Draht verklebt und verschweißt. Als nächstes werden wir über Kugelleitungen sprechen, die sich zwischen dem Kristall und dem Körper befinden.

Abb. 1 Hunix RAM Chip. Das Auspacken
des Kristalls (weiße Linien) und der Kristall selbst (dunkles Rechteck) sind schematisch dargestellt , obwohl das Gehäuse selbst auf Kugeln gelötet ist.

Wenn die Anzahl der Stifte eines potenziellen Kristalls groß ist, von 600 bis über 4000, entwickelt der Entwickler sofort einen Kristall für Kugelstifte, beispielsweise Kristalle wie CPU und GPU. Ja, und die physische Verkabelung eines Kabels mit einer solchen Anzahl von Schlussfolgerungen ist ein langer sequentieller Prozess, aber ich schweige im Allgemeinen über die Programmierung einer Maschine.

Abb. 2 AMD Fiji Grafikchip. Auf dem IC-Chip mehr als 4000 Lötkugeln, nicht auf dem Gehäuse.

Die Kugelleitung ist eine Lötkugel (kann bleihaltig oder ohne sein), die gleichzeitig drei Funktionen ausführt:
1. Hält den Kristall auf einer Leiterplatte oder einem Silizium-Interposer (wie AMD Fiji).
2. Dient zum Abführen von Wärme.
3. Erstellt eine elektrische Verbindung des Kristalls mit die äußere Umgebung

Wenn der Kristall für Kugelleitungen hergestellt ist, werden Kupferkontaktflächen auf der gesamten Oberfläche des Kristalls in Form einer Matrix gebildet und sind im Wesentlichen eine Fortsetzung der Kristalltopologie. Bei Bedarf wird dann auf Kupfer eine Passivierungsschutzschicht aufgebracht, die nicht dort angebracht wird, wo sich die Kugel befindet. Der offene Bereich aus Kupfer ist mit einer UBM-Schicht bedeckt und kann anschließend die Kugel auftragen. Ein Teil der UBM-Schicht ruht auf der Passivierung, wodurch das Kupfer vollständig bedeckt wird und ein Vorsprung um den Umfang der Stelle entsteht.

Abb. 3 KP unter einem Ballschluss. Gelb - Kupfer unter Passivierung, Grau - UBM - Beschichtung.

Wenn der Kristall zum Drahtschweißen hergestellt ist, sind die Kontaktflächen (KP) zum Schweißen Rechtecke mit einer Beschichtung, die hauptsächlich aus Aluminium besteht und sich um den Umfang des Kristalls befinden.

Abb. 4 KP für das Drahtschweißen mit einer Größe in der Größenordnung von 100 x 100 Mikron

Es ist auch unmöglich, eine Lötkugel direkt mit einem solchen KP zu verbinden: Lötmittel kann nicht mit einem Aluminiumpad verlötet werden. Löten Sie dazu die Kugel und verwenden Sie auch die UBM-Technologie.
UBM ist also die Schicht zwischen der Lötkugel und dem Metall des Kontaktfelds auf dem Chip. Seine Aufgabe ist die Haftung mit einem Kontaktpad, der Diffusionsschutz und die Benetzbarkeit für Lötmittel. UBM wird benötigt, um Strukturen mit Kugelgelenken zu erstellen, und es ermöglicht Ihnen auch, Strukturen für Kugeln und auf ICs zu erstellen, die zum Spleißen erstellt wurden.

Abb. 5 Position des UBM

Die UBM- Schnittstelle muss sicherstellen, dass die folgenden Bedingungen erfüllt sind:
1. Stellen Sie eine zuverlässige Verbindung mit dem Kontaktpad Aluminium und der Passivierungsschicht auf dem Chip her. Es ist wichtig, dass die Passivierungsschicht selbst keine kleinen Löcher aufweist, da dies bei der Erzeugung leitfähiger UBM-Schichten zu einem Kurzschluss führen kann.
2. Haben Sie einen geringen Widerstand mit einem Kontaktpad. Um diese Anforderung zu erfüllen, wird Aluminiumoxid von der Oberfläche des CP entfernt, bevor die erste UBM-Schicht aufgebracht wird.
3. Stellen Sie eine Barriere gegen die Diffusion des Lötkugelmaterials und des KP-Materials bereit.
4. Die äußere Schicht von UBM muss zum Löten benetzbar sein.
5. Vor der Bildung einer Oxidschicht auf einer offenen Oberfläche schützen.
6. Versorgen Sie den Kristall so wenig wie möglich mit Spannung.

UBM besteht aus mindestens 3 geätzten Schichten dünner Metallfilme.
1. Eine Haftschicht auf dem KP. Es dient zur Bildung einer Verbindung zwischen dem Metall des KP und der Passivierungsschicht des IC und schützt vor Diffusion zwischen dem KP und der Lötkugel. Üblicherweise verwendete Materialien hierfür sind: Chrom (Cr), Titan (Ti), Titan / Wolfram (Ti / W), Nickel (Ni), Mo-Molybdän. Die Dicke dieser Schicht beträgt ca. 0,15 - 0,2 µm.
2. Eine zum Löten benetzte Schicht. So erstellen Sie eine Lötstelle mit einer Lötkugel. Die verwendeten Metalle sind: Kupfer (Cu), Nickel (Ni), Palladium (Pd). Die übliche Schichtdicke beträgt ~ 1 - 5 μm.
3. Die Schutzschicht gegen Oxidation. Hierfür wird Gold (Au) verwendet. Dicke ~ 0,05 - 0,1 μm.

Es können viele Kombinationen von UBM-Schichten hergestellt werden, beispielsweise Ti / Cu / Au, Ti / Cu, Ti / Cu / Ni, TiW / Cu / Au, Cr / Cu / Au, Ni / Au, Ti / Ni / Pd, Mo / Pd . Unterschiedliche UBM-Strukturen haben jedoch unterschiedliche Eigenschaften und unterschiedliche Zuverlässigkeit. Beispielsweise hat Ti / Cu / Ni eine bessere Haftung als Ti / Cu. Materialkombinationen UBM beeinflussen die Zuverlässigkeit der Verbindung zur Stelle des Kristalls und zur Lötkugel. UBM muss mit Lötkugelmaterial kompatibel sein. Die äußere Schicht von UBM, die gut mit Bleiloten funktioniert, ist möglicherweise nicht für bleifreie Lote geeignet. Beispielsweise ergibt Cu eine gute Lötverbindung mit Bleiloten und eine schlechte mit bleifreien, da reines Zinn mit Kupfer-Sn-Cu eine intermetallische Verbindung bildet. Wenn das Kupfer vollständig vom Lot absorbiert wird, bricht der Kontakt.

Lassen Sie uns sehen, wie es am Beispiel einer Mikroschaltung aussieht, die ursprünglich für das Drahtschweißen entwickelt und dann für Kugelausgänge fertiggestellt wurde. Darüber hinaus änderte sich die Topologie des Kristalls für die Kugeln nicht. In der Tat, wenn der Kristall funktioniert, warum klettern? Dies ist der WL1271L-Chip - Texas Instruments Wi-Fi und Bluetooth-Chip. Auf dem Foto ein Fragment davon:

Abb. 6 Fragment eines Kristalls WL1271L.

Hier zieht der Moment die Aufmerksamkeit auf sich, dass es die Möglichkeit gibt, ihn ohne Änderung der Topologie des Kristalls an die Kugelleitungen anzupassen, indem Schichten auf dem Kristall gebildet werden. Dies erfordert zusätzliche Operationen auf der Platte mit Kristallen, das Bilden von Kugeln, aber dies bietet einen Vorteil bei der Platzersparnis auf der Platine, da bei einer Kugelgröße von 200 - 250 μm keine Adapterplatine erforderlich ist, dh Sie können den Kristall direkt auf der Platine montieren. Soweit ich weiß, tun sie dies in Russland nicht, obwohl es Mikroschaltungen gibt, die dafür geeignet sind, aber einige importierte ICs tun dies. In guter Weise sollte eine solche Technologie die Kosten des Endprodukts senken. Für das Militär ist es aufgrund der Anforderungen an die Zuverlässigkeit möglicherweise nicht geeignet, aber für den Heimgebrauch zu einem erschwinglichen Preis ist es durchaus geeignet.

Schauen wir uns nun ein Beispiel eines IC an, der speziell für Kugelanschlüsse entwickelt wurde. Wir nehmen eine Grafikkarte und knacken den Kristall, reinigen ihn und beizen ihn mit einer Mischung aus Ammoniumpersulfat und Kupfersulfat.

Abb. 7 Kontaktpad vor (links) und nach dem Ätzen (rechts).

Wenn Zinn geätzt wird (und die Kugeln müssen bleifrei sein), verdrängt Zinn Kupfer aus Kupfersulfat, und dann wird dieses Kupfer in Form von Metall von Ammoniumpersulfat absorbiert. Somit wird die Stelle von Zinn befreit. Wenn sich der Fokus unter dem Mikroskop ändert, ist nach dem Entfernen der Dose eine Vertiefung sichtbar, die auf dem Foto nicht so deutlich sichtbar ist. Vom Kontaktfeld abweichende Kupferdrähte wurden nicht geätzt, da sie durch Passivierung geschützt sind. Das Kupfer unter dem Kontaktpolster selbst blieb ebenfalls unberührt, da die obere Schicht von UBM weder mit Ammoniumpersulfat noch mit Sulfat reagierte, wodurch es sich selbst freilegte und durch diese Eigenschaft erraten werden kann, um welche Art von Metall es sich handelt.

Nun zum Problem der Ballschlussfolgerungen. Während des Drahtspleißens wird der Kristall mit Aluminium / Golddraht mit dem Gehäuse verbunden, und selbst wenn er verformt wird, bleibt die Verbindung bestehen, da der Draht aus Kunststoff besteht. Die Kugelleitung ist jedoch hart, leicht plastisch, dehnt sich nicht und kann unter bestimmten Bedingungen hinter dem Kontaktpolster zurückbleiben (da an dieser Stelle die Metalldicke minimal ist => die Last größer ist). Zerstörung / Delaminierung führt zu einer Erhöhung des Widerstands und einem offenen Stromkreis.

Abb. 8 Position der UBM-Schicht und des Balls (Draufsicht).

UBM befindet sich direkt unter dem Kugelanschluss (wenn Sie den Kristall von der Seite der Kugeln betrachten). Wenn die Kugel übereinander gelegt wird, übt sie eine Spannung an der UBM aus und kann sich von der Metallschicht der UBM oder von der UBM selbst trennen.

Einige Trennungen der Kugel wirken sich nicht auf den Betrieb des Geräts aus. Wenn beispielsweise eine große Anzahl von Power-Bällen parallel geschaltet ist, führt das Trennen einer dieser Kugeln nicht zu einer Fehlfunktion des Geräts. Aber wenn die Trennung auf der Linie auftritt, entlang der die Daten gehen ... Ein solches Problem wird als "Chip Blade" bezeichnet und führt zu Fehlfunktionen im Gerät. Es fällt also ab / die Kugel fällt nicht zwischen dem Substrat und der Platte ab (obwohl dies möglich ist), sondern zwischen dem Kristall und dem Substrat. Mit hoher Wahrscheinlichkeit trat die Zerstörung des Kontakts der Kugel am Lötpunkt zum UBM aufgrund der zahlreichen Heiz- / Kühlzyklen des Kristalls auf. Und Grafikkarten erwärmen sich schnell und auf hohe Temperaturen, was zu mechanischer Beanspruchung führt. Daher gilt die Rechtsstaatlichkeit: Je besser die Kühlung und je „kälter“ das System ist, desto länger hält es.Bei Intel-Prozessoren liegt die kritische Temperatur bei bis zu 65 ° C. Danach beginnt der Schutz vor Überhitzung zu wirken, und bei Grafikkarten kann die Temperatur 80 bis 90 Grad erreichen.

Laut Internet können Sie eine Grafikkarte mit einem abgefallenen Kristall kleben! (und nicht mit einem anderen Problem, und dann schreien, dass alles repariert wurde und der Autor falsch ist) im Ofen und Aufwärmen, und die Grafikkarte wird wieder funktionieren. Sie müssen dies nicht tun, da Sie den Kunststoff / Textolit paarweise vergiften können und dadurch die Grafikkarte nicht repariert wird. Für einige Zeit kann die Funktionsfähigkeit wiederhergestellt werden, da aufgrund der Wärmeausdehnung eine Oxidschicht durchbrechen kann, jedoch für eine lange Zeit, bis der Korrosions- / Wärmeausdehnungsprozess den Kontakt wieder trennt, und dies geschieht. Der einzige Grund, warum es sinnvoll ist, die Grafikkarte zu erwärmen, ist die Diagnose, um das Blade genau zu bestimmen.

Source: https://habr.com/ru/post/de389253/