El dispositivo de un chip IC con terminales de bola y por qué la bola se desconecta

Todos amamos la electrónica y casi la adoramos. Los teléfonos, computadoras, etc. son muy complejos y, debido a que no cuestan un dinero fabuloso, gracias a la automatización y al CAD, aún creemos que es costoso y queremos más barato, y ni siquiera sabemos cuántas tecnologías contiene microelectrónica
Una de esas tecnologías ocultas por las que pagamos al comprar un procesador, teléfono, tarjeta de video y otros dispositivos: UBM (bajo metalización en relieve) es la metalización de una plataforma en un chip para montar cables de bola.

El desarrollo de la microelectrónica conduce a un aumento en la densidad de integración de los componentes tanto en el chip IC como en la PCB. Si no hay demasiadas conclusiones sobre el cristal, de uno a un par de cientos o más, entonces el cristal puede diseñarse para soldadura de alambre. Hay muchos ejemplos: memoria flash, chips de RAM, chips de sonido y más. Aquí, el lector puede recordar cómo se ven algunos de los casos de microcircuitos, y decir que los casos están soldados a los terminales de bola, y tendrá razón. Solo dentro de estas cajas hay cristales pegados y soldados con alambre. A continuación, hablaremos sobre los cables de bola ubicados entre el cristal y el cuerpo.

Fig. 1 Hunix RAM Chip. El desempaque del cristal (líneas blancas) y
el cristal en sí (rectángulo oscuro) se muestran esquemáticamente , aunque el caso en sí está soldado en bolas.

Si el número de pines de un cristal potencial es grande, de 600 a más de 4000, entonces el desarrollador desarrolla un cristal inmediatamente para pines de bola, por ejemplo, cristales como CPU y GPU. Sí, y descomprimir físicamente un cable con tantas conclusiones es un proceso secuencial largo, pero generalmente me quedo callado sobre la programación de una máquina.

Fig. 2 chips gráficos AMD Fiji. En el chip IC, más de 4000 bolas de soldadura, no en el cuerpo.

El cable de bola es una bola de soldadura (puede contener plomo o no), que realiza 3 funciones al mismo tiempo:
1. Sostiene el cristal en un PCB o un intercalador de silicio (como AMD Fiji)
2. Sirve para eliminar el calor
3. Crea una conexión eléctrica del cristal con el ambiente externo

Si el cristal está hecho para cables de bola, entonces se forman almohadillas de contacto de cobre sobre toda la superficie del cristal en forma de matriz, y son esencialmente una continuación de la topología del cristal. Luego, en un cobre, donde sea necesario, se aplica una capa protectora de pasivación, y no se aplica donde se ubicará la bola. El área abierta de cobre está cubierta con una capa UBM y luego está lista para aplicar la pelota. Parte de la capa UBM descansa en la pasivación, cubriendo por completo el cobre y creando una protuberancia alrededor del perímetro del sitio.

Fig. 3 KP bajo una conclusión de balón. Amarillo - cobre bajo pasivación, gris - recubrimiento UBM.

Si el cristal está hecho para soldar con alambre, entonces las almohadillas de contacto (KP) para soldar son rectángulos con un recubrimiento principalmente de aluminio y se ubican alrededor del perímetro del cristal.

Fig. 4 KP para soldadura de alambre con un tamaño del orden de 100 x 100 micras.

También es imposible conectar directamente una bola de soldadura a tal KP: la soldadura no se puede soldar a una almohadilla de aluminio. Para hacer esto, suelde la pelota, también use la tecnología UBM.
Y así, UBM es la capa entre la bola de soldadura y el metal de la almohadilla de contacto en el chip. Su tarea es la adhesión con una almohadilla de contacto, protección de difusión y humectabilidad para la soldadura. Se necesita UBM para crear estructuras con rótulas y también le permite crear estructuras para bolas y en circuitos integrados creados para empalmes.

Fig. 5 Ubicación de la UBM

La interfaz UBM debe garantizar que se cumplan las siguientes condiciones:
1. Cree una conexión confiable con la almohadilla de contacto de aluminio y la capa de pasivación en el chip. Es importante que la capa de pasivación en sí misma no tenga agujeros pequeños, ya que esto puede provocar un cortocircuito al crear capas conductoras de UBM.
2. Tener una baja resistencia con una almohadilla de contacto. Para cumplir con este requisito, la alúmina se elimina de la superficie del CP antes de aplicar la primera capa de UBM.
3. Proporcione una barrera a la difusión del material de la bola de soldadura y el material KP.
4. La capa externa de UBM debe ser humectable para soldar.
5. Proteger contra la formación de una capa de óxido en una superficie abierta.
6. Proporcione el menor voltaje posible al cristal.

UBM es un mínimo de 3 capas grabadas de películas metálicas delgadas.
1. Una capa de adhesión al KP. Sirve para formar un enlace entre el metal del KP y la capa de pasivación del IC y protege contra la difusión entre el KP y la bola de soldadura. Los materiales comúnmente utilizados para esto son: cromo (Cr), titanio (Ti), titanio / tungsteno (Ti / W), níquel (Ni), molibdeno Mo. El grosor de esta capa es de aproximadamente 0.15 - 0.2 μm.
2. Una capa humedecida para soldar. Para crear una unión de soldadura con una bola de soldadura. Los metales utilizados son: cobre (Cu), níquel (Ni), paladio (Pd). El grosor habitual de la capa es ~ 1 - 5 μm.
3. La capa de protección contra la oxidación. Para esto, se usa oro (Au). Espesor ~ 0.05 - 0.1 μm.

Se pueden hacer muchas combinaciones de capas UBM, por ejemplo, Ti / Cu / Au, Ti / Cu, Ti / Cu / Ni, TiW / Cu / Au, Cr / Cu / Au, Ni / Au, Ti / Ni / Pd, Mo / Pd . Sin embargo, diferentes estructuras UBM tienen diferentes propiedades y diferente confiabilidad. Por ejemplo, Ti / Cu / Ni tiene una mejor adhesión que Ti / Cu. Las combinaciones de materiales UBM afectan la confiabilidad de la conexión al sitio del cristal y a la bola de soldadura. UBM debe ser compatible con material de bola de soldadura. La capa externa de UBM, que funciona bien con soldaduras de plomo, puede no ser adecuada para soldaduras sin plomo. Por ejemplo, Cu da un buen compuesto de soldadura con soldaduras de plomo, y malo con soldaduras sin plomo, porque el estaño puro forma un compuesto intermetálico con cobre Sn-Cu. Si el cobre es completamente absorbido por la soldadura, entonces el contacto se romperá.

Veamos cómo se ve en el ejemplo de un microcircuito, que fue desarrollado originalmente para soldadura de alambre, y luego finalizó para salidas de bola. Además, la topología del cristal no cambió para las bolas. De hecho, si el cristal funciona, ¿por qué escalar? Este es el chip WL1271L: chip de Texas Instruments Wi-Fi y Bluetooth. En la foto, un fragmento de ella:

Fig. 6 Fragmento de un cristal WL1271L.

Aquí, el momento atrae la atención de que existe la posibilidad, sin recurrir a cambiar la topología del cristal, para adaptarlo a los cables de la bola formando capas en la parte superior del cristal. Esto requiere operaciones adicionales en la placa con cristales, la operación de formar bolas, pero esto brinda una ventaja en el ahorro de espacio en el tablero, ya que con un tamaño de bola de 200 - 250 μm, no necesita un tablero adaptador, es decir, puede montar el cristal directamente en el tablero. Hasta donde yo sé, no hacen esto en Rusia, aunque hay microcircuitos que son adecuados para esto, pero algunos circuitos integrados importados lo hacen. En el buen sentido, dicha tecnología debería reducir el costo del producto final. Para los militares, puede no ser adecuado debido a los requisitos de fiabilidad, pero para uso doméstico, a un precio asequible, es bastante.

Ahora veamos un ejemplo de un IC, que está diseñado específicamente para terminales de bola. Tomamos una tarjeta de video, y rompemos el cristal, lo limpiamos, lo conservamos en vinagre con una mezcla de persulfato de amonio y sulfato de cobre.

Fig. 7 Almohadilla de contacto antes (izquierda) y después del grabado (derecha).

Cuando el estaño se graba (y las bolas deben estar sin plomo), el estaño desplaza el cobre del sulfato de cobre, y luego este cobre en forma de metal es absorbido por el persulfato de amonio. Por lo tanto, el sitio se limpia de estaño. Bajo el microscopio, cuando cambia el foco, se ve una depresión después de retirar el estaño, esto no es tan claramente visible en la foto. Los alambres de cobre que divergen de la almohadilla de contacto no fueron grabados porque están protegidos por pasivación. El cobre debajo de la almohadilla de contacto también permaneció intacto, porque la capa superior de UBM no reaccionó ni con persulfato de amonio ni con sulfato, exponiéndose así y por esta propiedad es posible adivinar qué tipo de metal es.

Ahora sobre el problema de las conclusiones de la pelota. Durante el empalme de cables, el cristal se conecta a la carcasa con un cable de aluminio / oro, e incluso si está deformado, la conexión permanecerá, porque el cable es de plástico. Pero el cable de la bola es duro, ligeramente plástico, no se estira y, bajo ciertas condiciones, puede retrasarse detrás de la almohadilla de contacto (porque en este lugar el grosor del metal es mínimo => la carga es mayor). La destrucción / delaminación conduce a un aumento de la resistencia y un circuito abierto.

Fig. 8 Ubicación de la capa UBM y la pelota (vista superior).

UBM se encuentra directamente debajo de la terminal de la bola (si observa el cristal desde el costado de las bolas). Cuando se coloca una encima de la otra, la bola ejerce voltaje sobre la UBM y puede desconectarse con la capa metálica de la UBM o desde la propia UBM.

Algunas desconexiones de la bola no afectarán el funcionamiento del dispositivo, por ejemplo, si hay una gran cantidad de bolas de alimentación conectadas en paralelo, desconectar una de ellas no provocará un mal funcionamiento del dispositivo. Pero si la desconexión se produce en la línea a lo largo de la cual van los datos ... Tal problema se llama "chip blade" y conduce a un mal funcionamiento en el dispositivo. Entonces, se cae / la bola se cayó no entre el sustrato y el tablero (aunque esto puede ser), sino entre el cristal y el sustrato. Con un alto grado de probabilidad, la destrucción del contacto de la bola se produjo en el punto de soldadura de la UBM debido a los numerosos ciclos de calentamiento / enfriamiento del cristal. Y las tarjetas de video se calientan rápidamente y a altas temperaturas, lo que provoca estrés mecánico. Por lo tanto, el estado de derecho es cierto, cuanto mejor sea el enfriamiento y el sistema "más frío", más durará.Para los procesadores Intel, la temperatura crítica es de hasta 65 C, después de lo cual la protección contra el sobrecalentamiento comienza a funcionar, y para las tarjetas de video la temperatura puede alcanzar los 80-90 grados.

Según Internet, ¡puedes pegar una tarjeta de video con un cristal caído! (y no con otro problema, y ​​luego gritando que todo fue reparado y que el autor está equivocado) en el horno y el calentamiento, y la tarjeta de video funcionará nuevamente. No es necesario que haga esto, ya que puede envenenar el plástico / textolita en pares y esto no reparará la tarjeta de video. Durante algún tiempo, se puede restaurar la operatividad, porque debido a la expansión térmica, una capa de óxido puede romperse, pero durante mucho tiempo, hasta que el proceso de corrosión / expansión térmica desconecte nuevamente el contacto, y esto sucederá. La única razón por la que tiene sentido calentar la tarjeta de video es para el diagnóstico, para determinar con precisión la cuchilla.

Source: https://habr.com/ru/post/es389253/