Le dispositif d'une puce IC avec des bornes à billes et pourquoi la balle se déconnecte

Nous aimons tous l'électronique et l'adorons presque. Les téléphones, les ordinateurs, etc. sont très complexes, et parce qu'ils ne coûtent pas cher, grâce à l'automatisation et à la CAO, mais nous pensons toujours que c'est cher, et nous voulons moins cher, et nous ne savons même pas combien de technologies il contient microélectronique.
L'une de ces technologies cachées pour lesquelles nous payons lors de l'achat d'un processeur, d'un téléphone, d'une carte vidéo et d'autres appareils - UBM (sous métallisation de choc) est la métallisation d'une plate-forme sur une puce pour le montage de câbles à billes.

Le développement de la microélectronique conduit à une augmentation de la densité d'intégration des composants à la fois sur la puce IC et sur le PCB. S'il n'y a pas trop de conclusions sur le cristal, de une à quelques centaines ou plus, alors le cristal peut être conçu pour le soudage par fil. Il existe de nombreux exemples: mémoire flash, puces RAM, puces audio, etc. Ici, le lecteur peut se rappeler à quoi ressemblent certains des boîtiers de microcircuit et dire que les boîtiers sont soudés aux bornes à billes, et il aura raison. Ce n'est qu'à l'intérieur de ces boîtiers que les cristaux sont collés et soudés avec du fil. Ensuite, nous parlerons des plombs à billes situés entre le cristal et le corps.

Fig. 1 puce RAM Hunix. Le déballage du cristal (lignes blanches) et
le cristal lui-même (rectangle sombre) sont représentés schématiquement , bien que le boîtier lui-même soit soudé sur des billes.

Si le nombre de broches d'un cristal potentiel est important, de 600 à plus de 4000, le développeur développe immédiatement un cristal pour les broches à billes, par exemple, des cristaux tels que le CPU et le GPU. Oui, et décompresser physiquement un fil avec un tel nombre de conclusions est un long processus séquentiel, mais je garde généralement le silence sur la programmation d'une machine.

Fig. 2 puce graphique AMD Fiji. Sur la puce IC, plus de 4000 billes de soudure, pas sur le corps.

La boule de plomb est une boule de soudure (pouvant contenir ou sans plomb), qui remplit 3 fonctions en même temps:
1. Maintient le cristal sur un PCB ou un intercalaire en silicium (comme AMD Fiji)
2. Sert à éliminer la chaleur
3. Crée une connexion électrique du cristal avec l'environnement extérieur

Si le cristal est fait pour des fils à billes, des plots de contact en cuivre sont formés sur toute la surface du cristal sous la forme d'une matrice et sont essentiellement une continuation de la topologie du cristal. Ensuite, sur un cuivre, si nécessaire, une couche protectrice de passivation est appliquée, et n'est pas appliquée là où la balle sera située. La zone ouverte de cuivre est recouverte d'une couche UBM et après cela, elle est prête à appliquer la balle. Une partie de la couche UBM repose sur la passivation, recouvrant ainsi complètement le cuivre et créant une saillie autour du périmètre du site.

Fig. 3 KP sous une balle de conclusion. Jaune - cuivre sous passivation, gris - revêtement UBM.

Si le cristal est fait pour le soudage au fil, les plots de contact (KP) pour le soudage sont des rectangles avec un revêtement principalement en aluminium et sont situés autour du périmètre du cristal.

Fig. 4 KP pour le soudage de fils d'une taille de l'ordre de 100 x 100 microns

Il est également impossible de connecter directement une boule de soudure à un tel KP: la soudure ne peut pas être soudée sur un plot en aluminium. Pour ce faire, soudez la balle, utilisez également la technologie UBM.
Et donc, UBM est la couche entre la boule de soudure et le métal du plot de contact sur la puce. Sa tâche est l'adhésion avec un plot de contact, la protection contre la diffusion et la mouillabilité de la soudure. UBM est nécessaire pour créer des structures avec des rotules et il vous permet également de créer des structures pour les billes et sur les circuits intégrés créés pour l'épissage.

Fig. 5 Emplacement de l'UBM

L'interface UBM doit garantir que les conditions suivantes sont remplies:
1. Créer une connexion fiable avec l'aluminium du plot de contact et avec la couche de passivation sur la puce. Il est important que la couche de passivation elle-même soit sans petits trous, car cela peut conduire à un court-circuit lors de la création de couches UBM conductrices.
2. Avoir une faible résistance avec un plot de contact. Pour répondre à cette exigence, l'alumine est retirée de la surface du CP avant d'appliquer la première couche UBM.
3. Fournir une barrière à la diffusion du matériau de la boule de soudure et du matériau KP.
4. La couche externe d'UBM doit être mouillable pour la soudure.
5. Protéger contre la formation d'une couche d'oxyde sur une surface ouverte.
6. Fournissez le moins de tension possible au cristal.

UBM est un minimum de 3 couches gravées de films métalliques minces.
1. Une couche d'adhérence au KP. Il sert à former une liaison entre le métal du KP et la couche de passivation du CI et protège contre la diffusion entre le KP et la boule de soudure. Les matériaux couramment utilisés pour cela sont: Chrome (Cr), titane (Ti), titane / tungstène (Ti / W), nickel (Ni), Mo molybdène. L'épaisseur de cette couche est d'environ 0,15 à 0,2 µm.
2. Une couche mouillée pour la soudure. Pour créer un joint de soudure avec une boule de soudure. Les métaux utilisés sont: le cuivre (Cu), le nickel (Ni), le palladium (Pd). L'épaisseur de couche habituelle est de ~ 1 à 5 μm.
3. La couche de protection contre l'oxydation. Pour cela, l'or (Au) est utilisé. Épaisseur ~ 0,05 - 0,1 μm.

De nombreuses combinaisons de couches UBM peuvent être réalisées, par exemple, Ti / Cu / Au, Ti / Cu, Ti / Cu / Ni, TiW / Cu / Au, Cr / Cu / Au, Ni / Au, Ti / Ni / Pd, Mo / Pd . Cependant, différentes structures UBM ont des propriétés et une fiabilité différentes. Par exemple, Ti / Cu / Ni a une meilleure adhérence que Ti / Cu. Les combinaisons de matériaux UBM affectent la fiabilité de la connexion au site du cristal et à la boule de soudure. L'UBM doit être compatible avec le matériau des billes de soudure. La couche externe d'UBM, qui fonctionne bien avec les soudures au plomb, peut ne pas convenir aux soudures sans plomb. Par exemple, Cu donne un bon composé de soudure avec des soudures au plomb, et mauvais avec des sans plomb, car l'étain pur forme un composé intermétallique avec du cuivre Sn-Cu. Si le cuivre est complètement absorbé par la soudure, le contact se rompra.

Voyons à quoi cela ressemble sur l'exemple d'un microcircuit, qui a été développé à l'origine pour le soudage par fil, puis finalisé pour les sorties à billes. De plus, la topologie du cristal n'a pas changé pour les billes. En effet, si le cristal fonctionne, pourquoi grimper? Il s'agit de la puce WL1271L - Texas Instruments Wi-Fi et puce Bluetooth. Sur la photo, un fragment de celui-ci:

Fig. 6 Fragment d'un cristal WL1271L.

Ici, le moment attire l'attention sur la possibilité, sans recourir à la modification de la topologie du cristal, de l'adapter aux billes de plomb en formant des couches au-dessus du cristal. Cela nécessite des opérations supplémentaires sur la plaque avec des cristaux, des opérations de formation de billes, mais cela donne un avantage pour économiser de l'espace sur la carte, car avec une taille de boule de 200 à 250 μm, il n'a pas besoin d'une carte adaptateur, c'est-à-dire que vous pouvez monter le cristal directement sur la carte. Pour autant que je sache, ils ne le font pas en Russie, bien qu'il existe des microcircuits qui conviennent à cela, mais certains circuits intégrés importés le font. Dans le bon sens, une telle technologie devrait réduire le coût du produit final. Pour les militaires, il peut ne pas convenir en raison des exigences de fiabilité, mais pour un usage domestique, à un prix abordable, c'est tout à fait.

Voyons maintenant un exemple de circuit intégré spécialement conçu pour les terminaux à billes. Nous prenons une carte vidéo et fissurons le cristal, le nettoyons et le décapons avec un mélange de persulfate d'ammonium et de sulfate de cuivre.

Fig. 7 Contactez le tampon avant (à gauche) et après la gravure (à droite).

Lorsque l'étain est gravé (et les billes doivent être sans plomb), l'étain déplace le cuivre du sulfate de cuivre, puis ce cuivre sous forme de métal est absorbé par le persulfate d'ammonium. Ainsi, le site est débarrassé de l'étain. Au microscope, lorsque la mise au point change, une dépression est visible après le retrait de l'étain, ce n'est pas si clairement visible sur la photo. Les fils de cuivre divergeant du plot de contact n'ont pas été gravés car ils sont protégés par passivation. Le cuivre sous le plot de contact lui-même est également resté intact, car la couche supérieure d'UBM n'a pas réagi avec le persulfate ou le sulfate d'ammonium, s'exposant ainsi et par cette propriété, il est possible de deviner de quel type de métal il s'agit.

Passons maintenant au problème des conclusions de balle. Lors de l'épissure du fil, le cristal se connecte au boîtier avec du fil aluminium / or, et même s'il est déformé, la connexion restera, car le fil est en plastique. Mais le plomb de balle est dur, légèrement plastique, ne s'étire pas et dans certaines conditions il peut traîner derrière le plot de contact (car à cet endroit l'épaisseur du métal est minimale => la charge est plus importante). La destruction / délamination entraîne une augmentation de la résistance et un circuit ouvert.

Fig. 8 Emplacement de la couche UBM et de la balle (vue de dessus).

UBM est situé directement sous le terminal à billes (si vous regardez le cristal du côté des billes). Lorsqu'elle est placée les unes sur les autres, la balle exerce une tension sur l'UBM et peut se déconnecter avec la couche métallique de l'UBM ou de l'UBM elle-même.

Certaines déconnexions de la balle n'affecteront pas le fonctionnement de l'appareil, par exemple, s'il y a un grand nombre de billes d'alimentation connectées en parallèle, la déconnexion de l'une d'entre elles n'entraînera pas de dysfonctionnement de l'appareil. Mais si la déconnexion se produit sur la ligne le long de laquelle les données vont ... Un tel problème appelé «lame de puce» entraîne des dysfonctionnements de l'appareil. Ainsi, il tombe / la balle est tombée non pas entre le substrat et la carte (bien que cela puisse être), mais entre le cristal et le substrat. Avec un degré de probabilité élevé, la destruction du contact de la balle s'est produite au point de soudure de l'UBM en raison des nombreux cycles de chauffage / refroidissement du cristal. Et les cartes vidéo se réchauffent rapidement et à des températures élevées, ce qui entraîne des contraintes mécaniques. Par conséquent, l'état de droit est vrai, meilleur est le refroidissement et «plus froid» le système, plus il durera.Pour les processeurs Intel, la température critique peut atteindre 65 ° C, après quoi la protection contre la surchauffe commence à fonctionner, et pour les cartes vidéo, la température peut atteindre 80 à 90 degrés.

Selon Internet, vous pouvez coller une carte vidéo avec un cristal tombé! (et pas avec un autre problème, puis crier que tout a été réparé et que l'auteur a tort) dans le four et se réchauffer, et la carte vidéo fonctionnera à nouveau. Vous n'avez pas besoin de le faire, car vous pouvez empoisonner le plastique / textolite par paires et cela ne réparera pas la carte vidéo. Pendant un certain temps, l'opérabilité peut être restaurée, car en raison de la dilatation thermique, une couche d'oxyde peut traverser, mais pendant une longue période, jusqu'à ce que le processus de corrosion / dilatation thermique déconnecte à nouveau le contact, et cela se produira. La seule raison pour laquelle il est logique de chauffer la carte vidéo est pour les diagnostics, afin de déterminer avec précision la lame.

Source: https://habr.com/ru/post/fr389253/