Perangkat chip IC dengan terminal bola dan mengapa bola terputus

Kita semua menyukai elektronik dan hampir menyembahnya. Perangkat telepon, komputer, dll. Sangat kompleks, dan karena mereka tidak memerlukan biaya uang yang luar biasa, berkat otomatisasi dan CAD, tetapi kami masih berpikir bahwa itu mahal, dan kami ingin lebih murah, dan kami bahkan tidak tahu berapa banyak teknologi yang dikandungnya mikroelektronika.
Salah satu teknologi tersembunyi yang kami bayar ketika membeli prosesor, telepon, kartu video, dan perangkat lainnya - UBM (dengan metalisasi benjolan) adalah metalisasi platform pada sebuah chip untuk memasang lead bola.

Perkembangan mikroelektronika mengarah pada peningkatan kepadatan integrasi komponen baik pada chip IC dan pada PCB. Jika tidak ada terlalu banyak kesimpulan tentang kristal, dari satu hingga beberapa ratus atau lebih, maka kristal tersebut dapat dirancang untuk pengelasan kawat. Ada banyak contoh: memori flash, chip RAM, chip suara, dan banyak lagi. Di sini, pembaca dapat mengingat bagaimana beberapa kasus microcircuit terlihat, dan mengatakan bahwa kasus disolder ke terminal bola, dan dia akan benar. Hanya di dalam kasing ini kristal dilem dan dilas dengan kawat. Selanjutnya, kita akan berbicara tentang bola yang terletak di antara kristal dan tubuh.

Fig. 1 Hunix RAM Chip. Kristal membongkar (garis putih) dan
kristal itu sendiri (persegi panjang gelap) ditunjukkan secara skematis , meskipun kasing itu sendiri disolder pada bola.

Jika jumlah pin kristal potensial besar, dari 600 menjadi lebih dari 4000, maka pengembang segera mengembangkan kristal untuk pin bola, misalnya kristal seperti CPU dan GPU. Ya, dan secara fisik membuka ritsleting kawat dengan sejumlah kesimpulan adalah proses berurutan yang panjang, tapi saya biasanya diam tentang pemrograman mesin.

Fig. 2 chip grafis AMD Fiji. Pada chip IC, lebih dari 4000 bola solder, bukan pada tubuh.

Bola timbal adalah bola solder (dapat mengandung timbal atau tanpanya), yang melakukan 3 fungsi pada saat yang sama:
1. Pegang kristal pada PCB atau silikon interposer (seperti AMD Fiji)
2. Berfungsi untuk menghilangkan panas
3. Membuat sambungan listrik dari kristal dengan lingkungan eksternal

Jika kristal dibuat untuk lead bola, maka bantalan kontak tembaga terbentuk di atas seluruh permukaan kristal dalam bentuk matriks, dan pada dasarnya merupakan kelanjutan dari topologi kristal. Kemudian, pada tembaga, jika perlu, lapisan pelindung pasif diterapkan, dan tidak diterapkan di mana bola akan ditempatkan. Area terbuka tembaga ditutupi dengan lapisan UBM dan setelah itu siap untuk menerapkan bola. Bagian dari lapisan UBM bertumpu pada pasivasi, sehingga sepenuhnya menutupi tembaga dan menciptakan tonjolan di sekeliling situs.

Fig. 3 KP di bawah kesimpulan bola. Kuning - tembaga dengan lapisan pasif, abu - abu - UBM.

Jika kristal dibuat untuk pengelasan kawat, maka bantalan kontak (KP) untuk pengelasan adalah persegi panjang dengan lapisan terutama dari aluminium, dan terletak di sekeliling kristal.

Fig. 4 KP untuk pengelasan kawat dengan ukuran urutan 100 x 100 mikron

Hal ini juga tidak mungkin untuk secara langsung menghubungkan bola solder ke KP seperti itu: solder tidak dapat disolder ke pad aluminium. Untuk melakukan ini, solder bola, juga menggunakan teknologi UBM.
Jadi, UBM adalah lapisan antara bola solder dan logam dari panel kontak pada chip. Tugasnya adalah adhesi dengan bantalan kontak, perlindungan difusi dan keterbasahan untuk solder. UBM diperlukan untuk membuat struktur dengan sambungan bola dan juga memungkinkan Anda membuat struktur untuk bola dan IC yang dibuat untuk splicing.

Fig. 5 Lokasi UBM

Antarmuka UBM harus memastikan bahwa kondisi berikut terpenuhi:
1. Buat koneksi yang dapat diandalkan dengan aluminium panel kontak dan dengan lapisan pasif pada chip. Adalah penting bahwa lapisan pasif itu sendiri tanpa lubang kecil, karena ini dapat menyebabkan korsleting ketika membuat lapisan UBM konduktif.
2. Memiliki resistansi rendah dengan pad kontak. Untuk memenuhi persyaratan ini, alumina dikeluarkan dari permukaan CP sebelum menerapkan lapisan UBM pertama.
3. Memberikan penghalang untuk difusi bahan bola solder dan bahan KP.
4. Lapisan luar UBM harus dibasahi untuk solder.
5. Lindungi dari pembentukan lapisan oksida pada permukaan terbuka.
6. Berikan tegangan sesedikit mungkin ke kristal.

UBM adalah minimal 3 lapisan film logam tipis.
1. Lapisan adhesi ke KP. Ini berfungsi untuk membentuk ikatan antara logam KP dan lapisan pasif IC dan melindungi terhadap difusi antara KP dan bola solder. Bahan yang umum digunakan untuk ini adalah: Chrome (Cr), titanium (Ti), titanium / tungsten (Ti / W), nikel (Ni), Mo molybdenum. Ketebalan lapisan ini sekitar 0,15 - 0,2 μm.
2. Sebuah lapisan dibasahi untuk solder. Untuk membuat sambungan solder dengan bola solder. Logam yang digunakan adalah: Tembaga (Cu), Nikel (Ni), Palladium (Pd). Ketebalan lapisan yang biasa adalah ~ 1 - 5 μm.
3. Lapisan perlindungan terhadap oksidasi. Untuk ini, emas (Au) digunakan. Ketebalan ~ 0,05 - 0,1 m.

Banyak kombinasi lapisan UBM dapat dibuat, misalnya, Ti / Cu / Au, Ti / Cu, Ti / Cu / Ni, TiW / Cu / Au, Cr / Cu / Au, Ni / Au, Ti / Ni / Pd, Mo / Pd . Namun, struktur UBM yang berbeda memiliki sifat yang berbeda dan keandalan yang berbeda pula. Sebagai contoh, Ti / Cu / Ni memiliki adhesi yang lebih baik daripada Ti / Cu. Kombinasi bahan UBM mempengaruhi keandalan koneksi ke situs kristal, dan ke bola solder. UBM harus kompatibel dengan material bola solder. Lapisan luar UBM, yang bekerja dengan baik dengan solder timah, mungkin tidak cocok untuk solder bebas timah. Sebagai contoh, Cu memberikan senyawa solder yang baik dengan solder timah, dan buruk dengan yang bebas timah, karena timah murni membentuk senyawa intermetalik dengan tembaga Sn-Cu. Jika tembaga sepenuhnya diserap oleh solder, maka kontak akan putus.

Mari kita lihat bagaimana kelihatannya pada contoh microcircuit, yang awalnya dikembangkan untuk pengelasan kawat, dan kemudian diselesaikan untuk output bola. Selain itu, topologi kristal tidak berubah untuk bola. Memang, jika kristal itu bekerja, mengapa naik? Ini adalah chip WL1271L - Texas Instruments Wi-Fi dan chip Bluetooth. Dalam foto, sebuah fragmen:

Fig. 6 Fragmen kristal WL1271L.

Di sini, momen tersebut menarik perhatian bahwa ada kemungkinan, tanpa harus mengubah topologi kristal, untuk mengadaptasinya ke bola mengarah dengan membentuk lapisan di atas kristal. Ini membutuhkan operasi tambahan pada pelat dengan kristal, operasi pembentukan bola, tetapi ini memberikan keuntungan dalam menghemat ruang di papan, karena dengan ukuran bola 200 - 250 μm, tidak memerlukan papan adaptor, yaitu, Anda dapat memasang kristal langsung di papan. Sejauh yang saya tahu, mereka tidak melakukan ini di Rusia, meskipun ada sirkuit mikro yang cocok untuk ini, tetapi beberapa IC impor melakukan ini. Dalam cara yang baik, teknologi seperti itu harus mengurangi biaya produk akhir. Bagi militer, itu mungkin tidak cocok karena persyaratan keandalan, tetapi untuk penggunaan di rumah, dengan harga yang terjangkau, itu cukup.

Sekarang mari kita lihat contoh IC, yang dirancang khusus untuk terminal bola. Kami mengambil kartu video dan memecahkan kristal, membersihkannya, dan meng acarnya dengan campuran ammonium persulfate dan copper sulfate.

Fig. 7 Papan kontak sebelum (kiri) dan setelah etsa (kanan).

Ketika timah tergores (dan bola harus tanpa timah), timah memindahkan tembaga dari tembaga sulfat, dan kemudian tembaga ini dalam bentuk logam diserap oleh ammonium persulfate. Dengan demikian, situs tersebut dibersihkan dari timah. Di bawah mikroskop, ketika fokus berubah, depresi terlihat setelah timah dilepaskan, ini tidak begitu jelas terlihat di foto. Kabel tembaga yang menyimpang dari papan kontak tidak tergores karena dilindungi oleh pasif. Tembaga di bawah papan kontak itu sendiri juga tetap tidak tersentuh, karena lapisan atas UBM tidak bereaksi dengan amonium persulfat atau sulfat, dengan demikian mengekspos dirinya sendiri dan dengan sifat ini dimungkinkan untuk menebak jenis logam apa itu.

Sekarang tentang masalah kesimpulan bola. Selama penyambungan kawat, kristal terhubung ke casing dengan kawat aluminium / emas, dan bahkan jika itu cacat, sambungan akan tetap, karena kawat itu plastik. Tetapi ujung bola keras, sedikit plastik, tidak meregang dan dalam kondisi tertentu dapat tertinggal di belakang panel kontak (karena di tempat ini ketebalan logam minimal => beban lebih besar). Penghancuran / delaminasi menyebabkan peningkatan resistensi dan sirkuit terbuka.

Fig. 8 Lokasi lapisan UBM dan bola (tampilan atas).

UBM terletak tepat di bawah terminal bola (jika Anda melihat kristal dari sisi bola). Ketika ditempatkan di atas satu sama lain, bola memberikan tegangan pada UBM dan dapat memutuskan sambungan dengan lapisan logam UBM atau dari UBM itu sendiri.

Beberapa pemutusan bola tidak akan mempengaruhi operasi perangkat, misalnya, jika ada sejumlah besar bola daya yang terhubung secara paralel, melepaskan salah satunya tidak akan menyebabkan kegagalan fungsi perangkat. Tetapi jika pemutusan terjadi pada jalur di mana data berjalan ... Masalah seperti itu disebut "chip blade" dan menyebabkan kegagalan fungsi pada perangkat. Jadi, bola jatuh / bola jatuh bukan di antara media dan papan (meskipun ini bisa terjadi), tetapi di antara kristal dan media. Dengan tingkat probabilitas tinggi, penghancuran kontak bola terjadi pada titik solder ke UBM karena banyaknya siklus pemanasan / pendinginan kristal. Dan kartu video memanas dengan cepat dan ke suhu tinggi, yang mengarah pada tekanan mekanis. Oleh karena itu, aturan hukum itu benar, semakin baik pendinginan dan semakin "dingin" sistem, semakin lama akan berlangsung.Untuk prosesor Intel, suhu kritis mencapai 65 C, setelah itu perlindungan terhadap panas berlebih mulai bekerja, dan untuk kartu video suhu bisa mencapai 80-90 derajat.

Menurut Internet, Anda dapat menempelkan kartu video dengan kristal yang jatuh! (dan tidak dengan masalah lain, dan kemudian berteriak bahwa semuanya telah diperbaiki dan penulis salah) di dalam oven dan melakukan pemanasan, dan kartu video akan bekerja lagi. Anda tidak perlu melakukan ini, karena Anda dapat meracuni plastik / textolite berpasangan dan ini tidak akan memperbaiki kartu video. Untuk beberapa waktu, operabilitas dapat dipulihkan, karena karena ekspansi termal, lapisan oksida dapat menerobos, tetapi untuk waktu yang lama, sampai proses ekspansi korosi / termal kembali memutus kontak, dan ini akan terjadi. Satu-satunya alasan masuk akal untuk menghangatkan kartu video adalah untuk diagnosa, untuk menentukan blade secara akurat.

Source: https://habr.com/ru/post/id389253/