O dispositivo de um chip IC com terminais de esferas e por que a bola se desconecta

Todos nós amamos a eletrônica e quase a adoramos. Telefones, computadores etc. dispositivos são muito complexos, e porque não custam dinheiro fabuloso, graças à automação e CAD, mas ainda pensamos que é caro, queremos mais barato e nem sabemos quantas tecnologias ele contém microeletrônica.
Uma dessas tecnologias ocultas pelas quais pagamos quando compramos um processador, telefone, placa de vídeo e outros dispositivos - UBM (sob metalização bump) é a metalização de uma plataforma em um chip para montagem de terminais de esferas.

O desenvolvimento da microeletrônica leva a um aumento na densidade de integração dos componentes, tanto no chip IC quanto no PCB. Se não houver muitas conclusões sobre o cristal, de uma a algumas centenas ou mais, o cristal poderá ser projetado para soldagem de arame. Existem muitos exemplos: memória flash, chips de RAM, chips de som e muito mais. Aqui, o leitor pode se lembrar de como são os casos de microcircuitos e dizer que os casos são soldados aos terminais da esfera, e ele estará certo. Somente dentro desses casos os cristais são colados e soldados com arame. A seguir, falaremos sobre cabos de bola localizados entre o cristal e o corpo.

Fig. 1 chip de RAM Hunix. A desembalagem do cristal (linhas brancas) e
o próprio cristal (retângulo escuro) são mostrados esquematicamente , embora o próprio estojo seja soldado em esferas.

Se o número de pinos de um cristal em potencial for grande, de 600 a mais de 4000, o desenvolvedor desenvolverá um cristal imediatamente para pinos de esferas, por exemplo, cristais como CPU e GPU. Sim, e descompactar fisicamente um fio com tantas conclusões é um longo processo seqüencial, mas geralmente fico quieto ao programar uma máquina.

Fig. 2 chip gráfico AMD Fiji. No chip IC, mais de 4000 bolas de solda, não no corpo.

O chumbo de bola é uma bola de solda (que pode ou não conter chumbo), que executa três funções ao mesmo tempo:
1. Segura o cristal em um PCB ou em um interposer de silício (como AMD Fiji)
2. Serve para remover o calor
3. Cria uma conexão elétrica do cristal com o ambiente externo

Se o cristal é feito para cabos de esferas, as pastilhas de contato de cobre são formadas sobre toda a superfície do cristal na forma de uma matriz e são essencialmente uma continuação da topologia do cristal. Em seguida, em um cobre, quando necessário, uma camada protetora de passivação é aplicada e não é aplicada onde a bola estará localizada. A área aberta de cobre é coberta com uma camada UBM e depois está pronta para aplicar a bola. Parte da camada UBM repousa na passivação, cobrindo completamente o cobre e criando uma saliência ao redor do perímetro do local.

Fig. 3 KP em uma conclusão de bola. Amarelo - cobre sob passivação, cinza - revestimento UBM.

Se o cristal é feito para soldagem de arame, as almofadas de contato (KP) para soldagem são retângulos com revestimento principalmente de alumínio e estão localizadas em torno do perímetro do cristal.

Fig. 4 KP para soldagem de arame com um tamanho da ordem de 100 x 100 mícrons

Também é impossível conectar diretamente uma esfera de solda a um KP: a solda não pode ser soldada a uma almofada de alumínio. Para fazer isso, solde a bola, use também a tecnologia UBM.
E assim, UBM é a camada entre a esfera de solda e o metal do bloco de contato no chip. Sua tarefa é a adesão com uma almofada de contato, proteção contra difusão e molhabilidade para solda. O UBM é necessário para criar estruturas com juntas de esferas e também permite criar estruturas para esferas e em CIs criados para emendas.

Fig. 5 Localização do UBM

A interface UBM deve garantir que as seguintes condições sejam atendidas:
1. Crie uma conexão confiável com o alumínio do bloco de contato e a camada de passivação no chip. É importante que a própria camada de passivação esteja sem pequenos furos, pois isso pode levar a um curto-circuito ao criar camadas UBM condutoras.
2. Tenha uma baixa resistência com uma almofada de contato. Para atender a esse requisito, a alumina é removida da superfície da CP antes de aplicar a primeira camada UBM.
3. Forneça uma barreira à difusão do material da bola de solda e do material KP.
4. A camada externa do UBM deve ser molhada para solda.
5. Proteja contra a formação de uma camada de óxido em uma superfície aberta.
6. Forneça o mínimo de tensão possível ao cristal.

O UBM é um mínimo de 3 camadas gravadas de filmes finos de metal.
1. Uma camada de adesão ao KP. Serve para formar uma ligação entre o metal do KP e a camada de passivação do IC e protege contra a difusão entre o KP e a esfera de solda. Os materiais mais usados ​​para isso são: Cromo (Cr), titânio (Ti), titânio / tungstênio (Ti / W), níquel (Ni), Mo molibdênio. A espessura desta camada é de cerca de 0,15 - 0,2 μm.
2. Uma camada umedecida para solda. Para criar uma junta de solda com uma bola de solda. Os metais utilizados são: cobre (Cu), níquel (Ni), paládio (Pd). A espessura usual da camada é de ~ 1 - 5 μm.
3. A camada de proteção contra oxidação. Para isso, é usado ouro (Au). Espessura ~ 0,05 - 0,1 μm.

Muitas combinações de camadas UBM podem ser feitas, por exemplo, Ti / Cu / Au, Ti / Cu, Ti / Cu / Ni, TiW / Cu / Au, Cr / Cu / Au, Ni / Au, Ti / Ni / Pd, Mo / Pd . No entanto, diferentes estruturas UBM têm propriedades diferentes e confiabilidade diferente. Por exemplo, Ti / Cu / Ni tem melhor adesão que Ti / Cu. Combinações de materiais UBM afetam a confiabilidade da conexão com o local do cristal e com a bola de solda. O UBM deve ser compatível com o material da bola de solda. A camada externa do UBM, que funciona bem com soldas de chumbo, pode não ser adequada para soldas sem chumbo. Por exemplo, o Cu fornece um bom composto de solda com solda de chumbo e ruim com os sem chumbo, porque o estanho puro forma um composto intermetálico com Sn-Cu de cobre. Se o cobre for completamente absorvido pela solda, o contato será interrompido.

Vamos ver como fica o exemplo de um microcircuito, que foi originalmente desenvolvido para soldagem de arame e finalizado para saídas de esferas. Além disso, a topologia do cristal não mudou para as bolas. De fato, se o cristal funciona, por que escalar? Este é o chip WL1271L - Texas Instruments Wi-Fi e Bluetooth. Na foto, um fragmento:

Fig. 6 Fragmento de um cristal WL1271L.

Aqui, o momento atrai a atenção de que existe a possibilidade, sem recorrer à alteração da topologia do cristal, de adaptá-lo aos fios da bola, formando camadas sobre o cristal. Isso requer operações adicionais na placa com cristais, a operação de formação de bolas, mas isso oferece uma vantagem na economia de espaço na placa, porque com um tamanho de bola de 200 - 250 μm, não é necessária uma placa adaptadora, ou seja, você pode montar o cristal diretamente na placa. Até onde eu sei, eles não fazem isso na Rússia, embora existam microcircuitos adequados para isso, mas alguns ICs importados fazem isso. De uma maneira boa, essa tecnologia deve reduzir o custo do produto final. Para os militares, pode não ser adequado devido aos requisitos de confiabilidade, mas para uso doméstico, a um preço acessível, é bastante.

Agora, vamos ver um exemplo de um IC, projetado especificamente para terminais de esfera. Pegamos uma placa de vídeo e quebramos o cristal, limpamos, decapamos com uma mistura de persulfato de amônio e sulfato de cobre.

Fig. 7 Almofada de contato antes (esquerda) e após a gravação (direita).

Quando o estanho é gravado (e as esferas devem ser sem chumbo), o estanho desloca o cobre do sulfato de cobre e, em seguida, esse cobre na forma de metal é absorvido pelo persulfato de amônio. Assim, o site é limpo de estanho. Sob o microscópio, quando o foco muda, uma depressão é visível após a remoção da lata, isso não é tão claramente visível na foto. Os fios de cobre que divergem da almofada de contato não foram gravados porque são protegidos por passivação. O cobre sob a própria almofada de contato também permaneceu intocado, porque a camada superior do UBM não reagiu com persulfato ou sulfato de amônio, expondo-se assim e por essa propriedade é possível adivinhar que tipo de metal é.

Agora, sobre o problema das conclusões da bola. Durante a emenda do fio, o cristal se conecta à caixa com fio de alumínio / ouro e, mesmo se for deformado, a conexão permanecerá, porque o fio é plástico. Mas o chumbo da bola é duro, levemente plástico, não estica e, sob certas condições, pode ficar atrás do bloco de contato (porque nesse local a espessura do metal é mínima => a carga é maior). Destruição / delaminação leva a um aumento da resistência e um circuito aberto.

Fig. 8 Localização da camada UBM e da bola (vista superior).

O UBM está localizado diretamente abaixo do terminal da bola (se você olhar para o cristal do lado das bolas). Quando colocadas umas sobre as outras, a bola exerce tensão no UBM e pode se desconectar com a camada de metal do UBM ou do próprio UBM.

Algumas desconexões da bola não afetarão a operação do dispositivo, por exemplo, se houver um grande número de bolas de força conectadas em paralelo, desconectar uma delas não causará mau funcionamento do dispositivo. Mas se a desconexão ocorrer na linha em que os dados vão ... Esse problema é chamado de "lâmina de chip" e leva ao mau funcionamento do dispositivo. Então, ela cai / a bola cai não entre o substrato e a prancha (embora possa ser), mas entre o cristal e o substrato. Com um alto grau de probabilidade, a destruição do contato da bola ocorreu no ponto de solda do UBM devido aos numerosos ciclos de aquecimento / resfriamento do cristal. E as placas de vídeo aquecem rapidamente e a altas temperaturas, o que leva ao estresse mecânico. Portanto, o estado de direito é verdadeiro, quanto melhor o resfriamento e "mais frio" o sistema, mais ele durará.Para processadores Intel, a temperatura crítica é de até 65 ° C, após o que a proteção contra superaquecimento começa a funcionar, e para placas de vídeo, a temperatura pode chegar a 80-90 graus.

De acordo com a Internet, você pode colar uma placa de vídeo com um cristal caído! (e não com outro problema, e depois gritando que tudo foi reparado e que o autor está errado) no forno e aqueça, e a placa de vídeo funcionará novamente. Você não precisa fazer isso, pois pode envenenar o plástico / textolite em pares e isso não reparará a placa de vídeo. Por algum tempo, a operabilidade pode ser restaurada, porque, devido à expansão térmica, uma camada de óxido pode romper, mas por um longo tempo, até que o processo de expansão térmica / corrosão desconecte novamente o contato, e isso acontecerá. A única razão pela qual faz sentido aquecer a placa de vídeo é o diagnóstico, para determinar com precisão o blade.

Source: https://habr.com/ru/post/pt389253/