კვლევა ნახევარგამტარული საყრდენის შემაერთებელი პროცესისა და აღჭურვილობის შესახებ

შესწავლა ნახევარგამტარული ჭურჭლის შესახებშებოჭვის პროცესი, მათ შორის წებოვანი შემაკავშირებელ პროცესი, ევტექტიკური შემაკავშირებელი პროცესი, რბილი შემაკავშირებელი პროცესი, ვერცხლის აგლომერაციის შემაკავშირებელი პროცესი, ცხელი დაჭერით შემაკავშირებელი პროცესი, ჩიპის შემაერთებელი პროცესი. დანერგილია ნახევარგამტარული საყრდენი მოწყობილობის ტიპები და მნიშვნელოვანი ტექნიკური ინდიკატორები, გაანალიზებულია განვითარების სტატუსი და განიხილება განვითარების ტენდენცია.

 

1 ნახევარგამტარული მრეწველობისა და შეფუთვის მიმოხილვა

ნახევარგამტარების ინდუსტრია კონკრეტულად მოიცავს ზედა დინების ნახევარგამტარულ მასალებს და აღჭურვილობას, შუა დინების ნახევარგამტარების წარმოებას და ქვედა დინების აპლიკაციებს. ჩემი ქვეყნის ნახევარგამტარების ინდუსტრია გვიან დაიწყო, მაგრამ თითქმის ათი წლის სწრაფი განვითარების შემდეგ, ჩემი ქვეყანა გახდა ნახევარგამტარული პროდუქტების მსოფლიოში უდიდესი სამომხმარებლო ბაზარი და ნახევარგამტარული აღჭურვილობის მსოფლიოში უდიდესი ბაზარი. ნახევარგამტარული ინდუსტრია სწრაფად ვითარდებოდა ერთი თაობის აღჭურვილობის, ერთი თაობის პროცესისა და ერთი თაობის პროდუქტების რეჟიმში. ნახევარგამტარული პროცესისა და აღჭურვილობის კვლევა არის ძირითადი მამოძრავებელი ძალა ინდუსტრიის უწყვეტი პროგრესისთვის და ნახევარგამტარული პროდუქტების ინდუსტრიალიზაციისა და მასობრივი წარმოების გარანტია.

 

ნახევარგამტარული შეფუთვის ტექნოლოგიის განვითარების ისტორია არის ჩიპების მუშაობის უწყვეტი გაუმჯობესებისა და სისტემების უწყვეტი მინიატურიზაციის ისტორია. შეფუთვის ტექნოლოგიის შიდა მამოძრავებელი ძალა განვითარდა მაღალი დონის სმარტფონების სფეროდან ისეთ სფეროებში, როგორიცაა მაღალი ხარისხის გამოთვლები და ხელოვნური ინტელექტი. ნახევარგამტარული შეფუთვის ტექნოლოგიის განვითარების ოთხი ეტაპი ნაჩვენებია ცხრილში 1.

როდესაც ნახევარგამტარული ლითოგრაფიის პროცესის კვანძები მოძრაობენ 10 ნმ, 7 ნმ, 5 ნმ, 3 ნმ და 2 ნმ-მდე, R&D და წარმოების ხარჯები აგრძელებს ზრდას, მოსავლიანობის მაჩვენებელი მცირდება და მურის კანონი ნელდება. ინდუსტრიული განვითარების ტენდენციების პერსპექტივიდან, ამჟამად შეზღუდული ტრანზისტორის სიმკვრივის ფიზიკური ლიმიტებითა და წარმოების ხარჯების უზარმაზარი ზრდით, შეფუთვა ვითარდება მინიატურიზაციის, მაღალი სიმკვრივის, მაღალი შესრულების, მაღალი სიჩქარის, მაღალი სიხშირის და მაღალი ინტეგრაციის მიმართულებით. ნახევარგამტარული ინდუსტრია შევიდა პოსტ-მურის ეპოქაში და მოწინავე პროცესები აღარ არის ორიენტირებული მხოლოდ ვაფლის წარმოების ტექნოლოგიური კვანძების წინსვლაზე, არამედ თანდათან გადადის შეფუთვის მოწინავე ტექნოლოგიაზე. შეფუთვის მოწინავე ტექნოლოგიას შეუძლია არა მხოლოდ გააუმჯობესოს ფუნქციები და გაზარდოს პროდუქტის ღირებულება, არამედ ეფექტურად შეამციროს წარმოების ხარჯები, რაც მნიშვნელოვანი გზა გახდება მურის კანონის გასაგრძელებლად. ერთის მხრივ, ძირითადი ნაწილაკების ტექნოლოგია გამოიყენება რთული სისტემების დაყოფისთვის რამდენიმე შეფუთვის ტექნოლოგიად, რომლებიც შეიძლება შეფუთული იყოს ჰეტეროგენულ და ჰეტეროგენულ შეფუთვაში. მეორეს მხრივ, ინტეგრირებული სისტემის ტექნოლოგია გამოიყენება სხვადასხვა მასალისა და სტრუქტურის მოწყობილობების ინტეგრირებისთვის, რომელსაც აქვს უნიკალური ფუნქციური უპირატესობები. მიკროელექტრონული ტექნოლოგიის გამოყენებით ხდება მრავალი ფუნქციისა და სხვადასხვა მასალის მოწყობილობების ინტეგრირება და ინტეგრირებული სქემებიდან ინტეგრირებულ სისტემებამდე განვითარება.

 

ნახევარგამტარული შეფუთვა არის ამოსავალი წერტილი ჩიპის წარმოებისთვის და ხიდი ჩიპის შიდა სამყაროსა და გარე სისტემას შორის. ამჟამად, გარდა ტრადიციული ნახევარგამტარული შეფუთვა და ტესტირების კომპანიები, ნახევარგამტარულივაფლისამსხმელო მწარმოებლები, ნახევარგამტარების დიზაინის კომპანიები და ინტეგრირებული კომპონენტების კომპანიები აქტიურად ავითარებენ მოწინავე შეფუთვის ან დაკავშირებულ ძირითად შეფუთვის ტექნოლოგიებს.

 

ტრადიციული შეფუთვის ტექნოლოგიის ძირითადი პროცესებიავაფლიგათხელება, ჭრა, საყრდენი შემაკავშირებელი, მავთულის შემაკავშირებელი, პლასტმასის დალუქვა, ელექტრული მორგება, ნეკნების ჭრა და ჩამოსხმა და ა.შ. ყველაზე კრიტიკული ძირითადი მოწყობილობა ნახევარგამტარულ შეფუთვაში და არის ერთ-ერთი ყველაზე მაღალი საბაზრო ღირებულების შესაფუთი მოწყობილობა. მიუხედავად იმისა, რომ შეფუთვის მოწინავე ტექნოლოგია იყენებს წინა-ბოლო პროცესებს, როგორიცაა ლითოგრაფია, ოხრაცია, მეტალიზაცია და პლანარიზაცია, შეფუთვის ყველაზე მნიშვნელოვანი პროცესი მაინც არის საყრდენის შემაკავშირებელი პროცესი.

 

2 ნახევარგამტარული საყრდენის შემაკავშირებელი პროცესი

2.1 მიმოხილვა

კვარცხლბეკის შემაკავშირებელ პროცესს ასევე უწოდებენ ჩიპის ჩატვირთვას, ბირთვის ჩატვირთვას, ჩიპის შემაკავშირებელ პროცესს, ჩიპის შემაკავშირებელ პროცესს და ა. შეწოვის საქშენი ვაკუუმის გამოყენებით და მოათავსეთ იგი ტყვიის ჩარჩოს ან შესაფუთი სუბსტრატის დანიშნულ ადგილას, ვიზუალური ხელმძღვანელობით, ისე, რომ ჩიპი და ბალიშები შეკრულია და ფიქსირდება. კვარცხლბეკის შემაკავშირებელი პროცესის ხარისხი და ეფექტურობა პირდაპირ გავლენას მოახდენს მავთულის შემდგომი შემაკავშირებელ ხარისხსა და ეფექტურობაზე, ასე რომ, საყრდენი შემაკავშირებელი არის ერთ-ერთი მთავარი ტექნოლოგია ნახევარგამტარული უკანა ნაწილის პროცესში.

 

ნახევარგამტარული პროდუქტის შეფუთვის სხვადასხვა პროცესებისთვის, ამჟამად არსებობს 6 ძირითადი საყრდენი შემაკავშირებელი პროცესის ტექნოლოგია, კერძოდ, წებოვანი შემაკავშირებელი, ევტექტიკური შემაკავშირებელი, რბილი შემაერთებელი შემაკავშირებელი, ვერცხლის შედუღების შემაკავშირებელი, ცხელი დაჭერით შემაკავშირებელი და ჩიპ-ჩიპის შემაკავშირებელი. ჩიპების კარგი შეკავშირების მისაღწევად, აუცილებელია, რომ საყრდენის შემაკავშირებელ პროცესში ძირითადი პროცესის ელემენტები ერთმანეთთან თანამშრომლობდნენ, ძირითადად, მათ შორის საყრდენი მასალები, ტემპერატურა, დრო, წნევა და სხვა ელემენტები.

 

2. 2 წებოვანი შემაკავშირებელი პროცესი

წებოვანი შეკვრის დროს, ჩიპის დადებამდე საჭიროა გარკვეული რაოდენობის წებოვანი წასმა ტყვიის ჩარჩოზე ან შეფუთვის სუბსტრატზე, შემდეგ კი სამაგრის თავი აიღებს ჩიპს და მანქანური ხედვის ხელმძღვანელობით, ჩიპი ზუსტად მოთავსდება შემაკავშირებელზე. ტყვიის ჩარჩოს ან შეფუთვის სუბსტრატის პოზიცია, რომელიც დაფარულია წებოვანი, და ჩიპზე გარკვეული შემაკავშირებელი ძალა ვრცელდება ჩიპზე, რომელიც ქმნის წებოვან ფენას ჩიპსა და ჩიპს შორის. ტყვიის ჩარჩო ან პაკეტის სუბსტრატი, რათა მიაღწიოს ჩიპის შეკვრის, დაყენების და დამაგრების მიზნებს. ამ საყრდენის შემაკავშირებელ პროცესს ასევე უწოდებენ წებოს შემაკავშირებელ პროცესს, რადგან წებოვანი უნდა წაისვათ კადრის შემაკავშირებელი მანქანის წინ.

 

ჩვეულებრივ გამოყენებული წებოები მოიცავს ნახევარგამტარ მასალებს, როგორიცაა ეპოქსიდური ფისი და გამტარ ვერცხლის პასტა. წებოვანი შემაკავშირებელი არის ყველაზე ფართოდ გამოყენებული ნახევარგამტარული ჩიპის ჩიპის შემაკავშირებელი პროცესი, რადგან პროცესი შედარებით მარტივია, ღირებულება დაბალია და შეიძლება გამოყენებულ იქნას სხვადასხვა მასალები.

 

2.3 ევტექტიკური შემაკავშირებელი პროცესი

ევტექტიკური შეკავშირების დროს, ევტექტიკური შემაკავშირებელი მასალა, როგორც წესი, წინასწარ გამოიყენება ჩიპის ძირზე ან ტყვიის ჩარჩოზე. ევტექტიკური შემაკავშირებელი მოწყობილობა აიღებს ჩიპს და ხელმძღვანელობს მანქანათმხედველობის სისტემით, რათა ზუსტად მოათავსოს ჩიპი ტყვიის ჩარჩოს შესაბამის შემაკავშირებელ პოზიციაზე. ჩიპი და ტყვიის ჩარჩო ქმნიან ევტექტიკურ შემაკავშირებელ ინტერფეისს ჩიპსა და პაკეტის სუბსტრატს შორის გათბობისა და წნევის კომბინირებული მოქმედების ქვეშ. ევტექტიკური შემაკავშირებელი პროცესი ხშირად გამოიყენება ტყვიის ჩარჩოსა და კერამიკული სუბსტრატის შეფუთვაში.

 

ევტექტიკური შემაკავშირებელ მასალებს ჩვეულებრივ ურევენ ორი მასალა გარკვეულ ტემპერატურაზე. ჩვეულებრივ გამოყენებულ მასალებს მოიცავს ოქრო და კალა, ოქრო და სილიციუმი და ა.შ. ევტექტიკური შემაკავშირებელი პროცესის გამოყენებისას, ტრასის გადაცემის მოდული, სადაც მდებარეობს ტყვიის ჩარჩო, წინასწარ გაათბებს ჩარჩოს. ევტექტიკური შემაკავშირებელი პროცესის რეალიზაციის გასაღები არის ის, რომ ევტექტიკური შემაკავშირებელ მასალას შეუძლია დნობა ორი შემადგენელი მასალის დნობის წერტილიდან გაცილებით ქვემოთ ტემპერატურაზე და შექმნას ბმა. ევტექტიკური შემაკავშირებელ პროცესში ჩარჩოს დაჟანგვის თავიდან ასაცილებლად, ევტექტიკური შემაკავშირებელი პროცესი ასევე ხშირად იყენებს დამცავ აირებს, როგორიცაა წყალბადი და აზოტის შერეული აირი, რათა შევიდეს ტრასაში ტყვიის ჩარჩოს დასაცავად.

 

2. 4 რბილი შედუღების პროცესი

რბილი შედუღებისას, ჩიპის განთავსებამდე, ტყვიის ჩარჩოზე შემაკავშირებელი პოზიცია დაკონსერვებულია და დაჭერით, ან ორმაგად დაკონსერვებულია და ტყვიის ჩარჩო უნდა გაცხელდეს ტრასაში. რბილი შემაერთებელი პროცესის უპირატესობა არის კარგი თბოგამტარობა, ხოლო მინუსი ის არის, რომ ადვილად იჟანგება და პროცესი შედარებით რთულია. იგი შესაფერისია ელექტრო მოწყობილობების ტყვიის ჩარჩოს შესაფუთად, როგორიცაა ტრანზისტორი კონტურის შეფუთვა.

 

2. 5 ვერცხლის აგლომერაციის შემაკავშირებელი პროცესი

ყველაზე პერსპექტიული შემაკავშირებელი პროცესი მიმდინარე მესამე თაობის ენერგეტიკული ნახევარგამტარული ჩიპისთვის არის ლითონის ნაწილაკების აგლომერაციის ტექნოლოგიის გამოყენება, რომელიც აერთიანებს პოლიმერებს, როგორიცაა ეპოქსიდური ფისი, რომელიც პასუხისმგებელია გამტარ წებოში შეერთებაზე. მას აქვს შესანიშნავი ელექტროგამტარობა, თბოგამტარობა და მაღალი ტემპერატურის სერვისის მახასიათებლები. ის ასევე არის ძირითადი ტექნოლოგია ბოლო წლების მესამე თაობის ნახევარგამტარული შეფუთვაში შემდგომი გარღვევისთვის.

 

2.6 თერმოკომპრესიული შემაკავშირებელი პროცესი

მაღალი ხარისხის სამგანზომილებიანი ინტეგრირებული სქემების შეფუთვაში, ჩიპის ურთიერთდაკავშირების შეყვანის/გამომავალი სიმაღლის, ნაკაწრის ზომისა და სიმაღლის მუდმივი შემცირების გამო, ნახევარგამტარულმა კომპანიამ Intel-მა წამოიწყო თერმოკომპრესიული შემაკავშირებელი პროცესი მცირე დახრილობის მოწინავე აპლიკაციებისთვის. ჩიპები 40-დან 50 მკმ-მდე ან თუნდაც 10 მკმ-ით. თერმოკომპრესიული შემაკავშირებელი პროცესი შესაფერისია ჩიპი-ვაფლისა და ჩიპ-სუბსტრატზე აპლიკაციებისთვის. როგორც სწრაფი მრავალსაფეხურიანი პროცესი, თერმოკომპრესიული შემაკავშირებელ პროცესს აწყდება გამოწვევები პროცესის კონტროლის საკითხებში, როგორიცაა არათანაბარი ტემპერატურა და მცირე მოცულობის შედუღების უკონტროლო დნობა. თერმოკომპრესიული კავშირის დროს ტემპერატურა, წნევა, პოზიცია და ა.შ. უნდა აკმაყოფილებდეს კონტროლის ზუსტ მოთხოვნებს.

 

2.7 ამობრუნებული ჩიპის შეკავშირების პროცესი

ჩიპის დამაგრების პროცესის პრინციპი ნაჩვენებია სურათზე 2. ამობრუნების მექანიზმი ამოიღებს ჩიპს ვაფლიდან და აბრუნებს მას 180°-ით ჩიპის გადასატანად. შედუღების თავის საქშენი ამოიღებს ჩიპს ამობრუნების მექანიზმიდან და ჩიპის დარტყმის მიმართულება ქვევითაა. მას შემდეგ, რაც შედუღების თავის საქშენი გადადის შესაფუთი სუბსტრატის ზევით, ის მოძრაობს ქვევით დასამაგრებლად და შესაფუთ სუბსტრატზე ჩიპის დასამაგრებლად.

 

Flip chip შეფუთვა არის მოწინავე ჩიპების ურთიერთდაკავშირების ტექნოლოგია და გახდა მოწინავე შეფუთვის ტექნოლოგიის განვითარების ძირითადი მიმართულება. მას აქვს მაღალი სიმკვრივის, მაღალი შესრულების, თხელი და მოკლე მახასიათებლები და შეუძლია დააკმაყოფილოს სამომხმარებლო ელექტრონული პროდუქტების განვითარების მოთხოვნები, როგორიცაა სმარტფონები და ტაბლეტები. ჩიპის დამაგრების პროცესი ამცირებს შეფუთვის ღირებულებას და შეუძლია გააცნობიეროს დაწყობილი ჩიპები და სამგანზომილებიანი შეფუთვა. იგი ფართოდ გამოიყენება შეფუთვის ტექნოლოგიების სფეროებში, როგორიცაა 2.5D/3D ინტეგრირებული შეფუთვა, ვაფლის დონის შეფუთვა და სისტემის დონის შეფუთვა. Flip Chip-ის შემაკავშირებელ პროცესი არის ყველაზე ფართოდ გამოყენებული და ყველაზე ფართოდ გამოყენებული მყარი საყრდენის შემაკავშირებელი პროცესი მოწინავე შეფუთვის ტექნოლოგიაში.