Дослідження технології високої-системи-в-пакеті та надійності

З розширенням і просуванням бездротового зв’язку та інших технологій у цивільній сфері продуктивність електронних компонентів була значно покращена. Водночас із зростанням інтеграції електронних систем пристрої розвиваються в напрямку мініатюризації, полегшення, точності та багатофункціональності. Оскільки умови обслуговування цих пристроїв стають більш вимогливими з розширенням їх призначених функцій, вивчення конструкції та надійності експлуатації передових структур упаковки та матеріалів є вирішальним для досягнення призначених функцій. У цій статті наведено перелік технологій упаковки, які зазвичай використовуються в системах бездротового зв’язку, і пов’язану з ними історію розвитку, з’ясовано характеристики та потенційні проблеми надійності упаковки високої-щільності та коротко представлено існуючі рішення.

1 Вступ

Із бурхливим розвитком індустрії інтегральних схем мініатюризація пристроїв та інтеграція пакетів із високою-щільністю призвели до постійного зменшення розмірів мікросистемних пристроїв на основі-інтегральних схем. Системи поступово переходять від функціональних логічних схем, що складаються з дискретних компонентів, до мікросистем, що складаються з окремих компонентів, інтегрованих на друкованих платах. Завдяки безперервній перевірці шляхом експериментів, випробувань і фактичного виробництва мікросистеми бездротового зв'язку мають широкі перспективи застосування в практичних сценаріях прийому та передачі інформації. Порівняно з великими розмірами та великою вагою традиційних систем-рівня плати, тенденція до мініатюризації електронних пристроїв призвела до поступової заміни систем рівня плати-інтегрованими комунікаційними мікросистемами (MS/MS) через їх низьку вартість, гнучкий діапазон застосування та високу надійність, що робить їх одним із сучасних основних методів інформаційної взаємодії.

Завдяки розвитку технологій електронного зв’язку та 5G покращилися різні технічні показники систем бездротового зв’язку, такі як потужність передачі, чутливість прийому, пропускна здатність і узгодженість каналів. Це підштовхнуло технологію зв’язку до міліметрових хвиль, терагерців, широкосмугового діапазону, ультра-широкого діапазону, високої-потужності та високої чутливості, а також породило такі технології, як монолітні мікрохвильові інтегральні схеми (MMIC), низько{4}}температурні-керамічні (LTCC) системи, системи-in-пакет (SiP) системи та системи-на-чипі (SoC). Поява таких технологій, як Chip-on-Chip (SoC) та інших подібних процесів, разом із застосуванням і розвитком технологій, як-от тривимірна гетерогенна інтеграція та мікро/нанопроцеси, призвела до розвитку мікросистем бездротового зв’язку. Будучи основним блоком для точного прийому та передачі інформації, а також завдяки мініатюризації, інтеграції та високій щільності електронних пристроїв і систем, високо-продуктивні, високо-надійні інтегровані мікросистеми наразі є основним напрямком розвитку систем бездротового зв’язку. Мініатюрні трансивери дозволяють пристроям одночасно досягати високої ефективності, низького фазового шуму та високої вихідної потужності. Однак із зменшенням розмірів процесу загальні витрати на проектування та виробництво мікросистем зростають. Тому промисловість запропонувала використовувати технологію Chip-on-Chip (SoC)... Метод побудови цифрових систем для інтеграції з високою-щільністю призводить до створення структури, яка характеризується низькою вартістю, високим рівнем інтеграції та високою надійністю.

Підводячи підсумок, у міру розвитку технологій щільність інтеграції мікросистемних пристроїв продовжує зростати, що призводить до постійного зростання теплогенерації на одиницю площі. Пристрої з високою-щільністю та високою{2}}потужністю стикаються з проблемою роботи при високих-температурах під час експлуатації. Тому надійність паяних з’єднань за високих-температурних навантажень і тепловідвідна здатність матеріалів є вирішальними факторами надійної роботи пристрою. Модифікація структури паяного з’єднання або зміна матеріалу інтерфейсу є ефективними засобами для покращення ефективності цих двох факторів впливу. Ця стаття коротко представляє методи оптимізації цих двох підходів.

2. Види упаковки

Інтеграція мікросистемних пристроїв вимагає використання технології упаковки для реалізації функцій пристрою. Хороша структура упаковки може забезпечити розумну механічну підтримку, взаємопов’язані електричні сигнали, ефективну систему розсіювання тепла та ширший діапазон обслуговування пристрою. В даний час доступно багато передових структур упаковки, таких як SiP, SoC і Chiplet. Технологія SiP (System{3}}on-Package) – це метод системної інтеграції за допомогою технології багато-чіп-модулів (MCM) високої-щільності. Ця технологія охоплює проектування вбудованих комп’ютерних систем, дуже-масштабних інтегральних схем, проектування системної інтеграції, пакетування системи та MCM тощо. Він забезпечує стандартизовані функції логічної схеми з відносно повними можливостями системи в одному пакеті. Цей метод спрощує структуру пристрою для різних функціональних середовищ, підвищує надійність пристрою, зменшує розмір і вартість, а також зберігає простоту використання та гнучкість, забезпечуючи кращу продуктивність, ніж окремі пристрої.

Технологію SiP вперше запропонував професор Рао Туммала з Технологічного інституту Джорджії, збираючи різні мікросхеми та пристрої планарно в одній пакетній системі. Це значно покращує щільність упаковки та ефективність. Базуючись на цьому методі упаковки, такі похідні, як Integrated Fan{2}}Out (InFO), Embedded Multi-die Interconnect Bridge (EMB) і Chip on Wafer on... Існують різні планарні системи-in-пакети (SoC), зокрема Substrate та CoWoS.

З мініатюризацією інтегральних схем і розвитком технології упаковки SoC поступово розвивається в бік 2,5D і навіть 3D для досягнення невеликих розмірів і високої продуктивності. У міру розвитку структур упаковки розміри паяних з’єднань також зменшуються, що постійно стимулює інновації в технології з’єднання.

SoC означає System-on-a-Chip. SoC розглядає систему як єдине ціле, імітуючи логіку проектування комп’ютерних систем, мініатюризуючи кілька функціональних модулів у мікросистему та об’єднуючи їх в єдиний пакет. Він складається з набору підсистем. Подібно до центрального процесора комп’ютера, SoC містить кілька невеликих модулів. Апаратні компоненти SoC в основному включають: ядро, пам’ять, периферійні інтерфейси (високо-і низько{8}}швидкісні периферійні пристрої), шину, модуль переривань і модуль синхронізації. На малюнку 2 показано розподіл логічної схеми в звичайній інтегрованій системі SoC. Можна побачити, що центральний процесор, відповідальний за обчислення, займає менше 1/4 загальної кількості, тоді як багатший набір функціональних модулів інтегровано в чіп для досягнення певних логічних функцій. Порівняно з багато-інтеграцією чіпів технологія інтеграції чіпів пропонує вищі рівні інтеграції для всієї системи, краще задовольняючи вимоги щодо мініатюризації та легкого дизайну. Крім того, вищий рівень інтеграції системних модулів призводить до зниження витрат на проектування. З поступовим застосуванням напівпровідників третього-покоління, таких як GaAs і GaN, робоча температура пристроїв, щільність потужності та низькі{19}}потужності покращилися різною мірою.

Чіплет можна вважати підмножиною гетерогенної інтеграції (H). Гетерогенна інтеграція об’єднує різні типи напівпровідників в один блок за допомогою спеціальних процесів, досягаючи балансу між-рентабельністю та малим розміром. Інтеграція кількох матеріалів забезпечує більшу гнучкість конструкції та кращу продуктивність системи. Пакування чіплетів, засноване на гетерогенних процесах інтеграції, забезпечує збільшення масштабу інтеграції, покращення продуктивності та зниження енергоспоживання при мініатюризації пристроїв. Технологія Chiplet вирішує проблему того, що площа одного чіпа не може бути збільшена нескінченно, що обмежує подальшу системну інтеграцію. Він розбиває один чіп на кілька чіпів, виготовляє їх окремо та упаковує в один блок. Взаємозв’язок між чіпами вимагає надійних шляхів передачі даних, а саме над-високої частоти, над-високої пропускної здатності та ультра-низької затримки, як прикладом є CoWoS від TSMC... Удосконалені технології упаковки, наприклад для чіплетів, вирішили цю проблему. На рисунку 3 показана типова велика структура мікросхеми, що складається з мікросхем. Кожен окремий модуль може реалізувати свою проектну функцію з високим відривом між модулями та мінімальним взаємним впливом. Інтеграція чіплетів забезпечує вищу щільність інтеграції, ніж SoC (System-on-a-Chip) і нижчу складність процесу, ніж монолітна гетерогенна інтеграція, а також забезпечує відмінну масштабованість системи, гнучкість процесу та ефективність інтеграції.

Таким чином, у розробці мікросистемних інтегрованих пристроїв загальна тенденція до високої продуктивності, мініатюризації та низької вартості спонукала до паралельного розвитку різних інтеграційних технологій. Інтеграція пристроїв має значний простір для оптимізації. Для досягнення цілей покращення продуктивності пристрою мікросистеми, зменшення розміру пристрою та економії витрат необхідна комбінація технологій. Використання переваг різних методів пакування для оптимізації продуктивності процесу пакування є можливим і ефективним підходом.

3. Дослідження надійності

Для мікросистем бездротового зв'язку середовище обслуговування є досить екстремальним. Схеми, які реалізують передачу, прийом і обробку сигналу, стикаються з високою щільністю струму та частотою, а підвищення температури, викликане втратами лінії пристрою, також є значним. Таким чином, високоінтегровані пристрої протягом терміну служби стикаються з високими-температурами, високими{3}}частотами та -температурами-діапазону, що вимагає перевірки надійності внутрішніх паяних з’єднань і схем.

Завдяки безперервній мініатюризації та полегшенню електронних виробів технологія з’єднання металевих паяних з’єднань у мікросхемах інтегральних схем широко використовується. Металеві паяні з’єднання є необхідним методом для досягнення високої-продуктивності та високої{2}}передачі даних-швидкості електричного сигналу. Загальні конструкції паяних з’єднань поділяються на паяні з’єднання та паяні з’єднання з мідними стовпами, як показано на малюнку. Як показано на малюнку 4.

У 1969 році IBM вперше представила паяні з’єднання з мідними кульками для з’єднання, вставивши їх у кожну клему, щоб запобігти виходу з ладу паяних кульок під час експлуатації. У 1970 році IBM розвинула добре-відому технологію контрольованого згортання оплавлення мікросхем (C4). C4 – це форма кулькової решітки (BGA) з тонким- кроком, а також тип паяного з’єднання. Завдяки чудовим електротермічним властивостям мідь є ідеальним матеріалом для з’єднувальних структур із фліп-чіпами, замінюючи SnPb або безсвинцевий-припій. Паяні з’єднання мідних стовпів, які існують у циліндричній формі, можуть зменшити площу з’єднання окремого паяного з’єднання на мікросхемі порівняно з паяними кульками, таким чином досягаючи структури з’єднання більшої щільності. Завдяки постійному розвитку це зрештою призвело до появи паяних з’єднань мідних стовпів, які зазвичай можна побачити сьогодні.

У 2001 році IBM запропонувала структуру паяного з’єднання фліп-чипа з двошаровою структурою. Температура плавлення нижнього металевого шару принаймні на 20 градусів вища, ніж у верхнього шару; тому нижній шар припою не розплавиться в процесі пайки. У 2007 році Intel запропонувала обгорнути зовнішню поверхню мідної опори дифузійним бар’єрним шаром і зовнішнім зволожуючим шаром, щоб підвищити загальну надійність паяного з’єднання, а також використовувати припій на основі олова- поверх зволожувального шару для з’єднання. Паяні з’єднання відіграють вирішальну роль в електронних пристроях, забезпечуючи механічну підтримку та електричне з’єднання; тому їхня надійність, безсумнівно, є ключовою проблемою для електронних продуктів. З попитом на менші розміри та більшу щільність вводу/виводу відстань і розмір паяних з’єднань в електронних виробах постійно зменшуються, а також вносять вищі напруги в паяні з’єднання та корпуси [2-]. Лі та ін. досліджували термомеханічну надійність фліп-чіпів (FC) з паяними з’єднаннями на мідних стовпчиках. Тріщини в паяних з’єднаннях Sn-Ag спричинені пластичним руйнуванням, яке спочатку спричинене втомою, а потім поширюється через мікропори, викликане повзучістю. Руйнування на межі розділу IMC в основному відбувається як крихке руйнування уздовж межі розділу фаз CuSns і CuSn. На малюнку 7 показано поперечний переріз процесу від виникнення тріщини до повного руйнування у вузлі мідної опори, отриманий скануючим електронним мікроскопом (SEM). Розташування тріщини в основному виникає на межі між IMC і припоєм з одного боку мідної опори або всередині припою поблизу інтерфейсу.

Зі збільшенням щільності інтеграції розмір паяних з’єднань мідних стовпів зменшується, а внутрішня щільність струму та джоулева теплота збільшуються. Під дією потоку електронів високої-щільності велика кількість атомів металу зазнає спрямованої міграції в припої, що призводить до ряду проблем із надійністю (8-9). Акіба та ін. досліджував механізм електроміграції (ЕМ) на мідних опорах міжсистемних з’єднань у фліп-пакеті чіпів і виявив, що мідні опори без нікелевого бар’єрного шару мають приблизно вдвічі більший термін служби проти ЕМ порівняно з тими з нікелевим бар’єрним шаром.

Технологія з’єднання мідних стовпів є ключовою технологією в системі 3D-in-package (SiP). Ця структура має чудові електричні та механічні властивості, а також такі переваги, як висока щільність інтеграції та хороша стабільність. Він може досягти високо-точного з’єднання та має великі перспективи застосування у з’єднанні 3D-упаковок із високою-щільністю. Припій, який використовується в цій структурі, має низьку температуру з’єднання, що забезпечує низьку-температуру з’єднання та зменшує ризик пошкодження схеми мікросхеми, що призводить до його широкого використання для з’єднання-на рівні пластини.

4. Термічний менеджмент упаковки

У попередньому тексті вже пояснювалося мікросистемні пристрої... Пристрої під час роботи стикаються з високими-температурами середовища, утворюючи значне внутрішнє тепло. Ефективна система розсіювання тепла може зменшити загальну температуру пристрою, забезпечуючи надійність паяних з’єднань та інших конструкцій і мінімізуючи вплив температурного-зниження продуктивності. Пристрій тепловіддачі поділяється на активне і пасивне охолодження. Активне охолодження стосується застосування полів зовнішнього потоку, наприклад потоку повітря або води, до пристрою для конвективної теплопередачі, що забезпечує швидке теплопровідність. Розрізняють три типи теплопередачі: передачу, конвекцію і випромінювання. Враховуючи обмежену внутрішню структуру упаковки, гнучкість регулювання конвективної та радіаційної теплопередачі обмежена. Тому оптимізація розсіювання тепла повинна бути зосереджена на покращенні теплопровідності та скороченні шляхів теплопередачі. Наприклад, радіатори (див. Малюнок 8) зазвичай використовуються для збільшення площі конвективного розділу та контакту з полем потоку для підвищення загальної ефективності теплопередачі. Однак через великий об’єм ця структура підходить лише для розсіювання тепла у зовнішньому корпусі та не може безпосередньо контактувати з чіпом для теплопровідності. Згідно з формулою конвекційного теплообміну, збільшення площі теплообміну може покращити загальний теплообмін.

Оскільки модуль мікросхеми інкапсульовано всередині корпусу, регулювання поля потоку всередині корпусу є складним і складним, а також збільшує загальний об’єм пристрою та зменшує щільність потужності. Тому пасивне розсіювання тепла, тобто ефективна теплопровідність, використовується для розсіювання тепла всередині пристрою, тоді як застосування формули поля потоку теплопередачі до зовнішньої частини корпусу забезпечує ефективне розсіювання тепла. За умови, що спосіб теплопередачі та площа розділу не можуть бути змінені, засобами для підвищення ефективності теплопередачі всередині пристрою є використання матеріалів з максимально можливою теплопровідністю, забезпечення контакту з джерелом тепла та мінімізація шляху теплопровідності для передачі тепла... Ця теплопередача назовні відповідає вимогам мініатюризації пристроїв. Використання нано-срібного припою для з’єднання мікросхем зменшує розмір пристрою та відстань теплопередачі між мікросхемою та зовнішніми теплообмінниками. Водночас висока теплопровідність срібла забезпечує швидку теплопередачу.

Для силових напівпровідникових пристроїв матеріал з’єднання всередині корпусу стає вузьким місцем, що обмежує температуру переходу. У традиційній електронній упаковці використовуються низькотемпературні-припої на основі олова-з температурами плавлення, як правило, нижче 300 градусів. Для напівпровідникових модулів, упакованих за допомогою цього процесу, зазвичай потрібна температура з’єднання нижче 150 градусів. При надмірно високих температурах продуктивність паяного з’єднання швидко погіршується, що впливає на надійність пристрою. Однак робочі характеристики силових пристроїв диктують, що вони повинні працювати при високих температурах, які зазвичай перевищують [певний температурний діапазон]. Температура може досягати 150 градусів, а в деяких випадках навіть перевищувати 200 градусів. Тому високотемпературні припої-потрібні, щоб відповідати умовам експлуатації силових пристроїв, таких як Au80Sn20. У той час як Au80Sn20 пропонує такі переваги, як висока теплопровідність, висока швидкість повзучості та стійкість до хімічної корозії, золото та олово утворять велику кількість крихких інтерметалічних сполук під час з’єднання та експлуатації, що призведе до крихкого руйнування металургійного з’єднання. Крім того, традиційні припої для зварювальних пристроїв мають низьку теплопровідність. Така низька теплопровідність ускладнює передачу тепла від пристрою до модуля розсіювання тепла, що призводить до високої різниці температур на з’єднувальному шарі та знижує ефективність модуля розсіювання тепла.

Паста з наночастинок відноситься до матеріалів, виготовлених шляхом підготовки металевих матеріалів до нанорозмірних порошків. Використовуючи високу поверхневу енергію наноматеріалів, з’єднання можна досягти за низьких температур. Сам з’єднувальний матеріал може бути спечений у пористий сипучий матеріал при температурі нижче 300 градусів, здатний працювати з електричними з’єднаннями та теплопередачею. Точка плавлення шару пасти з спечених наночастинок може бути близькою до точки плавлення основного металу (наприклад, температура плавлення срібла становить 961 градус), що повністю відповідає вимогам експлуатації енергетичних пристроїв. Крім того, теплопровідність найпоширенішого спеченого шару нано-срібної пасти може досягати понад 150 Вт/(мК), що більш ніж утричі перевищує показник традиційного олов’яно-свинцевого припою.

У 1989 році Шварцхауер і Кунерт вперше досягли з’єднання-підкладки мікросхеми за допомогою низько-спеченої срібної пасти. Це ознаменувало перше застосування технології спікання порошку в електронному пакуванні силових пристроїв і стало прототипом нано-пасти. У цьому методі використовували лусочки срібла мікронного-розміру, які мали низьку спікальну активність і потребували дуже високого тиску та температури спікання для ущільнення паяних з’єднань, що значно обмежувало його використання.

У 2005 році Іде... [імена авторів] вперше запропонував використовувати наночастинки срібла як з’єднувальні матеріали!2 Металеве срібло має температуру плавлення до 961 градуса, що може відповідати суворим високим-температурним умовам експлуатації високо-потужних пристроїв або вимогам експлуатації в деяких екстремальних умовах (таких як підземна розвідка, внутрішні компоненти автомобільних двигунів тощо). У нанорозмірі частинки срібла можна спекати за низьких температур до 200 градусів. Срібні матеріали хімічно стійкі. Завдяки високій питомій поверхневій енергії наночастинок звичайні металеві наночастинки легко окислюються на повітрі і важко зберігатися протягом тривалого часу, тоді як наночастинки срібла можуть залишатися стабільними на повітрі протягом тривалого часу, що робить їх легкими для зберігання та транспортування. Пасти з наночастинок срібла також мають деякі недоліки, як-от схильність до електроміграції під час високо-температурної електричної роботи та реакції електрохімічної міграції під час використання у вологому середовищі.

З точки зору архітектури мікросистеми, систему розсіювання тепла слід розділити на два основні модулі: цикл охолодження на-чіпі та цикл охолодження системи.³¹Щоб відповідати вимогам до розсіювання тепла для високо-модулів потужності, пристрій має бути розроблено як з точки зору матеріалу, так і з точки зору конструкції. Теплопровідність матеріалу повинна бути достатньо високою, а межа розділу повинна бути щільно з’єднана. Загальна конструктивна конструкція повинна забезпечувати достатню площу конвективного теплообміну, а джерело тепла та межа теплопередачі розташовані якомога ближче. Вибір теплопровідних матеріалів – важливий крок у забезпеченні надійної роботи пристроїв мікросистеми. У порівнянні з теплопровідними адгезивами, які зазвичай використовуються, нано-срібна паяльна паста має не лише високу теплопровідність понад 100 Вт/(мК), але й забезпечує хорошу механічну підтримку та електропровідність, уможливлюючи взаємозв’язок електричних сигналів. Фактичні вимірювання показують, що нано-срібна паяльна паста може гарантувати надійну роботу за циклічних температурних навантажень у діапазоні -40~150 градусів із середньою міцністю на зсув понад 27 МПа.²Лю Цзясінь та ін.²використав метод спікання без тиску з нано-сріблом для упаковки високо-потужних світлодіодних-чіпів (LED), успішно знизивши температуру з’єднання на 21,2%. Це демонструє, що нано-срібна припойна паста, як шар теплоносія для упаковки, має високу теплопровідність і є ідеальним матеріалом для розсіювання тепла в мікросистемних пристроях.

Процес підключення пристроїв IGBT (біполярний транзистор з ізольованим затвором) до підкладки Mo за допомогою нано-срібної паяльної пасти забезпечує міцний зв’язок між мікросхемою та молібденовою підкладкою. Це ефективно зменшує міжфазний термічний опір і контактний опір, досягаючи ефективного розсіювання тепла як від джерела тепла, так і від точки теплопровідності. Hu Yongfang та ін. [28] провели дослідження теплового моделювання тривимірної структури упаковки MCM (багато-модуля мікросхем), успішно зменшивши загальне підвищення температури компонента з 35 градусів до однозначних цифр за допомогою нано-срібної паяльної пасти замість традиційного скріплення дротом.

Введення нано-срібного припою збільшує площу міжфазного контакту та покращує теплопровідність. Крім того, завдяки зменшеному об’єму пристрою шлях теплопередачі ще більше скорочується. Таким чином, використання нано-срібного припою для оптимізації розсіювання тепла в радіочастотних мікросистемних пристроях є надійним і ефективним.

5. Висновок

Інтеграція компонентів у мікросистему висуває високі вимоги до загального розміру системи, надійності процесу, теплових характеристик, продуктивності передачі електроенергії, щільності інтеграції, вартості та гнучкості. Таким чином, передова технологія пакування має вирішальне значення для досягнення надійної інтеграції мікросистем. Розвиток мікросистем бездротового зв'язку супроводжується паралельним розвитком багатьох інтеграційних технологій. За загальної тенденції високої продуктивності, мініатюризації та низької вартості поєднання різних методів упаковки пропонує значний потенціал для майбутнього розвитку мікросистем бездротового зв’язку, зменшення розміру пристрою та економії коштів. Майбутня розробка повинна зосередитися на більш різноманітних і зручних методах упаковки для досягнення багатофункціональної, високо-продуктивної та високонадійної моделі розробки мікросистем бездротового зв’язку. Тому зі збільшенням питомої потужності надійність експлуатації та тепловий дизайн структур мікро-паяних з’єднань відіграють життєво важливу роль у нормальній роботі мікросистем. Дослідження надійності паяних з’єднань між собою та пошук відповідних матеріалів для розсіювання тепла мають велике значення для розвитку мікросистем.