Технология разделения пластин на кристаллы. Одно и двухстадийный процесс
Технология производства интегральных микросхем на стадии подготовки кристаллов и плат к сборке в корпусах предусматривает разделение полупроводниковой пластины или диэлектрической подложки с функциональными элементами и компонентами на отдельные кристаллы.
Требования к операции разделения пластин на кристаллы формируются в соответствии с требованиями, предъявленными к кристаллу.
Основными из них являются :
• высокий процент выхода годных кристаллов;
• геометрическая точность кристаллов;
• сохранение целостности функциональных слоев на кристалле ;
• низкий уровень сколов по краям кристаллов
В технологии микроэлектроники применяют следующие способы разделения пластин на кристаллы:
• резка пластин диском с наружной режущей кромкой;
• резка пластин стальными полотнами и проволокой с применением абразива;
• разделение пластин скрайбированием алмазным резцом или лазерным лучом с последующей ломкой;
• ультразвуковая резка пластин; разделение пластин травлением.
Из перечисленных способов наибольшее распространение нашли:
• резка алмазным режущим диском,
• скрайбирование алмазным резцом и лазерное скрайбирование с последующей ломкой.
Механизм резки полупроводникового материала диском алмазным режущим (ДАР) следующий: каждое алмазное зерно представляет собой микрорезец, который снимает мельчайшие стружки с обрабатываемой поверхности полупроводникового материала. Резка производится на высоких скоростях (до 30 ООО об/мин), с одновременным участием большого количества алмазных зёрен, в результате чего достигается высокая производительность обработки. При резке выделяется большое количество тепла, поэтому ДАР необходимо охлаждать водой или специальной охлаждающей жидкостью.
Основным недостатком резки диском с наружной режущей кромкой является невысокая жесткость инструмента (ДАР), зависящая в основном от соотношения его размеров (толщины и внешнего диаметра). Один из путей повышения жесткости инструмента (ДАР) - увеличение скорости его вращения. Возникающие при этом центробежные силы действуют по радиусу ДАР, стремясь разрушить диск, при этом при большом числе оборотов (свыше 10000 об/мин) возникают вибрации станка и режущего инструмента.
Современный ДАР имеет алюминиевый кор-пус, на котором электрохимическим методом осажден никель (в качестве связующего материала) с различными абразивными включениями (для разделения пластин используют мелкие зёрна алмаза размером 3-5 мкм). Для вскрытия режущей кромки с части корпуса никель удаляется химическим травлением.
Полупроводниковая пластина, наклеенная на адгезионный носитель - ленту для сохранения ориентации разделённых кристаллов, закрепляется в кассете, обеспечивающей натяжение ленты. Такие кассеты выпускаются двух типов в различном конструкторском исполнении: кольцеобразные и прямоугольные.
Скрайбирование является одним из методов разделения пластин на кристаллы, заключающееся в том, что на поверхность полупроводниковой пластины резцом, лазерным лучом или другими способами наносят неглубокую риску (англ. scribe), вокруг которой концентрируются остаточные напряжения, ослабляющие прочность материала. Основным достоинством метода скрайбирования наряду с высокой производительностью и культурой производства является малая ширина прорези, а, следовательно, и отсутствие существенных потерь полупроводникового материала, которых невозможно избежать при использовании других методов разделения пластины на кристаллы. Наиболее широко скрайбирование используют в планарной техн-логии изготовления ИМС, когда на пластине уже сформированы полупроводниковые структуры.
Разделение осуществляется в две стадии:
• Вначале пластины скрайбируют, для чего риски наносят между готовыми структурами по свободному полю в двух взаимно перпендикулярных направлениях
• Затем разламывают по рискам на прямоугольные или квадратные кристаллы
• Операция разламывания производится на специальном технологическом оборудовании.
Средняя стойкость резца (одного режущего ребра) при скрайбировании кремния составляет 25 - 40 пластин диаметром 100 мм
Широкое применение нашло также лазерное скрайбирование полупроводниковых пластин, при котором надрез (риска) образуется не механическим, а электрофизическим способом - испарением узкой полосы полупроводникового материала с поверхности пластины с помощью сфокусированного лазерного пучка, имеющего большую мощность излучения.
Принципы разделения пластин на кристаллы с помощью лазерного луча основаны на локальном взаимодействии луча лазера с материалом полупроводниковой пластины, расплавлении и испарении его на линии разделения.
Преимуществами процесса являются:
• универсальность,
• высокая производительность (скорость скрайбирования может быть увеличена в несколько раз (до 100 - 200 мм/с) благодаря тому, что луч лазера всегда контактирует с поверхностью пластины),
• малая ширина реза,
• отсутствие механических повреждений (на рабочей поверхности пластины не происходит образования микротрещин и сколов вследствие отсутствия выкрашивания кремния в зоне взаимодействия лазерного луча с полупроводниковым материалом,
• возможно скрайбирование пластин с любыми, в том числе с диэлектрическими покрытиями,
• возможно сквозное разделение пластины без последующего разламывания их на кристаллы.
• Современные установки лазерного скрайбирования позволяют получать риски шириной около 30 мкм и глубиной не менее 50 мкм при скорости скрайбирования свыше 50 - 100 мм/с. Зона термического воздействия лазерного излучения составляет при этом не более 50-75 мкм, включая ширину риски. Скрайбирование на большую глубину, в том числе сквозное разделение (на глубину до 200 мкм), выполняют с меньшей скоростью (5-10 мм/с).
К недостаткам лазерного скрайбирования следует отнести:
• большую сложность и стоимость оборудования.
• необходимость специальных мер защиты рабочей поверхности от продуктов лазерной обработки, образующихся в процессе испарения материала под воздействием лазерного излучения.
Наиболее распространенными являются методы разламывания скрайбированных пластин сферой, полуцилиндром и валиком.
Более универсальным является метод разламывания валиком (рис.б). Пластину помещают скрайбированной поверхностью на упругую опору и прокатывают последовательно в двух взаимно перпендикулярных направлениях твердым валиком диаметром 10-30 мм.
57. Технология монтажа кристаллов в корпус. Эвтектическая пайка, пайка низкотемпературными припоями, приклеивание.
Одним из наиболее распространенных способов электрического соединения между контактными площадками кристалла и выводами корпуса, применяемых в настоящее время, является соединение с помощью проволочных выводов. Проволочный монтаж остается одним из основных методов сборки ИМС, что объясняется высокой автоматизацией процесса, универсальностью по отношению к различным технологическим вариантам производства и геометрическими размерами ИМС. Прогресс в развитии методов формирования межсоединений в изделиях интегральной электроники позволил существенно снизить трудоемкость этих операций и добиться заметных успехов на пути к их полной автоматизации. Однако трудоемкость операций формирования межсоединений остается определяющей в процессе производства изделий микроэлектроники и для разных типов приборов составляет от 30 до 60 % всей трудоемкости сборки. На долю разрушения межсоединений приходится значительный процент отказов микросхем в процессе эксплуатации.
В настоящее время применяются следующие технологические процессы формирования межсоединений:
• соединение проволокой;
• ленточными носителями ;
• сборка методом перевернутого кристалла.
Приклеиванием- наиболее простой способ, не требующий применения сложного специализированного оборудования. При этом к клеевому составу предъявляются следующие требования:
• высокая адгезия к материалу корпуса;
• максимально близкое согласование в значениях коэффициента температурного расширения клея и материала корпуса;
• невысокая вязкость, обеспечивающая получение клеевого шва толщиной 0,1-0,2 мм;
• умеренная температура отверждения (не выше 70-80°С).
Наиболее полно удовлетворяют таким требованиям эпоксидные клеи и компаунды с минеральным наполнителем.
Эвтектическая пайка -монтаж с использованием эвтектических сплавов. В отличие от контактно-реактивной пайки эвтектический сплав образуется не в результате контактного плавления соединяемых материалов, а вводится в качестве припоя между соединяемыми поверхностями кристалла и корпуса.
Пайкой эвтектическими сплавами присоединяют полупроводниковые кристаллы к корпусам. Золочение контактирующих поверхностей каких-либо ощутимых результатов не дает. В качестве эвтектических используют сплавы золото - германий или золото – кремний. Подготовленные к пайке детали нагревают в нейтральной атмосфере (осушенном и очищенном азоте) до температуры, несколько превышающей температуру плавления эвтектического сплава. Эвтектические сплавы золото - германий и золото - кремний содержат (по массе): первый 12% германия и 88% золота, а второй - 6% кремния и 94% золота. Температура плавления эвтектик золото - германий и золото - кремний, соответственно равная 356 и 370 °С, ниже температуры плавления каждого из этих материалов. Эвтектические сплавы являются смесью, а не химическим соединением.
Использование для пайки эвтектического сплава золото - кремний дает хорошие результаты, но сложность приготовления ограничивает его применение. Кроме того, при изготовлении происходит расслоение сплава золото - кремний. Поэтому чаще применяют эвтектический сплав золото – германий.
Пайка низкотемпературными припоями – не повезло, правда?=))