Технология изготовления полиимидных коммуникационных структур для сборки высокоинтегрированных изделий микроэлектроники

В настоящее время требования к обеспечению быстродействия и миниатюризации становятся все более определяющими при создании и производстве современной электронной аппаратуры.

Перспективным направлением развития является создание аппаратуры на основе бескорпусных компонентов, особенно ввиде многокристальных модулей (МКМ), которые характеризуются высокой плотностью монтажа компонентов, оптимизацией топологии межсоединений и повышением быстродействия.

В этой связи усилия многих разработчиков микроэлектронной аппаратуры направлены на разработку многослойных коммутационных структур с высокой плотностью межсоединений при надежном контактировании проводников, а также способов присоединения бескорпусных компонентов, и, прежде всего, многовыводных кристаллов БИС, к монтажным контактам многослойной коммутационной структуры в составе МКМ.

Одно из наиболее сложных технологических проблем при получении высокой плотности межсоединений в многослойных подложках МКМ является формирование большого числа (несколько тысяч) идентичных по своим характеристикам и надежных контактных узлов, соединяющих проводники из разных коммутационных слоев в единую топологию многослойной структуры.

Другой, не менее трудной проблемой, является надежное и воспроизводимое присоединение контактных площадок кристаллов БИС к ответным контактным площадкам многослойной МКМ-структуры.

Актуальность темы

.

Сборка современных кристаллов ИС в составе однокристальных и многокристальных узлов микроэлектронной аппаратуры становится все более острой проблемой, поскольку возросла плотность монтажа кристаллов ИС на плате, количество выводных контактов кристаллов достигло 400 и более, при этом кристаллы характеризуются тактовыми частотами более 1 ГГц и рассеиваемой мощностью до 30−50 Вт.

В настоящее время можно выделить три основные технологии монтажа кристалла на коммутационную плату, такие как групповая пайка методом перевернутого кристалла, проволочный микромонтаж и монтаж на гибком носителе. Каждая из этих технологий монтажа обладает своими преимуществами и недостатками. Складывающаяся тенденция увеличения геометрических размеров кристаллов ведет к уменьшению надежности соединительных элементов после установки на плату ввиду неравномерности распределения нагрузки на соединительные элементы по площади кристалла. Один из путей решения этих проблем — это применение коммутационных структур на основе полимерных материалов, с целью использования их демпфирующих свойств.

Большие усилия прилагаются для улучшения разрешающей способности и снижения себестоимости коммутационных структур, используемых при монтаже кристаллов на гибком носителе в однокристальные модули, а также многослойных коммутационных структур для сборки многокристальных модулей.

При этом все более широко используются прецизионные коммутационные структуры на основе полимерных пленок и, в частности, на основе полиимидных пленок.

Обладая уникальными электрофизическими и механическими характеристиками, в то же время, полиимидные пленки характеризуются низкими значениями поверхностной энергии, адгезионной инертностью с напыленными слоями металлов, что создает определенные сложности при их использовании и требует специальных методов обработки, обеспечивающих формирование идентичных сквозных металлизированных отверстий с высокой плотностью размещения и токоведущих дорожек.

Получение коммутационных структур для монтажа кристаллов с большим количеством выводов, расположенных матрично по площади кристалла, отвечающим требованиям высокоплотного прецизионного монтажа, представляется весьма актуальным. Таким образом, возникает необходимость в разработке технологии изготовления коммутационных структур с высокой плотностью размещения сквозных металлизированных отверстий на основе полиимидных пленок для сборки высокоинтегрированных изделий микроэлектроники, оптимизации технологических процессов и обеспечение термомеханической прочности контактных узлов. Цель работы.

Целью работы является разработка технологии изготовления коммутационных структур с высокой плотностью размещения сквозных металлизированных отверстий на основе полиимидных пленок для сборки многовыводных кристаллов. Для достижения поставленной цели в данной работе были сформулированы следующие задачи:

1. Разработка технологического процесса двухстороннего магнетронного нанесения медных пленок для формирования прецизионных отверстий и медных токоведущих дорожек на поверхности полиимидных подложек;

2. Разработка плазмохимических процессов активации поверхности полиимидной пленки для достижения необходимой величины адгезии медного слоя к поверхности полиимида;

3. Исследование термомеханической прочности контактных узлов с соединительными элементами, сформированными на основе явления капиллярного эффекта, в составе сборок типа «кристалл-полиимид».

Научная новизна.

— Показано, что последовательная плазмохимическая обработка полиимидных пленок в среде воздуха, а затем аргона и непосредственное двухэтапное магнетронное распыление меди способствует образованию переходного слоя и обеспечивает величину адгезии до 30 МПа;

— Выявлена зависимость величины адгезии медного слоя к полиимидной пленке от свободной поверхностной энергии полиимидной пленки при последовательной плазмохимической обработке;

— На основе проведенного термомеханического моделирования выявлено, что самым напряженным элементом контактного соединения является припой, а прочность соединения обуславливается величиной адгезии медной пленки к полиимиду и заполнением сквозного металлизированного отверстия припоем не менее чем на 2/3 объема капилляра.

Практическая ценность.

1. Реализован на практике процесс изготовления прецизионных переходных отверстий через медную маску без адгезионного подслоя на полиимидном носителе с высокой плотностью размещения;

2. Отработаны процессы плазмохимической активации поверхности полиимида и методика двухэтапного нанесения меди методом магнетронного распыления. Отработанный и воспроизводимый технологический маршрут позволяет получать металлизированные переходные отверстия диаметром 20±5 мкм на полиимидной пленке толщиной 50мкм и увеличить плотность размещения до 400 контактов на площади 10×10 мм;

3. Даны рекомендации по режимам вакуумной пайки с учетом оптимального затекания припоя в капиллярное отверстие, основанные на результатах термомеханического моделирования;

4. Разработанный технологический маршрут был использован при изготовлении полиимидных носителей на производственной базе ОАО «Завод Компонент».

Положения и результаты, выносимые на защиту: Разработанный технологический процесс двухстороннего магнетронного напыления медных пленок без адгезионного подслоя для формирования прецизионных отверстий и медных токоведущих дорожек на поверхности полиимидной пленки при изготовлении полиимидного носителя;

Корреляционная зависимость свободной поверхностной энергии полиимидной пленки и величины адгезии напыленной медной пленки;

Достаточность использования последовательной плазмохимической обработки в среде воздуха и, затем, аргона для достижения необходимой величины адгезии слоя меди;

Результаты расчета и моделирование термомеханической надежности конструкции сборки «полиимидный носитель — кремниевый кристалл» с использованием критериев надежности Коффина-Мэнсона;

Выводы:

1. Методика эксперимента отличается от расчетов. р Р I f.

Экспериментальное разрушение Расчетное разрушение 2. Прочность одного паяного соединения в среднем составляет 2,6−10″ 2Н (~2.6г.).

4.4 Исследование прочности паяных соединений (исследования на срез).

Паяные соединения испытывались на срез (ГОСТ 14 759−69, ASTM D1002−72). Определялись усилия разрушения Р, площадь разрушения S с помощью микроскопа и рассчитывались разрушающие напряжения при срезе по формуле: тср = P/S.

Проведена статистическая обработка результатов испытаний с целью определения среднего значения прочности и оценки точности его вычисления.

При обработке всех результатов исследований принимали доверительную вероятность, а =0,95.

Доверительный интервал определяли по формуле: Ах =an-t/4п, где anстандарт измерений (среднеквадратичная ошибка) — t — коэффициент Стьюдентап — объем выборки.

Разультаты исследований паяный соединений на срез. Таблица 4.3.

Вывод: среднее усилие разрушающей силы при срезе одного о паяного контактного соединения в среднем составляет 44−10″ Н.

4.5 Контроль качества паяных соединений неразрушающим методом.

Физической основой метода контроля качества различных пленочных и контактных систем по уровню 1/f шума является экспериментально установленная зависимость СПМ шума от микроструктурных особенностей пленок, различных типов дефектов и внутренних механических напряжений.

Кроме того, выявленная экспериментально и теоретически обоснованная взаимосвязь между СПМ (спектральная плотность мощности) фликер шума и кубической нелинейностью ВАХ (вольтамперные характеристики) металлических пленок и других пленочных структур со слабой нелинейностью ВАХ, позволяет также использовать в качестве информативного параметра амплитуду 3-й гармоники. Целесообразность применения метода контроля по шуму или нелинейным эффектам на практике должна решаться индивидуально для каждого конкретного объекта.

Следует также отметить, что метод 3-й гармоники может применяться для оценки физического состояния различных объектов нелинейных по своей природе, например, слоев поликристаллического кремния. В этом случае по величине коэффициента нелинейности ВАХ и вольт-фарадных характеристик удается оценить средний размер зерна в слое поликремния и прогнозировать величину удельного сопротивления слоя после легирования примеси, что важно знать при создании коммутационной разводки БИС и резисторов на основе поликремния. 4.5.1 Неразрушающнй метод тестирования контактных узлов и межсоединений, основанный на измерении нелинейности и неравновесности фликер (1/f) шумов.

Этот метод разработан для контроля нелинейности ВАХ и неравновесности фликер шумов в пассивных компонентах интегральных схем, таких как, соединительные паяемые узлы, межсоединения и резисторы.

Необходимость в увеличении надежности контактных паяемых узлов и межсоединений в микросборках, таких как флип-чип, является одной из самой большой проблемой в корпусировании. Этот метод используется для оценки качества технологического процесса изготовления микроэлектронных изделий и измерения различных электрических параметров тестовых структур. Чаще электрическое сопротивление R тестовых структур используется в качестве электрического параметра для оценки качества узлов микросборки. Но величина сопротивления — это не информативный параметр для описания различных дефектов и нарушений в узлах и межсоединениях. Кроме того, измерение всего лишь одной величины флуктуации сопротивления R (t) в течение определенного времени t не может определять параметр деградации структуры и стабильность характеристик во времени. Электромиграция, химическая и электролитическая коррозия и различные химические реакции являются наглядными примерами.

Отношение между уровнем вреда электромиграции в тонких металлических пленках и уровнем фликер шумов было исследовано [83]. В такого рода экспериментах, уровень фликер шумов измерялся при высоком постоянном токе и высокой температуре, в результате показатель формы спектра (1/f) шумов составил у ~ 2. Измерения при постоянном токе обычно обнаруживают более высокую спектральную плотность мощности (СПМ) для (1/f) шумов в сравнении с уровнем шумов, возникающих только при низких частотах (от нескольких мГц до 1Гц). Измерения проводят на тестовых образцах, имеющих сопротивление от десятых долей до единиц Ома. Чтобы осуществить такие измерения требуется специальная аппаратура, которая до настоящего времени не выпускается отечественной промышленностью. Это препятствует применению неразрушающего метода тестирования электромиграционных шумов в промышленности. В связи с этим было разработано измерительное устройство, которое по основным техническим характеристикам (чувствительность, помехозащищенность и др.) не уступает известным зарубежным измерителям подобного типа.

Принцип действия устройства основан на модуляции (с последующей демодуляцией) 1/f шумом исследуемой тестовой структуры прямоугольных импульсов тока с постоянной амплитудой Up [79]. Из-за нелинейной ВАХ характеристики компонента Ucn колеблется во времени. При наличии дефектов или нарушений в структуре контактного узла или межсоединения, то возрастает компонента ответного сигнала UCN по сравнению с идеальным вариантом тестовой структуры. Если в структуре происходят процессы деградации, то флуктуации компонента UCn возрастает. Импульсы Up и нелинейность создают ответный сигнал с компонентой UCN, флуктуации которого ассоциируются с неравномерной флуктуацией проводимости образца. На Рис. 4.18 показана диаграмма тестовых токовых импульсов.

Iv (t) 1U IU.

1 1 k г > г t.

0 л Tv2 k.

Рис. 4.18 Диаграмма тестовых импульсов.

Блок схема экспериментальной установки измерения компонентов постоянного тока и ответный сигнал с тестовой структуры R показана на Рис. 4.19. Электрическая схема — это простая система, которая позволяет измерять компонент UCN и его флуктуации. Электрический ток поступает с генератора, проходит через шунтирующую емкость С к исследуемой тестовой структуре. Выходное напряжение и его флуктуации проходят через фильтр низких частот и замеряются вольтметром и анализатором спектров.

Коэффициент заполнения рассчитывается по формуле:

Q = Tp/tv1=(Tv1+ Tv2)/ Tv1>> 2, (1.1) где Тр — период, xvl — длительность текущего импульса.

Условие немедленной аппроксимации предлагает, что постоянное напряжение UCN (Ic, t) не зависит от периода Тр токовых импульсов.

Рис. 4.19. Схема измерительной установки.

Следующее соотношение представлено, чтобы обосновать метод измерения неравномерности фликер шумов, используя импульсную зависимость. Спектральная плотность мощности SN (I, f) обуславливается спектральной плотностью ЗсмС^флуктуаций компонентой UCN и представлена:

SN (I, f) «[Q3/ (Q — 2)(Q-1)]2 ScnCW) (1−2).

Таким образом, измерения PSD постоянного напряжения компоненты флуктуаций UCN ответного сигнала с тестовой структуры R позволяет получить информацию о качестве различных типов пассивных приборов и структур.

Определение импульсов нелинейности тестовой структуры R создает постоянное напряжение компоненты Ucn ответного сигнала. Различные виды разнородностей, локальных стрессов и термического несоответствия между несколькими компонентами приводит к увеличению Ucn и к модификации зависимости характеристик амплитуды и длительности токовых импульсов.

4.5.2 Результаты эксперимента.

Для измерений компоненты UCn были подготовлены образцы для проведения измерений, представляющие собой последовательности паяных соединительных элементов, выполненные на базе УКУ-узла. Результаты измерений электрического сопротивления R и компоненты постоянного напряжения Ucn для цепочки состоящей из 40 паяных узлов в составе микросборки «полиимидный носитель — кремниевый кристалл» представлены в табл.1. Очевидно, что среди исследуемых элементов встречаются элементы с высоким ([C1-D36]) и очень высоким ([AG3-AH36]) значением UCnНа рис. 3 показаны зависимости компоненты UCn ответного сигнала от длительности токовых тестовых импульсов xvl для элементов из табл. 1.

Из рис. 3 следует, что тестовые структуры с высоким и очень высоким уровнем компоненты UCn в высшей степени выявляют свойства приборов (линия 1, 2), для которых зависимость компоненты постоянного напряжения Ucn от длительности токовых тестовых импульсов отсутствует или очень слаба. Нелинейность ВАХ характеристик этих образцов может быть обусловлена, например, различными видами разнородностей, пустотами или локальными механическими стрессами, или барьерными механизмами проводимости через тонкие диэлектрические слои на границе контактов паяных узлов. Впоследствии такие виды скрытых дефектов будут способны инициировать трещины в припойных межсоединениях.

Заключение

.

В результате выполнения настоящей диссертационной работы были получены следующие основные результаты:

Разработан технологический процесс двухстороннего магнетронного напыления медных пленок без адгезионного подслоя для формирования прецизионных отверстий и медных токоведущих дорожек на поверхности полиимидной пленки;

Показана взаимосвязь величины адгезии металлического слоя к полиимидной пленке и величины заполнения металлизированного отверстия припоем с термомеханической надежностью универсального контактного узла и микросборки в целом;

Разработана методика двухэтапного процесса магнетронного напыления меди, позволяющая исключить адгезионный подслойИсследована зависимость величины адгезии напыленной медной пленки от свободной поверхностной энергии полиимидной пленкиПроанализирован эффект капиллярного поднятия расплавленного припоя в металлизированном сквозном отверстии с учетом зависимости изменения силы натяжения и угла смачиваемости от режимов вакуумной пайки;

Экспериментально подтверждена механическая прочность паяного (на разрыв и на срез) соединения «полиимидный носителькремниевый кристалл»;

Исследования неразрушающим методом тестирования контактных узлов и межсоединений, основанные на измерении нелинейности и неравновесности фликер шумов, подтвердили качество паяных узлов. Результаты работы реализованы в промышленном изготовлении полиимидных носителей на ОАО «Завод Компонент», которые могут использоваться для сборки и корпусирования кристаллов с большим количеством выводов (400 выводов и более), расположенных как по периметру, так и матрично по площади кристалла.