Los envases avanzados han seguido evolucionando con diversas tecnologías de interconexión en su camino hacia la integración heterogénea. Se utilizan diferentes procesos de ensamblaje para optimizar el rendimiento de los paquetes avanzados, mientras que el desarrollo de materiales innovadores de envasado avanzado es necesario para hacer frente a los numerosos retos que se plantean en el proceso de ensamblaje de los módulos miniaturizados y de sistema en paquete (SiP).
Retos de los materiales de envasado avanzados
Los troqueles de mayor tamaño con interconexiones densamente empaquetadas -y los correspondientes pasos más estrechos y protuberancias más pequeñas- plantean retos en el proceso de ensamblaje, como las juntas abiertas inducidas por el alabeo y los problemas de eliminación de residuos de fundente debido a los espacios estrechos, entre otros. Por ejemplo, el alabeo provocado por una matriz de silicio más grande y delgada y un sustrato fino, junto con un diseño de protuberancias asimétrico, suponen un reto habitual para conseguir un buen rendimiento en el empaquetado. Para superar estos problemas se utilizan los procesos de unión por termocompresión (TCB), unión asistida por láser (LAB) y reflujo con ácido fórmico sin fundente (Figura 1). Los procesos TCB y LAB suelen mantener la oblea o el sustrato sobre un pedestal caliente a 100-150°C durante un largo periodo de tiempo; si se utiliza fundente para el proceso de unión, esta condición puede suponer un reto de limpieza para los residuos de fundente endurecidos.
De ahí que se hayan desarrollado nuevas fórmulas de fundentes y agentes adhesivos para la unión de obleas y troqueles. Por ejemplo, el cambio hacia el uso de fundentes de grado semiconductor de residuo ultrabajo (ULR) no-clean flip-chip es una de las soluciones para superar estos retos, ya que el residuo de fundente que queda tras el proceso de soldadura es mínimo (menos del 10%, tan bajo como el 1%). El fundente ULR se ha utilizado para eliminar el riesgo de corrosión a la vez que proporciona una humectación y adherencia adecuadas para formar buenas uniones sin necesidad de limpieza, ya que el mínimo residuo de fundente es compatible con los materiales de relleno o moldeado utilizados en el proceso posterior.
Para el reflujo con ácido fórmico sin fundente ("fluxless"), se utiliza un agente pegajoso o adhesivo para mantener la matriz en su sitio durante el proceso, y este agente pegajoso no debe dejar ningún residuo que sea incompatible con el proceso posterior.
En el empaquetado de obleas en abanico (FOWLP), se suele utilizar un proceso de fijación de bolas para formar la protuberancia de interconexión. Aparte del problema del alabeo y de la eficacia del proceso de eliminación de fundente mencionado anteriormente, la compatibilidad con los nuevos revestimientos de polímero dieléctrico de poliimida, BCB y PBO es otro motivo de preocupación. La delaminación y los residuos en la capa dieléctrica son algunos de los problemas habituales debidos a la incompatibilidad entre los distintos materiales bajo la influencia de la temperatura. Tras un estudio exhaustivo de la interacción entre el material fundente y la capa dieléctrica a diferentes temperaturas, se han desarrollado nuevos materiales fundentes compatibles con los nuevos revestimientos de polímeros dieléctricos.
Desafíos en SiP
La deposición de pasta de soldadura para aplicaciones SiP de alta densidad se ha convertido en todo un reto. En respuesta a la miniaturización y densificación funcional de los paquetes de semiconductores para SiP y la integración heterogénea, se ha desarrollado una completa cartera de pasta de soldadura diseñada para la impresión de paso ultrafino con polvos finos que van desde el Tipo 6 al Tipo 8 (Figura 2), superando los retos de oxidación debidos a la gran superficie de los polvos finos. Para aplicaciones de pasta de soldadura con características finas de hasta 100 µm o menos, la calidad del polvo de aleación de soldadura fina, las formulaciones de fundente y la reología de la pasta de soldadura son cruciales para lograr una deposición de pasta de soldadura consistente y un buen rendimiento de la soldadura. Estas importantes características ayudan a reducir las pérdidas y los desprendimientos con un rendimiento de impresión constante, combinando un rendimiento de humectación superior con una excelente eficacia de transferencia de la impresión de esténciles para satisfacer la más amplia gama de requisitos de proceso. Para determinados diseños de envases en los que no es posible la impresión de pasta de soldadura, también se puede utilizar como alternativa la microdispensación o la inyección de precisión, con una deposición uniforme de hasta 80 µm de tamaño.
El desarrollo de nuevas soldaduras también es un factor crítico para la integración heterogénea. Las aleaciones con diferentes temperaturas de fusión pueden ser necesarias para SiP cuando hay diferentes ciclos de reflujo que requieren una jerarquía de soldaduras. Además, las soldaduras con temperaturas de fusión más bajas pueden proporcionar un mejor control del alabeo, especialmente para matrices/sustratos finos, así como una exposición al calor minimizada para los componentes sensibles al calor. También se han desarrollado aleaciones con mayor fiabilidad para módulos de automoción y otras aplicaciones exigentes.
Electrónica de potencia y gestión térmica
Se ha desarrollado una cartera de soluciones de materiales para la electrónica de potencia, incluida la pasta de soldadura de alto contenido en Pb y bajo contenido en alfa con corriente de fuga reducida para dispositivos de alta potencia (por ejemplo, GaN), y Durafuse™ HT (patente pendiente) que utiliza tecnología de polvo de soldadura mezclado como alternativa sin Pb a alta temperatura, que ofrece una resistencia al cizallamiento de la unión, fiabilidad de los ciclos térmicos y conductividad térmica mejores que (o al menos comparables a) el alto contenido en Pb, al tiempo que utiliza procesos de soldadura similares a los actuales procesos de soldadura con alto contenido en Pb.
Los avances en las fórmulas de las pastas de sinterización de Ag y Cu han dado lugar a soluciones para la fijación de troqueles, paquetes y aplicaciones similares para la electrónica de potencia (Figura 3) con propiedades significativamente mejoradas, como la resistencia al cizallamiento de la unión y la conductividad térmica. Los materiales con alta carga metálica están diseñados para dejar un residuo orgánico mínimo tras el proceso de sinterización, con una sinterización rápida y una gran resistencia de la unión para la sinterización presurizada y sin presión, en diferentes acabados superficiales (por ejemplo, Ag, Cu y Au). Se ha conseguido un bajo nivel de vaciado y porosidad con procesos de sinterización presecada y asistida por presión.
Para hacer frente a los retos de la gestión térmica a medida que aumenta la densidad de potencia de los dispositivos semiconductores y se eleva la temperatura de unión, se han desarrollado a lo largo de los años múltiples soluciones de materiales de interfaz térmica (TIM) con una amplia gama de conductividad térmica y formas. Los TIM metálicos se utilizan cada vez más en aplicaciones exigentes, incluidos los TIM basados en indio y los TIM basados en galio. Es interesante señalar que los TIM de metal líquido a base de galio están abriendo nuevas posibilidades en la gestión térmica, debido a sus sólidas propiedades de humectación con diversas superficies y a la promesa de eliminar las "fugas".
