Độ tin cậy của kết nối rất quan trọng đối với độ tin cậy của hệ thống điện tử và bao bì bán dẫn.
Nếu chúng ta xem xét vòng đời từ chip đến hệ thống—từ thiết kế IC, sản xuất wafer và đóng gói, đến lắp ráp bo mạch và tích hợp hệ thống—thì yếu tố chung là “sợi dây kết nối” để đảm bảo độ tin cậy của hệ thống điện tử trong lĩnh vực này. Mục đích chính của đóng gói bán dẫn là tạo ra các kết nối từ chip đến hệ thống ở các cấp độ khác nhau: từ khuôn đến chất nền, đến đầu cuối linh kiện, rồi đến PCB và hệ thống, bao gồm nhiều dạng kết nối khác nhau, chẳng hạn như các lớp phân phối lại (RDL), thông qua các via silicon (TSV), liên kết dây, mối hàn, gờ/bóng, liên kết Cu trực tiếp, v.v. Nó cũng có thể thông qua quang tử (thay vì điện tử). Ở cấp độ hệ thống, các kết nối như đầu nối, sợi quang và cáp đóng vai trò quan trọng trong độ tin cậy của hệ thống điện tử.
Về cơ bản, đóng gói bán dẫn tạo ra các kết nối dọc theo chuỗi tín hiệu từ IC đến hệ thống, để phân phối tín hiệu và điện năng. Trong sáu thập kỷ qua, đóng gói bán dẫn đã phát triển theo xu hướng chung là các kết nối ngày càng ngắn hơn. “Ít hơn là Moore”—Thu nhỏ hóa tốt cho hiệu suất, công suất, diện tích, chi phí và độ tin cậy (PPACR).
Đối với độ tin cậy kết nối từ chip vào gói, trước tiên chúng ta cần xem xét các tương tác gói chip (CPI), vì chất điện môi k thấp, được sử dụng cho hiệu suất điện của chip, có các đặc tính cơ học kém hơn. Khi chip trải qua nhiều bước đóng gói khác nhau, ứng suất cơ học được tạo ra có thể truyền đến chip, gây ra sự sai lệch, biến dạng và gãy điện môi. Để quản lý vấn đề CPI, chúng ta cần đánh giá sự truyền ứng suất từ chất nền và va chạm hàn vào lớp điện môi trong chip, thông qua mô hình hóa đa cấp đa tỷ lệ (Hình 1).
Đối với độ tin cậy của mối hàn, chúng ta cần xem xét các điều kiện tải tuần hoàn khác nhau — chẳng hạn như chu kỳ nhiệt, dẫn đến mỏi chu kỳ thấp thông qua tương tác mỏi-biến dạng, và uốn và rung tuần hoàn dẫn đến mỏi chu kỳ cao — gây ra hỏng mối hàn thông qua sự khởi đầu và lan truyền vết nứt (Hình 2). Chúng ta cũng cần xem xét các điều kiện tải cơ học động như rơi và sốc cơ học, có thể gây ra sự uốn cong tần số cao của chất nền và gãy mối hàn. Các yếu tố quan trọng cần xem xét đối với độ tin cậy cơ học động bao gồm sự phụ thuộc vào tốc độ biến dạng, tập trung ứng suất và liên kim loại giao diện (IMC).
Trong khi hợp kim SAC không chì (Sn/Ag/CU) có thể đáp ứng các yêu cầu của nhiều ứng dụng, chúng lại không đáp ứng được khi nói đến mức ứng suất cao, vì tốc độ biến dạng do biến dạng của SAC tăng theo ứng suất và vượt quá tốc độ của SnPb ở một số mức ứng suất cao nhất định. Các mức ứng suất cao này có thể phát sinh do hệ số giãn nở nhiệt (CTE) không khớp cao, phạm vi chu kỳ nhiệt lớn, kích thước linh kiện lớn hoặc chiều cao cách điện thấp. Bạn có thể tìm thêm thông tin chi tiết trong cuốn sách “Độ tin cậy của mối hàn không chì” (Hình 3).
Trong bối cảnh này, một hệ thống hàn mới đã được phát triển với độ tin cậy được cải thiện thông qua quá trình làm cứng kết tủa và làm cứng dung dịch, và kem hàn đã được pha chế với độ rỗng rất thấp. Nó được coi là một giải pháp hàn "thả vào" vì quy trình chảy lại rất giống với quy trình SAC. Vật liệu mới này đã chứng minh hiệu suất độ tin cậy vượt trội bằng cách trì hoãn sự bắt đầu vết nứt và lan truyền vết nứt chậm trong mối nối hàn trong quá trình tuần hoàn nhiệt.
Thông thường, nhiệt độ hàn thấp có thể cần thiết để giảm tác động nhiệt lên các thành phần và giảm độ cong vênh của chất nền, có thể gây ra nhiều vấn đề về chất lượng. Cũng có những trường hợp cần hàn nhiệt độ thấp cho quy trình phân cấp được gọi là "hàn bước". Hàn nhiệt độ thấp cũng có thể giúp giảm mức tiêu thụ năng lượng trong quá trình lắp ráp. Các hợp kim nhiệt độ thấp hiện có (như SnBi) đã thể hiện hiệu suất kém trong các thử nghiệm sốc rơi do độ giòn. Một vật liệu mới đã được phát triển để nấu chảy lại ở nhiệt độ đỉnh 200‒210 o C, với hiệu suất vượt trội trong chu kỳ nhiệt và sốc cơ học.
Ngoài tải cơ học, tải điện cũng có thể tạo ra các vấn đề về độ tin cậy của kết nối. Sự di chuyển điện có thể diễn ra dưới dòng điện dẫn đến hỏng kết nối (Hình 4) và một số hợp kim hàn (như SnBi) được biết là dễ bị di chuyển điện. Điều này trở nên đáng lo ngại hơn khi mật độ dòng điện tăng lên trong kết nối thu nhỏ.
Đôi khi, lỗi xảy ra không phải do không có kết nối mong muốn mà là do có kết nối không mong muốn. Một ví dụ như vậy là sợi ria thiếc (Hình 5), một sợi tự phát phát triển rất chậm nhưng có thể gây ra lỗi sau vài năm.
Một lỗi khác có thể xảy ra là sợi anot dẫn điện (CAF) trong PCB hoặc chất nền, trong đó sợi đồng (Hình 6) phát triển dưới một điện áp phân cực từ một via đến via lân cận qua khe hở giữa sợi thủy tinh và nhựa epoxy với sự ngưng tụ hơi ẩm. Tương tự như vậy, các nhánh cây (Hình 7) có thể phát triển thông qua quá trình di chuyển điện hóa khi có các chất cặn từ (tạo ra ô nhiễm ion) dưới một điện áp phân cực, do đó gây ra “chập điện” trong mạch điện.
Khi chúng ta bước vào kỷ nguyên 5G và 6G, tác động của cặn từ thông lên tính toàn vẹn tín hiệu của mạch ở tần số cao là vấn đề đặc biệt đáng quan tâm. Cặn từ thông có thể cung cấp một đường dẫn thay thế cho tín hiệu ở tần số cao (Hình 8) và tác động của cặn từ thông lên tính toàn vẹn tín hiệu rất nhạy cảm với sự hiện diện của độ ẩm. Điều này và các cân nhắc khác đang thúc đẩy sự phát triển của các công thức từ thông không sạch cặn cực thấp (ULR) đủ để làm ướt nhưng có tác động giảm đáng kể lên mạch và chúng cũng tương thích với việc đúc khuôn và lấp đầy mà không cần làm sạch.
Một sự phát triển rất thú vị cho các kết nối bước nhỏ (dưới 10µm) là kết nối đồng trực tiếp, chẳng hạn như “ liên kết lai ”. Quá trình này mang lại độ tin cậy kết nối vượt trội cũng như tính toàn vẹn của tín hiệu do suy hao chèn thấp do đường kết nối ngắn.
Khi các sản phẩm điện tử trở nên phổ biến hơn trong các ứng dụng, độ tin cậy của kết nối phải được xem xét toàn diện liên quan đến các điều kiện môi trường—từ cơ học và nhiệt cơ, đến điện và điện hóa—làm phát sinh các chế độ và cơ chế hỏng hóc khác nhau. Việc áp dụng ngày càng tăng của tích hợp không đồng nhất dẫn đến sự đa dạng ngày càng tăng của các kết nối (với các hình học, vật liệu và giao diện khác nhau) trong cùng một gói, cùng với các chế độ và cơ chế hỏng hóc độ tin cậy phức tạp (và thường tương tác). Những cân nhắc này sẽ tác động đến kỹ thuật độ tin cậy cho các thiết bị bán dẫn, bao gồm thiết kế, vật liệu, quy trình và thử nghiệm.
Để biết thêm thông tin, vui lòng liên hệ với Dongkai Shangguan qua địa chỉ [email protected] . (Bạn cũng có thể tìm thấy thông tin chi tiết hơn trong bài phát biểu quan trọng được mời của tôi tại Hội nghị chuyên đề IEEE năm 2022 về Độ tin cậy của Bao bì điện tử & Photonic.)
