La fiabilidad de la interconexión es fundamental para la fiabilidad de los envases de semiconductores y los sistemas electrónicos.
Si observamos el ciclo de vida desde el chip hasta el sistema -desde el diseño del circuito integrado, la fabricación de la oblea y el embalaje, hasta el montaje de la placa y la integración del sistema-, el elemento común es el "hilo de interconexión" para la fiabilidad del sistema electrónico sobre el terreno. El objetivo principal del envasado de semiconductores es generar interconexiones desde el chip hasta el sistema a diferentes niveles: desde la matriz hasta el sustrato, hasta la terminación del componente y, a continuación, hasta la placa de circuito impreso y el sistema, incluyendo diversas formas de interconexiones, como capas de redistribución (RDL), a través de vías de silicio (TSV), unión de cables, uniones soldadas, protuberancias/bolas, unión directa de Cu, etcétera. También puede ser a través de la fotónica (en lugar de la electrónica). A nivel de sistema, las interconexiones, como conectores, fibras y cables, desempeñan un papel importante en la fiabilidad del sistema electrónico.
Básicamente, el envasado de semiconductores crea interconexiones a lo largo de la cadena de señales desde el circuito integrado hasta el sistema, para la distribución de señales y energía. En las últimas seis décadas, el encapsulado de semiconductores ha evolucionado con la tendencia general hacia interconexiones cada vez más cortas. "Menos es Moore": la miniaturización es buena para el rendimiento, la potencia, el área, el coste y la fiabilidad (PPACR).
Para garantizar la fiabilidad de la interconexión entre el chip y el encapsulado, primero hay que tener en cuenta las interacciones entre el chip y el encapsulado (CPI), ya que los dieléctricos de bajo kdi, utilizados para el rendimiento eléctrico del chip, tienen propiedades mecánicas inferiores. Cuando el chip pasa por varios pasos de empaquetado, la tensión mecánica generada puede propagarse al chip, causando desalineación, deformación y fractura dieléctrica. Para gestionar el problema de la CPI, necesitamos evaluar la propagación de la tensión desde el sustrato y la protuberancia de la soldadura hasta la capa dieléctrica del chip, mediante un modelado multinivel y multiescala (Figura 1).
En cuanto a la fiabilidad de las interconexiones soldadas, hay que tener en cuenta las distintas condiciones de carga cíclica, como los ciclos térmicos, que provocan fatiga de ciclo bajo mediante interacciones de fluencia y fatiga, y los ciclos de flexión y vibración, que provocan fatiga de ciclo alto, causando fallos en la unión soldada por iniciación y propagación de grietas (Figura 2). También debemos tener en cuenta las condiciones de carga mecánica dinámica, como las caídas y los choques mecánicos, que pueden provocar la flexión de alta frecuencia del sustrato y la fractura de la unión soldada. Los factores importantes que hay que tener en cuenta para la fiabilidad mecánica dinámica son la dependencia de la velocidad de deformación, la concentración de tensiones y la intermetálica interfacial (IMC).
Aunque las aleaciones SAC sin plomo (Sn/Ag/CU) pueden cumplir los requisitos de muchas aplicaciones, se quedan cortas cuando se trata de niveles de alta tensión, ya que la velocidad de deformación por fluencia de la SAC aumenta con la tensión y supera a la del SnPb en determinados niveles de alta tensión. Estos niveles de alta tensión pueden deberse a un desajuste del coeficiente de expansión térmica (CTE), un rango de ciclos térmicos amplio, un componente de gran tamaño o una altura de separación baja. Encontrará más información en el libro "Lead-Free Solder Interconnect Reliability" (Figura 3).
En este contexto, se ha desarrollado un nuevo sistema de soldadura con una mayor fiabilidad mediante el endurecimiento por precipitación y el endurecimiento por disolución, y la pasta de soldadura se ha formulado con muy bajo contenido en huecos. Se considera una solución de soldadura "drop-in" porque el proceso de reflujo es muy similar al proceso SAC. Este nuevo material ha demostrado una fiabilidad superior gracias al retraso en el inicio de las grietas y a la lenta propagación de las mismas en la interconexión de la soldadura durante los ciclos térmicos.
A menudo, puede ser necesaria una temperatura de soldadura baja para reducir el impacto térmico sobre los componentes y reducir el alabeo del sustrato, que puede causar muchos problemas de calidad. También hay situaciones en las que se necesita una soldadura a baja temperatura para un proceso jerárquico conocido como "soldadura por pasos". Una soldadura a baja temperatura también puede ayudar a reducir el consumo de energía durante el proceso de ensamblaje. Las aleaciones de baja temperatura existentes (como el SnBi) han mostrado un rendimiento deficiente en las pruebas de choque por caída debido a su fragilidad. Se ha desarrollado un nuevo material para reflujo a una temperatura máxima de 200-210oC, con un rendimiento superior en ciclos térmicos y choques mecánicos.
Además de la carga mecánica, la carga eléctrica también puede crear problemas de fiabilidad de la interconexión. La electromigración puede tener lugar bajo una corriente eléctrica que provoque fallos en la interconexión (Figura 4), y se sabe que ciertas aleaciones de soldadura (como la SnBi) son propensas a la electromigración. Esto es cada vez más preocupante a medida que aumenta la densidad de corriente eléctrica en una interconexión miniaturizada.
A veces, los fallos se producen no por la ausencia de una interconexión prevista, sino por la presencia de una no prevista. Un ejemplo de ello es un bigote de estaño (Figura 5), un filamento espontáneo que crece muy lentamente pero que puede provocar un fallo varios años después.
Otro fallo que puede producirse es un filamento anódico conductor (CAF) en una placa de circuito impreso o sustrato, donde un filamento de cobre (figura 6) crece bajo un sesgo eléctrico de una vía a otra vecina a través del hueco entre la fibra de vidrio y la resina epoxi con condensación de humedad. Del mismo modo, las dendritas (figura 7) pueden crecer por migración electroquímica en presencia de residuos de fundente (que aportan contaminación iónica) bajo un sesgo eléctrico, provocando así un "cortocircuito″ en un circuito eléctrico.
A medida que nos adentramos en la era de la 5G y la 6G, el impacto de los residuos de fundente en la integridad de la señal de un circuito a altas frecuencias reviste especial interés. El residuo de fundente puede proporcionar una vía alternativa a las señales a alta frecuencia (figura 8), y el impacto del residuo de fundente en la integridad de la señal es muy sensible a la presencia de humedad. Ésta y otras consideraciones están impulsando el desarrollo de fórmulas de fundente sin limpieza de residuo ultrabajo (ULR) que son adecuadas para la humectación pero tienen un impacto mucho menor en el circuito, y también son compatibles con el moldeo y el relleno sin limpieza.
Un avance muy interesante para las interconexiones de paso fino (inferior a 10 µm) es la interconexión directa de cobre, como la "unión híbrida". Este proceso ofrece una fiabilidad de interconexión superior, así como la integridad de la señal debido a la baja pérdida de inserción debido a una ruta de interconexión corta.
A medida que los productos electrónicos se generalizan en las aplicaciones, la fiabilidad de las interconexiones debe considerarse de forma holística con respecto a las condiciones ambientales -desde mecánicas y termomecánicas hasta eléctricas y electroquímicas- que dan lugar a diferentes modos y mecanismos de fallo. La creciente adopción de la integración heterogénea conduce a una mayor diversidad de interconexiones (con diferentes geometrías, materiales e interfaces) en el mismo paquete, junto con modos y mecanismos de fallo de fiabilidad complejos (y a menudo interactivos). Estas consideraciones repercutirán en la ingeniería de fiabilidad de los dispositivos semiconductores, incluidos el diseño, los materiales, los procesos y las pruebas.
Para más información, póngase en contacto con Dongkai Shangguan[email protected].(También se pueden encontrar más detalles en mi discurso de apertura invitado al Simposio IEEE sobre Fiabilidad del Embalaje Electrónico y la Fotónica de 2022).
