A fiabilidade das interligações é fundamental para a fiabilidade do acondicionamento dos semicondutores e dos sistemas electrónicos.
Se olharmos para o ciclo de vida desde o chip até ao sistema - desde a conceção do CI, fabrico da bolacha e embalagem, até à montagem da placa e integração do sistema - o elemento comum é o "fio de interligação" para a fiabilidade do sistema eletrónico no terreno. O principal objetivo do acondicionamento de semicondutores é gerar interligações do chip para o sistema a diferentes níveis: da matriz para o substrato, para a terminação do componente e depois para a placa de circuito impresso e o sistema, incluindo várias formas de interligação, como camadas de redistribuição (RDL), vias de silício (TSV), ligação de fios, juntas de solda, ressaltos/bolas, ligação direta de cobre, etc. Pode também ser através da fotónica (em vez da eletrónica). Ao nível do sistema, as interligações, como conectores, fibras e cabos, desempenham um papel importante na fiabilidade do sistema eletrónico.
Essencialmente, o empacotamento de semicondutores cria interligações ao longo da cadeia de sinal, desde o CI até ao sistema, para distribuição de sinal e energia. Nas últimas seis décadas, o empacotamento de semicondutores evoluiu com a tendência geral para interligações cada vez mais curtas. "Less is Moore" - a miniaturização é boa para o desempenho, a potência, a área, o custo e a fiabilidade(PPACR).
Para garantir a fiabilidade da interconexão do chip para a embalagem, é necessário considerar primeiro as interações entre o chip e a embalagem (CPI), uma vez que os dieléctricos de baixadensidade, utilizados para o desempenho elétrico do chip, têm propriedades mecânicas inferiores. Quando o chip passa por várias etapas de embalagem, a tensão mecânica gerada pode propagar-se ao chip, causando desalinhamento, deformação e fratura do dielétrico. Para gerir o problema da CPI, é necessário avaliar a propagação de tensões do substrato e do cordão de soldadura para a camada dieléctrica do chip, através de uma modelação multinível e multi-escala (Figura 1).
No que diz respeito à fiabilidade das interligações de solda, temos de analisar as várias condições de carga cíclica - como o ciclo térmico, que conduz à fadiga de baixo ciclo através de interações de fluência-fadiga, e a flexão e vibração cíclicas, que conduzem à fadiga de alto ciclo - causando falhas na junta de solda através da iniciação e propagação de fendas (Figura 2). Também temos de considerar as condições de carga mecânica dinâmica, como quedas e choques mecânicos, que podem causar a flexão de alta frequência do substrato e a fratura da junta de solda. Os factores importantes a considerar para a fiabilidade mecânica dinâmica incluem a dependência da taxa de deformação, a concentração de tensões e os intermetálicos interfaciais (IMC).
Embora as ligas SAC (Sn/Ag/CU) sem chumbo possam satisfazer os requisitos de muitas aplicações, ficam aquém quando se trata de níveis de tensão elevados, uma vez que a taxa de deformação por fluência do SAC aumenta com a tensão e excede a do SnPb em determinados níveis de tensão elevados. Estes níveis de tensão elevados podem surgir devido a um elevado desajuste do coeficiente de expansão térmica (CTE), a uma grande gama de ciclos térmicos, a uma grande dimensão do componente ou a uma baixa altura de separação. Podem ser encontrados mais pormenores no livro "Lead-Free Solder Interconnect Reliability" (Fiabilidade das interligações de solda sem chumbo) (Figura 3).
Neste contexto, foi desenvolvido um novo sistema de solda com fiabilidade reforçada através do endurecimento por precipitação e endurecimento por solução, tendo a pasta de solda sido formulada com um índice muito baixo de vazios. É considerada uma solução de solda "drop-in" porque o processo de refluxo é muito semelhante ao processo SAC. Este novo material demonstrou um desempenho de fiabilidade superior através do atraso no início de fissuras e da lenta propagação de fissuras na interligação da solda durante o ciclo térmico.
Muitas vezes, pode ser necessária uma temperatura de soldadura baixa para reduzir o impacto térmico nos componentes e para reduzir o empeno do substrato, que pode causar muitos problemas de qualidade. Há também situações em que é necessária uma solda a baixa temperatura para um processo hierárquico conhecido como "solda por etapas". Uma solda de baixa temperatura pode também ajudar a reduzir o consumo de energia durante o processo de montagem. As ligas de baixa temperatura existentes (como o SnBi) têm apresentado um fraco desempenho em testes de choque de queda devido à fragilidade. Foi desenvolvido um novo material para refusão a uma temperatura de pico de 200-210oC, com um desempenho superior em ciclos térmicos e choques mecânicos.
Para além da carga mecânica, a carga eléctrica também pode criar problemas de fiabilidade das interligações. A electromigração pode ocorrer sob uma corrente eléctrica, conduzindo a falhas na interligação (Figura 4), e sabe-se que certas ligas de solda (como o SnBi) são propensas à electromigração. Isto torna-se mais preocupante à medida que a densidade da corrente eléctrica aumenta numa interligação miniaturizada.
Por vezes, as falhas ocorrem não devido à ausência de uma interconexão pretendida, mas à presença de uma interconexão não pretendida. Um exemplo disso é um "whisker" de estanho (Figura 5), um filamento espontâneo que cresce muito lentamente mas que pode causar uma falha vários anos mais tarde.
Outra falha que pode ocorrer é um filamento anódico condutor (CAF) numa placa de circuito impresso ou substrato, em que um filamento de cobre (Figura 6) cresce sob uma polarização eléctrica de uma via para uma via vizinha através do espaço entre a fibra de vidro e a resina epóxi com condensação de humidade. Do mesmo modo, as dendrites (Figura 7) podem crescer através da migração eletroquímica na presença de resíduos de fluxo (que fornecem contaminação iónica) sob uma polarização eléctrica, causando assim um "curto-circuito" num circuito elétrico.
À medida que entramos na era do 5G e 6G, o impacto do resíduo de fluxo na integridade do sinal de um circuito a altas frequências é de particular interesse. Os resíduos de fluxo podem proporcionar um caminho alternativo para os sinais a alta frequência (Figura 8) e o impacto dos resíduos de fluxo na integridade do sinal é muito sensível à presença de humidade. Esta e outras considerações estão a impulsionar o desenvolvimento de formulações de fluxo de ultra-baixo resíduo (ULR) sem limpeza, que são adequadas para molhar mas têm um impacto muito reduzido no circuito, sendo também compatíveis com a moldagem e o enchimento sem limpeza.
Um desenvolvimento muito interessante para as interligações de passo fino (inferior a 10µm) é a interligação direta de cobre, como a "ligação híbrida". Este processo oferece uma fiabilidade de interligação superior, bem como a integridade do sinal, devido à baixa perda de inserção resultante de um percurso de interligação curto.
medida que os produtos electrónicos se tornam mais omnipresentes nas aplicações, a fiabilidade das interligações deve ser considerada de forma holística no que respeita às condições ambientais - desde as mecânicas e termomecânicas às eléctricas e electroquímicas - que dão origem a diferentes modos e mecanismos de falha. A crescente adoção da integração heterogénea conduz a uma maior diversidade de interligações (com diferentes geometrias, materiais e interfaces) no mesmo pacote, juntamente com modos e mecanismos de falha de fiabilidade complexos (e frequentemente interactivos). Estas considerações terão impacto na engenharia de fiabilidade dos dispositivos semicondutores, incluindo a conceção, os materiais, os processos e os ensaios.
Para mais informações, contactar Dongkai Shangguan[email protected].(Mais pormenores podem também ser encontrados na minha apresentação convidada no Simpósio IEEE de 2022 sobre Fiabilidade de Embalagens Electrónicas e Fotónica).
