Bao bì tiên tiến tiếp tục phát triển với nhiều công nghệ kết nối khác nhau trên con đường hướng tới sự tích hợp không đồng nhất. Các quy trình lắp ráp khác nhau được sử dụng để tối ưu hóa năng suất của các gói tiên tiến, trong khi cần phát triển các vật liệu đóng gói tiên tiến sáng tạo để giải quyết nhiều thách thức trong quy trình lắp ráp cho Hệ thống trong gói (SiP) và các mô-đun thu nhỏ.
Những thách thức đối với vật liệu đóng gói tiên tiến
Kích thước khuôn lớn hơn với các kết nối được đóng gói dày đặc – và các bước chặt hơn và các gờ nhỏ hơn liên quan – đặt ra những thách thức trong quá trình lắp ráp, bao gồm các mối nối hở do cong vênh và các thách thức loại bỏ cặn từ thông do khoảng cách hẹp, trong số những thách thức khác. Ví dụ, cong vênh từ khuôn silicon lớn hơn và mỏng hơn và một chất nền mỏng, cùng với thiết kế gờ không đối xứng, đặt ra một thách thức chung để đạt được năng suất tốt trong quá trình đóng gói. Liên kết nén nhiệt (TCB), liên kết hỗ trợ bằng laser (LAB) và nấu chảy axit formic mà không có từ thông được sử dụng để khắc phục những thách thức này (Hình 1). Các quy trình TCB và LAB thường giữ tấm wafer hoặc chất nền trên bệ nung nóng ở nhiệt độ 100-150°C trong một thời gian dài; nếu sử dụng từ thông cho quá trình liên kết, tình trạng này có thể gây ra thách thức làm sạch đối với cặn từ thông đã cứng.
Do đó, các công thức thông lượng mới và chất kết dính cho liên kết wafer/die đã được phát triển. Ví dụ, việc chuyển sang sử dụng thông lượng chip lật không cần làm sạch (ULR) siêu thấp cấp bán dẫn là một trong những giải pháp để khắc phục những thách thức này vì lượng thông lượng còn lại sau quá trình hàn là rất nhỏ (dưới 10%, thấp tới 1%). Thông lượng ULR đã được sử dụng để loại bỏ nguy cơ ăn mòn trong khi vẫn cung cấp đủ độ ướt và độ bám dính để tạo thành các mối nối tốt mà không cần phải làm sạch, vì lượng thông lượng còn lại tối thiểu tương thích với vật liệu đúc hoặc vật liệu lấp đầy bên dưới được sử dụng trong quá trình tiếp theo.
Đối với quá trình nấu chảy axit formic không có chất trợ dung (“không có chất trợ dung”), một chất kết dính hoặc chất dính sẽ được sử dụng để giữ khuôn cố định trong suốt quá trình và chất kết dính này sẽ không để lại bất kỳ cặn nào không tương thích với quá trình tiếp theo.
Đối với đóng gói wafer-level dạng quạt (FOWLP), thông thường cần có quy trình gắn bi để tạo thành gờ kết nối. Ngoài vấn đề cong vênh và hiệu quả của quy trình loại bỏ thông lượng được đề cập ở trên, khả năng tương thích với lớp phủ polyme điện môi mới của polyimide, BCB và PBO là một lĩnh vực đáng quan tâm khác. Tách lớp và cặn trên lớp điện môi là một số vấn đề phổ biến do sự không tương thích giữa các vật liệu khác nhau dưới tác động của nhiệt độ. Sau khi nghiên cứu kỹ lưỡng về tương tác giữa vật liệu thông lượng và lớp điện môi ở các nhiệt độ khác nhau, các vật liệu thông lượng mới đã được phát triển, tương thích với lớp phủ polyme điện môi mới.
Những thách thức trong SiP
Việc lắng đọng kem hàn cho các ứng dụng SiP mật độ cao đã trở nên rất khó khăn. Để ứng phó với việc thu nhỏ và làm đặc chức năng của các gói bán dẫn cho SiP và tích hợp không đồng nhất, một danh mục kem hàn toàn diện được thiết kế cho in bước sóng siêu mịn đã được phát triển với các loại bột mịn từ Loại 6 đến Loại 8 (Hình 2), bằng cách khắc phục các thách thức về quá trình oxy hóa do diện tích bề mặt lớn của bột mịn. Đối với các ứng dụng kem hàn có đặc điểm tốt xuống tới 100µm hoặc nhỏ hơn, chất lượng của bột hợp kim hàn mịn, công thức thông lượng và lưu biến kem hàn đóng vai trò quan trọng để đạt được quá trình lắng đọng kem hàn đồng nhất và hiệu suất hàn tốt. Các đặc điểm quan trọng này giúp giảm hiện tượng rỗng và sụt với hiệu suất in đồng nhất, kết hợp hiệu suất làm ướt vượt trội với hiệu quả truyền bản in tuyệt vời để đáp ứng nhiều yêu cầu về quy trình nhất. Đối với một số thiết kế bao bì nhất định mà việc in kem hàn có thể không khả thi, phương pháp phân phối vi mô hoặc phun chính xác cũng có thể được sử dụng thay thế, với quá trình lắng đọng đồng nhất xuống tới kích thước đặc điểm 80µm.
Sự phát triển của các chất hàn mới cũng là một yếu tố quan trọng cho sự tích hợp không đồng nhất. Các hợp kim có nhiệt độ nóng chảy khác nhau có thể cần thiết cho SiP khi có các chu kỳ nóng chảy khác nhau đòi hỏi một hệ thống phân cấp chất hàn. Ngoài ra, chất hàn có nhiệt độ nóng chảy thấp hơn có thể cung cấp khả năng kiểm soát cong vênh tốt hơn, đặc biệt là đối với khuôn/chất nền mỏng, cũng như giảm thiểu tiếp xúc nhiệt đối với các thành phần nhạy nhiệt. Các hợp kim có độ tin cậy được cải thiện cũng đã được phát triển cho các mô-đun ô tô và các ứng dụng đòi hỏi khắt khe khác.
Điện tử công suất và quản lý nhiệt
Danh mục các giải pháp vật liệu đã được phát triển cho thiết bị điện tử công suất, bao gồm kem hàn Alpha thấp hàm lượng chì cao với dòng rò rỉ giảm cho các thiết bị công suất cao (ví dụ: GaN) và Durafuse™ HT (đang chờ cấp bằng sáng chế) sử dụng công nghệ bột hàn hỗn hợp làm giải pháp thay thế không chứa chì ở nhiệt độ cao, mang lại độ bền cắt liên kết, độ tin cậy về chu kỳ nhiệt và độ dẫn nhiệt tốt hơn (hoặc ít nhất là tương đương) với hàm lượng chì cao, đồng thời sử dụng quy trình hàn tương tự như quy trình hàn hàm lượng chì cao hiện tại.
Sự phát triển trong các công thức bột nhão thiêu kết Ag và Cu đã tạo ra các giải pháp cho ứng dụng gắn khuôn, gắn gói và các ứng dụng tương tự cho thiết bị điện tử công suất (Hình 3) với các đặc tính được cải thiện đáng kể, bao gồm độ bền cắt liên kết và độ dẫn nhiệt. Các vật liệu có tải kim loại cao được thiết kế để để lại lượng cặn hữu cơ tối thiểu sau quá trình thiêu kết, với quá trình thiêu kết nhanh và độ bền mối nối mạnh mẽ cho quá trình thiêu kết không áp suất và thiêu kết có áp suất, trên các bề mặt hoàn thiện khác nhau (ví dụ: Ag, Cu và Au). Độ rỗng và độ xốp thấp đã đạt được với các quy trình thiêu kết khô trước và có hỗ trợ áp suất.
Để giải quyết những thách thức về quản lý nhiệt khi mật độ công suất của các thiết bị bán dẫn tăng lên và nhiệt độ mối nối tăng lên, nhiều giải pháp vật liệu giao diện nhiệt (TIM) với nhiều dạng và độ dẫn nhiệt khác nhau đã được phát triển trong nhiều năm qua. TIM kim loại ngày càng được sử dụng nhiều trong các ứng dụng đòi hỏi khắt khe, bao gồm TIM gốc indi và TIM gốc gali. Điều thú vị cần lưu ý là TIM kim loại lỏng gốc gali đang mở ra những khả năng mới trong quản lý nhiệt, nhờ vào đặc tính làm ướt mạnh mẽ của chúng với nhiều bề mặt khác nhau và lời hứa loại bỏ "rò rỉ".
