Processo di confezionamento dei leadframe: una panoramica tecnica completa
1. Introduzione
Il packaging con leadframe rappresenta un approccio convenzionale ma in continua evoluzione all'assemblaggio dei semiconduttori. Il leadframe funge sia da struttura di supporto meccanico che da mezzo di interconnessione elettrica, ed è costituito da un telaio metallico che include un pad per il fissaggio del chip e dei contatti che consentono l'instradamento del segnale. Il processo di packaging trasforma un chip semiconduttore nudo in un componente protetto e affidabile, adatto al montaggio superficiale o a foro passante su circuiti stampati.
Il flusso di processo fondamentale comprende sei operazioni primarie: rettifica posteriore del wafer, taglio del wafer, fissaggio del die, Collegamento dei fili, stampaggio e lavorazione post-stampaggio (rifilatura, placcatura e formatura). Ogni fase richiede un controllo preciso per garantire l'affidabilità e la resa del prodotto.
2. Fase di preparazione del wafer
2.1 Rettifica posteriore
Il processo di confezionamento inizia con la rettifica posteriore dei wafer, che riduce lo spessore dei wafer a dimensioni appropriate per le caratteristiche finali del package. Per i package a singolo chip, i wafer vengono in genere rettificati fino a spessori compresi tra 200 e 250 micrometri. I package multistrato richiedono wafer ancora più sottili per ospitare più strati di chip.
La sequenza di rettifica posteriore impiega un approccio progressivo: la rettifica grossolana rimuove il materiale in eccesso ad alta velocità, seguita dalla rettifica fine per la precisione dimensionale e, infine, dalla lucidatura per eliminare le microfratture superficiali. La rugosità superficiale è direttamente correlata alla suscettibilità alla frattura durante le successive operazioni di lavorazione: le superfici lucidate presentano un rischio significativamente ridotto di propagazione delle cricche.
Prima della rettifica, un nastro protettivo viene laminato sulla superficie attiva del wafer per prevenire danni ai circuiti. Dopo la rettifica, sul retro del wafer viene applicato un nastro di montaggio, il nastro protettivo viene rimosso e il wafer viene montato su un telaio ad anello per la movimentazione.
2.2 Taglio a dadini (taglio a cialda)
Il taglio dei wafer separa il wafer lavorato in singoli chip per circuiti integrati. Il taglio con lama, il metodo convenzionale, utilizza una lama rotante con graniglia di diamante per tagliare lungo le linee di incisione. La larghezza della linea di incisione deve essere compatibile con le tolleranze della lama, garantendo al contempo uno spazio sufficiente per evitare danni ai dispositivi adiacenti.
Per wafer sempre più sottili, sono emersi approcci alternativi. Il taglio laser elimina le forze di contatto fisiche, riducendo il rischio di rottura. Il taglio prima della rettifica (DBG) inverte la sequenza convenzionale: un taglio parziale avviene prima della rettifica posteriore, con la separazione completa ottenuta tramite l'espansione del nastro di montaggio.
Dopo il taglio, le matrici vengono pulite in acqua deionizzata per rimuovere la polvere di silicio e la carica statica accumulata durante il processo di segatura.
3. Processo di fissaggio del chip
Il processo di fissaggio dei chip trasferisce i singoli chip dal nastro di montaggio al pad del leadframe. Questo processo richiede operazioni di prelievo e posizionamento precise, con particolare attenzione alla selezione e all'applicazione dell'adesivo.
I materiali adesivi si dividono in due categorie: adesivi liquidi e pellicole solide. Gli adesivi liquidi, come ad esempio la resina epossidica organica caricata con argento, vengono applicati sul supporto del chip prima del suo posizionamento. Gli adesivi solidi, noti come pellicole di fissaggio del chip (DAF) o pellicole di laminazione del retro del wafer, sono particolarmente vantaggiosi per le configurazioni con chip sovrapposti. La pellicola DAF viene laminata sul retro del wafer dopo la molatura e tagliata insieme al wafer, consentendo il trasferimento simultaneo del chip e dell'adesivo.
Per garantire il contatto ohmico tra il chip e il supporto, la superficie inferiore del chip può essere metallizzata, mentre la superficie del supporto riceve l'applicazione di un adesivo conduttivo. Le caratteristiche di adesione del nastro di montaggio vengono ottimizzate mediante esposizione ai raggi ultravioletti prima del prelievo del chip, indebolendo sufficientemente il legame per una rimozione pulita del chip, pur mantenendo una resistenza adeguata durante il taglio.
4. Collegamento a filo: Interconnessione elettrica
Il wire bonding stabilisce le connessioni elettriche tra i pad di collegamento del chip e i contatti del leadframe. Il filo d'oro è il più utilizzato grazie alla sua eccellente conduttività elettrica e duttilità.
La sequenza di collegamento dei fili segue una procedura precisa e automatizzata:
Formazione Free Air Ball (FAB): La parte terminale del filo che si estende dal capillare viene fusa mediante fusione elettronica (EFO), creando una sfera grazie alla tensione superficiale.
Ball Bonding: Il FAB viene compresso sul pad di incollaggio del die, formando il primo legame.
Formazione ad anelloIl capillare si muove verso il dito guida, srotolando il filo per creare il profilo ad anello richiesto.
Cucitura di rinforzoIl filo viene premuto contro il dito guida per formare il secondo collegamento.
Formazione della codaIl filo viene tirato indietro e reciso, preparandolo per il collegamento successivo.
Questa sequenza si ripete per ogni interconnessione. La qualità del legame viene verificata mediante ispezione visiva, prove di trazione e prove di taglio.
5. Stampaggio: incapsulamento e protezione
Lo stampaggio incapsula il leadframe assemblato, proteggendo il chip e i fili di collegamento da danni meccanici e contaminanti ambientali. Il composto di stampaggio epossidico (EMC) è il materiale di incapsulamento preferito.
Il processo di stampaggio a trasferimento prevede il posizionamento del leadframe in una cavità dello stampo e l'iniezione di composto di stampaggio fuso sotto pressione. Le considerazioni critiche includono:
Prevenzione della formazione di muffaLa fuoriuscita del composto di stampaggio attraverso le aperture del leadframe crea delle bave, ovvero sottili protuberanze di resina che interferiscono con le successive operazioni di saldatura. Il pre-riempimento delle aperture con materiale isolante (ad esempio, resina epossidica resistente alla saldatura) prima dello stampaggio previene efficacemente la formazione di bave.
Integrazione di componenti passiviNelle implementazioni più avanzate, i componenti passivi possono essere posizionati tra pad di contatto separati o attraverso i leadfingers prima dello stampaggio, integrando così questi componenti all'interno del package. Quando si collegano leadfingers non adiacenti, è possibile utilizzare una barra di distribuzione per facilitare la connessione.
Controllo della temperaturaLe cavità dello stampo vengono mantenute a temperature elevate per garantire un flusso e una polimerizzazione adeguati del composto.
Dopo lo stampaggio, i componenti vengono sottoposti a un processo di post-polimerizzazione (tempra) per completare la polimerizzazione e raggiungere le proprietà definitive del materiale.
6. Processi post-stampaggio
6.1 Rifilatura
Le barre di contenimento, ovvero le traverse metalliche che collegano i pin di collegamento, vengono recise per isolare elettricamente i singoli pin. Questa operazione di rifilatura separa la matrice del leadframe in unità di package distinte.
6.2 Placcatura di saldatura
Le superfici dei leadframe vengono pulite, attivate e placcate con stagno opaco senza piombo per favorire la saldabilità durante l'assemblaggio del circuito stampato. Un successivo trattamento di tempra previene la formazione di baffi metallici, un meccanismo di guasto associato alle finiture in stagno puro.
6.3 Formatura
I conduttori vengono piegati meccanicamente nella loro configurazione finale adatta al montaggio superficiale o a foro passante. Le operazioni di formatura possono includere anche la separazione dei singoli componenti dalla striscia di leadframe.
7. Varianti avanzate del pacchetto Leadframe
7.1 BGA basato su leadframe (LFBGA)
basato su leadframe Pacchetto Ball Grid ArrayQuesti chip utilizzano una struttura leadframe senza piombo a due strati. I pad a sfera nello strato superiore si collegano ai pad sacrificali nello strato inferiore tramite i conduttori. Dopo il fissaggio del die, il wire bonding e lo stampaggio, un processo di semi-incisione rimuove i pad sacrificali, esponendo i pad a sfera e mantenendo un posizionamento preciso delle sfere di saldatura senza la necessità di maschere di saldatura. Questo approccio previene la fuoriuscita di saldatura durante la rifusione e migliora l'affidabilità del giunto.
7.2 Integrazione multi-die
I progressi nella progettazione del leadframe consentono molteplici Chip a semiconduttoregruppi funzionali compositi all'interno di un unico pacchetto, aumentando la densità di integrazione pur mantenendo i vantaggi in termini di costi.
8. Considerazioni sul controllo qualità
Il controllo del processo è essenziale in ogni fase del processo di confezionamento:
Preparazione dello stampoRimozione della carica statica tramite pulizia con acqua deionizzata.
Integrità obbligazionaria: Prove di trazione e taglio regolari
Rilevamento rapido della muffa: Ispezione visiva e procedure di rimozione
Pulizia del leadframePulizia meccanica o chimica dell'eccesso di composto per stampaggio
9. Conclusion
Il packaging dei leadframe rimane una tecnologia fondamentale nell'assemblaggio dei semiconduttori, bilanciando l'efficacia dei costi con prestazioni affidabili in diverse applicazioni. Il flusso di processo, dalla rettifica posteriore alla formatura, richiede un controllo accurato dei materiali, delle apparecchiature e dei parametri di processo per ottenere rese elevate e affidabilità del prodotto. Varianti emergenti come il packaging basato su leadframe Pacchetto BGAQuesti risultati dimostrano la continua evoluzione di questa tecnologia matura, che si adatta ai crescenti requisiti di integrazione e prestazioni, pur mantenendo i vantaggi economici intrinseci all'assemblaggio basato su leadframe.