Chip invertido

El chip invertido , también conocido como conexión de chip de colapso controlado o su abreviatura, C4 , ^[1] es un método para interconectar matrices como dispositivos semiconductores , chips IC , dispositivos pasivos integrados y sistemas microelectromecánicos (MEMS), a circuitos externos con protuberancias de soldadura que se han depositado sobre las almohadillas del chip. La técnica fue desarrollada por el Departamento de Electrónica Militar Ligera de General Electric , Utica, Nueva York . ^[2] Las protuberancias de soldadura se depositan en las almohadillas del chip en el lado superior de la oblea durante el paso final de procesamiento de la oblea . Para montar el chip en circuitos externos (por ejemplo, una placa de circuito u otro chip u oblea), se da vuelta para que su lado superior mire hacia abajo y se alinea de modo que sus almohadillas se alineen con las almohadillas correspondientes en el circuito externo, y luego se refluye la soldadura para completar la interconexión. Esto contrasta con la unión por cables , en la que el chip se monta en posición vertical y se sueldan cables finos sobre las almohadillas del chip y los contactos del marco conductor para interconectar las almohadillas del chip con los circuitos externos. ^[3]

1. Los circuitos integrados se crean en la oblea .
2. Las almohadillas están metalizadas en la superficie de los chips.
3. Se deposita una bola de soldadura en cada una de las almohadillas, en un proceso llamado wafer bumping.
4. Se cortan las patatas fritas.
5. Los chips se voltean y se colocan de manera que las bolas de soldadura queden orientadas hacia los conectores del circuito externo.
6. Luego, las bolas de soldadura se vuelven a fundir (normalmente mediante reflujo de aire caliente ).
7. El chip montado se "rellena" utilizando un adhesivo eléctricamente aislante (capilar, mostrado aquí) . ^{[4] [5]}

En los sistemas típicos de fabricación de semiconductores , los chips se construyen en grandes cantidades sobre una única oblea grande de material semiconductor, normalmente silicio. Los chips individuales están marcados con pequeñas almohadillas de metal cerca de sus bordes que sirven como conexiones a un posible soporte mecánico. A continuación, los chips se cortan de la oblea y se unen a sus soportes, normalmente mediante unión por cables , como la unión termosónica . Estos cables acaban por conducir a pines en el exterior de los soportes, que se unen al resto de los circuitos que componen el sistema electrónico.

El procesamiento de un chip invertido es similar a la fabricación de un circuito integrado convencional, con unos pocos pasos adicionales. ^[6] Cerca del final del proceso de fabricación, las almohadillas de sujeción se metalizan para que sean más receptivas a la soldadura. Esto normalmente consta de varios tratamientos. A continuación, se deposita un pequeño punto de soldadura en cada almohadilla metalizada. A continuación, los chips se cortan de la oblea de la forma habitual.

Para colocar el chip invertido en un circuito, se invierte el chip para que los puntos de soldadura caigan sobre los conectores o las almohadillas en los componentes electrónicos subyacentes, la placa de circuito o el sustrato. Luego, la soldadura se vuelve a fundir para producir una conexión eléctrica, generalmente mediante un proceso de unión termosónica o, alternativamente, un proceso de soldadura por reflujo . ^[7]

Esto también deja un pequeño espacio entre los circuitos del chip y el soporte subyacente. En muchos casos, se coloca un adhesivo aislante eléctrico debajo para proporcionar una conexión mecánica más fuerte, proporcionar un puente térmico y garantizar que las juntas de soldadura no se estresen debido al calentamiento diferencial del chip y el resto del sistema. El relleno distribuye el desajuste de expansión térmica entre el chip y la placa, lo que evita la concentración de tensión en las juntas de soldadura que provocaría una falla prematura. ^[8]

Las bolas de soldadura se pueden montar en los chips fabricando las bolas por separado y luego uniéndolas a los chips utilizando un dispositivo de recogida de vacío para recoger las bolas y luego colocarlas en un chip con fundente aplicado en las almohadillas de contacto para las bolas, o mediante galvanoplastia en la que los metales de semilla se depositan primero sobre una oblea con los chips que se van a golpear. Esto permite que la soldadura se adhiera a las almohadillas de contacto de los chips durante el proceso de galvanoplastia. Los metales de semilla son aleaciones y se depositan mediante pulverización catódica sobre la oblea con los chips que se van a golpear. Se utiliza una máscara de fotorresistencia para depositar solo el metal de semilla sobre la parte superior de las almohadillas de contacto de los chips. Luego, la oblea se somete a galvanoplastia y se retira o se pela la capa de fotorresistencia. Luego, la soldadura en los chips se somete a un reflujo de soldadura para formar las protuberancias en su forma final. Todo este proceso se conoce como golpeo de obleas. Las bolas de soldadura suelen tener entre 75 y 500 micrones de diámetro. ^{[9] [10]}

En 2008, los métodos de montaje de alta velocidad evolucionaron a través de una cooperación entre Reel Service Ltd. y Siemens AG en el desarrollo de una cinta de montaje de alta velocidad conocida como 'MicroTape'[1]. Al agregar un proceso de cinta y carrete a la metodología de ensamblaje , es posible la colocación a alta velocidad, logrando una tasa de selección del 99,90% y una tasa de colocación de 21 000 cph (componentes por hora), utilizando equipos de ensamblaje de PCB estándar.

Los paquetes de chips invertidos suelen consistir en un chip de silicio colocado sobre un "sustrato" que, a su vez, se coloca sobre una PCB tradicional. El sustrato puede tener una matriz de rejilla de bolas (BGA) en su parte inferior. El sustrato hace que las conexiones al chip estén disponibles para que las utilice la PCB. ^[11] Los sustratos fabricados con película de acumulación, como la película de acumulación Ajinomoto (ABF), se fabrican alrededor de un núcleo y la película se apila sobre el núcleo en capas mediante laminación al vacío a altas temperaturas. Después de aplicar cada capa, la película se cura y se hacen vías láser con láseres de CO2 o UV, luego se limpian las vías ciegas en el sustrato y la película de acumulación se vuelve rugosa químicamente con un permanganato, y luego se deposita cobre mediante enchapado de cobre sin corriente eléctrica , seguido de la creación de un patrón en el cobre mediante fotolitografía y grabado, y luego este proceso se repite para cada capa del sustrato. ^{[12] [13]}

La unión automatizada por cinta (TAB) se desarrolló para conectar matrices mediante termocompresión o unión termosónica a un sustrato flexible que incluye de una a tres capas conductoras. Además, con TAB es posible conectar todos los pines de la matriz al mismo tiempo, como con el montaje de chip invertido basado en soldadura. Originalmente, TAB podía producir interconexiones de paso más fino en comparación con el chip invertido, pero con el desarrollo del chip invertido esta ventaja ha disminuido y ha mantenido a TAB como una técnica de interconexión especializada de controladores de pantalla o similares que requieren un sistema de ensamblaje de rollo a rollo (R2R, reel-to-reel) específico que cumpla con TAB.

El conjunto de chip invertido resultante es mucho más pequeño que un sistema tradicional basado en portadores; el chip se coloca directamente sobre la placa de circuitos y es mucho más pequeño que el portador tanto en superficie como en altura. Los cables cortos reducen en gran medida la inductancia , lo que permite señales de mayor velocidad y también conducen mejor el calor.

Los chips invertidos tienen varias desventajas.

La falta de un soporte significa que no son adecuados para un reemplazo fácil o una instalación manual sin ayuda. También requieren superficies de montaje muy planas, lo que no siempre es fácil de organizar o, a veces, difícil de mantener, ya que las placas se calientan y enfrían. Esto limita el tamaño máximo del dispositivo.

Además, las conexiones cortas son muy rígidas, por lo que la expansión térmica del chip debe coincidir con la placa de soporte o las conexiones pueden agrietarse. ^[14] El material de relleno actúa como un intermedio entre la diferencia de CTE del chip y la placa.

El proceso fue introducido originalmente en forma comercial por IBM en la década de 1960 para transistores y diodos individuales empaquetados para su uso en sus sistemas mainframe . ^[15]

Los sustratos cerámicos para los chips BGA flip fueron reemplazados por sustratos orgánicos para reducir costos y utilizar las técnicas de fabricación de PCB existentes para producir más paquetes a la vez mediante el uso de paneles de PCB más grandes durante la fabricación. ^[16] La película de acumulación Ajinomoto (ABF) se desarrolló en 1999 y se ha convertido en un material ampliamente utilizado en paquetes de chip flip, utilizado para fabricar sustratos de chip flip en un proceso semiaditivo, iniciado por Intel. ^{[17] [18] [19]} La película de acumulación ayudó a la transición de la industria alejándose de los sustratos cerámicos, y esta película ahora es esencial en la producción de sustratos orgánicos de paquetes de chip flip. ^{[20] [21]}

Desde la introducción del chip invertido, se han introducido varias alternativas a las protuberancias de soldadura, incluidas las bolas de oro o los pernos moldeados, el polímero conductor de electricidad y el proceso de "protuberancia revestida" que elimina un revestimiento aislante por medios químicos. Los chips invertidos han ganado popularidad recientemente entre los fabricantes de teléfonos celulares y otros dispositivos electrónicos pequeños donde el ahorro de tamaño es valioso. ^{[ cita requerida ]}

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• Shirriff, Ken (marzo de 2021). "Extraño chip: desmontaje de un controlador de token ring de IBM antiguo".