Materialvalg Og Viktige Prosesser I Mikroelektronikk

Transcript

Materialvalg og viktige prosesser i mikroelektronikk FYS4260 IKT 1 Lecture topics  Learning objectives  Material properties  Select the right material for the application  Introduce important processes  Related reading:  Halbo& Ohlckers Chapter 3  Tummula Chapter FYS4260 IKT 2 Materialer i elektronikk to perspektiver for forelesningen  Kategorier av materialer  Uorganiske stoffer  Metaller  Halvledere  Keramer, glass  Fysiske egenskaper til materialer  Mekanisk  stress og utmatning  termisk utvidelse  Organiske stoffer  Plaster/polymerer  Elektrisk  lednings- og isolasjonsevne  Kjemisk  korrosjonsmotstand  isolasjon  Termisk  faseoverganger (lodding)  varmeledning FYS4260 IKT 3 Metaller Viktige funksjoner:  Elektriske ledere  På kretskort  På kontakter  Kabling  Konstruksjonsmateriale  Sveising  Lodding  Tilpasning av termisk utvidelse  Varmeledere  Kjøling av Table 3.1 a): Properties of some important materials in electronics: Conductors[3.1]. Electrical Thermal Thermal Melting Point Resistivity Exp. Coeff. Conductivity Metal/Conductor [°C] [10-8Ohm•m] [10-7/°C] [W/m.°K] Copper 1083 1.7 170 393 Silver 960 1.6 197 418 Gold 1063 2.2 142 297 Tungsten 3415 5.5 45 200 Molybdenum 2625 5.2 50 146 Platinum 1774 10.6 90 71 Palladium 1552 10.8 110 70 Nickel 1455 6.8 133 92 Chromium 1900 20 63 66 Invar 1500 46 15 11 Kovar 1450 50 53 17 Silver-Palladium 1145 20 140 150 Gold-Platinum 1350 30 100 130 Aluminium 660 4.3 230 240 Au-20%Sn 280 16 159 57 Pb-5%Sn 310 19 290 63 Cu-W(20%Cu) 1083 2.5 70 248 Cu-Mo(20%Cu) 1083 2.4 72 197 komponenter FYS4260 IKT 4 Halvledere (silisium)  Krystallinsk  Høy termisk ledningsevne (150 W/m K)  Lav termisk utvidelse (2.6 ppm/K)  Elektrisk ledningsevne kontrolleres av dopingen  For mikrosensorer i silisium:  Silisium kan mikromaskineres med anisotrop våt-ets og reaktiv ioneetsing  Silisium er elastisk nesten helt til det knekker SOI trykksensor fra Leti FYS4260 IKT 5 Uorganiske stoffer Keramer  Uorganiske, ikke-metalliske materialer laget ved høytemperatur-reaksjoner (>600 °C)  Pulvermetoden:  Material i pulverform tilsettes bindemiddel og presses til ønsket form  Varmebehandling (sintring) fordamper bindemiddel og stoffene smelter delvis sammen  Betydelig krymping i sintringsprosessen (15-20%) FYS4260 IKT 6 Uorganiske stoffer Keramer (forts)  Sammensetningen bestemmer i stor grad keramenes egenskaper.  Termisk utvidelse kan varierer fra negativ til 20 ppm/K  Termisk ledningsevne også svært variabel  De fleste keramer er sprø materialer. Tåler ofte mye kompresjon, men lite strekk FYS4260 Relative Dielectric Constant Non Organics 92% Alumina 9.2 96% Alumina 9.4 Si3N4 7 SiC 42 AlN 8.8 BeO 6.8 BN 6.5 Diamond - High Pressure 5.7 Diamond - Plasma CVD 3.5 Glass-Ceramics 4-8 Cu Clad Invar (10%Cu)/ (Glass Coated) Glass coated Steel 6 Thermal Exp. Coefficient [10-7/ oC] 60 66 23 37 33 68 37 23 23 30-50 Thermal Conductivity [W/ m.oK] 18 20 30 270 230 240 600 2000 400 5 Approximate Processing Temp.[oC] 1500 1600 1600 2000 1900 2000 >2000 >2000 1000 1000 30 100 100 50 800 1000 IKT 7 Uorganiske stoffer Glass  Et glass er en amorf, superkjølt væske.  Har vanligvis ikke langtrekkende krystallinsk struktur. (Unntak “devitrifying” glass)  Brukes blant annet som  isolatorlag og bindemateriale på keramiske kretskort  isolasjon i elektriske gjennomføringer Elektrisk gjennomføring i glass fra Schott  Fins glass med en lang rekke egenskaper FYS4260 IKT 8 Organiske materialer - plast  Plast brukes i nesten all elektronikk:  Mekanisk byggeelement (elektronikk pakke i f.eks. epoxy)  Tynne dielektriske lag på kretskort (f.eks. polyamid)  Isolasjon på ledninger og kabler (f.eks. PET, polyamid, Teflon)  Bindemiddel i kretskort (f.eks. epoxy i FR4)  Elektrisk ledende og ikke-ledende lim (f.eks. epoxy)  Fotoresist i kretskortproduksjon (f.eks. polyamid) Motorstyring, SINTEF-prosjekt FYS4260 IKT 9 Viktige plastegenskaper  Høy elektrisk resistivitet, høyt “breakdown field”, lave dielektriske tap og lav dielektrisk konstant  Termisk og mekanisk stabilitet tilstrekkelig høy (100 - 200 °C)  Termisk ekspansjon ofte høyere enn f.eks. metaller og Si  Kan ha høy mekanisk styrke eller være myk og fleksibel  Kjemisk motstandskraft mot løsningsmidler  Heft - ofte bra mot andre materialer, men ikke alltid, eks. Teflon  Lett å prosessere  Har en viss vannabsopsjon, men dette påvirker ofte i liten grad materialegenskapene.  BILLIG råstoff og produksjon FYS4260 IKT 10 Oppbygning av plast Termoplast Thermoplastic Herdende plast Thermosetting Lineære (a), forgrenede (b) og kryssbundete (c) polymerkjeder FYS4260 IKT 11 Plast Byggesteinene i plaster  Plaster består av lange komplekse kjeder av organiske molekyler  Benzen en vanlig byggestein  Om man henger på et molekyl til benzen vil man kunne få en monomer, en byggestein for periodisk struktur. Dette skjer i en polymeriseringsprosess FYS4260 IKT 12 Plast Byggesteiner (forts) FYS4260 IKT 13 Tg: Glasstransisjonstemperaturen  I polymerer oppstår en “faseovergang” fra en glassaktig fase til en gummi-aktig fase.  Materialet smelter ikke, men de molekylære bindingene blir svakere  Termisk utvidelseskoeffisent større over Tg  Lang tid over Tg kan ødelegge materialegenskapene FYS4260 Termisk utvidelse for en epoxy som funksjon av temperatur IKT 14 Plastics, continued  "Glass transition": change from glass-like to rubber - like FYS4260 IKT 15 Termisk ledningsevne  Fouriers lov: dQ λ = − A∇T dt  Varmeledningen bestemmer hvor effektivt komponenter kjøles  “10 °C heving av temperaturen til en komponent gir typisk en halvering av levetiden” FYS4260 IKT 16 Elektrisk permittivitet  Kapasitans mellom to plater: A C=εε d r o  I ikke-perfekte dielektrika får vi kompleks permittivitet ε= εο (k’+jk’’). Dette gir tap. Viktig for eksempel for RF-kretser.  tan δ = k’’/k’ = (1/R)/ωC = 1/Q FYS4260 IKT 17 Termisk utvidelseskoeffisient  Termisk utvidelse: ∆l= α ∆T (α termisk utvidelseskoeffisient)  Forskjeller i termisk utvidelse mellom materialer fører til stress. Dette kan i verste fall slite de fra hverandre, eller føre til utmatning etter mange temperatursykler  Silisium har i forhold til de fleste andre materialer lav CTE FYS4260 IKT 18 Mekaniske egenskaper Young’s modulus  Young’s modulus uttrykker hvor stive materialer er (forholdet mellom stress og deformasjon)  Stive materialer deformeres lite  Stress: kraft per areal (Pa)  Strain: Deformasjon (dimensjonsløs størrelse)  Hooke’s lov (F=kx) gjelder for elastiske materialer: FYS4260 IKT 19 Practical exercise  Component setting at 220 deg C during soldering  Let us assume that the resistor is 1 cm end-to-end  How much will the resistor and the FR4 have changed lenght at room temperature (20 deg C)  Which material will yield the most to accomodate the change these stresses FYS4260 CTE = 8 ppm/K Resistor FR4 PCB CTE = 14 ppm/K Answer – relative change: ∆L=(14-8) ppm/K * 1cm * 200K = 0,12 µm IKT 20 Beskjeder  Kurs i simulering for dere som lager hodetelefonforsterker vil annonseres på semestersider. Onsdag førstkommende?  Tummula-kapittel: Kommer etter hvert  Studentliste forholdsvis komplett  Har ikke full oversikt over alle oppgavevalg, men sender spørsmål til de som vi ikke har registrert valgene til  Øvingsoppgave  Forelesninger kommende uker:  Kap 4 Komponenter  Kap 5 PCB FYS4260 IKT 21 Viktige prosesser i mikroelektronikk      Fotolitografi Silketrykking Etsing Plettering Deponering  Vakuum pådamping  RF og DC sputtering  Metoder for elektrisk og mekanisk kontakt:  Lodding Chipsett - SP13 dekktrykksensor (Sensonor)  Liming  Konnektering  Wire-bonding  Flip-chip FYS4260 IKT 22 Fotolitografi  Fig. 3.10:The steps in photolithographic transfer of patterns and the subsequent etching of metal films with negative photoresist.  If positive resist is used, it is the illuminated part of the photoresist, which is removed during the development. FYS4260 IKT 23 FYS4260 IKT 24 Silketrykk/stensiltrykk Stensiltrykk: a) og b): Trykkeprosess c) og d): Detaljer fra stensilen FYS4260 IKT 25 FYS4260 IKT 26 Etsing  Våt, kjemisk etsing  Tørr plasma eller reaktiv ione-etsing  Eksempel – Definere kobberbaner på kretskort: FeCl3 + Cu -> FeCl2 + CuCl I tillegg: FeCl3 + CuCl -> FeCl2 + CuCl2 Jernklorid angriper ikke organiske filmer, som kan brukes som etsemaske. FYS4260 IKT 27 Plettering  Elektroplettering:  Elektrisk strøm av ioner i en løsning. Ekstern spenning nødvendig. Alle arealer som skal dekkes må vare i elektrisk kontakt med ekstern spenning. Cu -> Cu2+ + 2e- + Cu2+ + 2e- -> Cu CuSO4 /H2SO4 FYS4260 IKT 28 Plettering, elektroless  Elektroless eller kjemisk plettering:  Ingen eksterne strømmer  Komplekse prosesser med ”sensivering”, ”aktivering” og plettering  Nødvending når isolerende overflater skal pletteres  Ofte forløper for elektroplettering for å gjøre alle nødvendige arealer elektrisk ledende. FYS4260 IKT 29 Vakuum deponering/pådamping  Vacuum evaporation:  Chamber evacuated to less than 10-6 Torr  Resistance heating  Metal evaporation FYS4260 IKT 30 Andre metoder for å deponere ledende eller isolerende filmer  DC Sputtering FYS4260 IKT 31 Deponering (forts) Radio Frequency AC Sputtering  RF nødvendig for å unngå opplading av ikke-ledende targets FYS4260 IKT 32 Lodding og miljøvennlig elektronikk  Tungmetaller er ikke ønskelig å spre i naturen – det går mot et forbud mot bruk av bly-holdig loddetinn  RoHS, Restriction of the use of certain Hazardous Substances in electrical and electronic equipment.  The directive that will come into force in the beginning of 2003 means that from 1 July 2006 certain new electrical and electronic equipment (EEE) put on the market shall not contain lead, mercury, cadmium, hexavalent chromium, and two brominated flame retardants (PBB and PBDE).  Forbud mot EE-produkter med over 0,01 % kadmium eller over 0,1 % bly, kvikksølv, seksverdig krom, polybromerte bifenyler (PBB) eller polybromerte difenyletere (PBDE). FYS4260 IKT 33 Metoder for elektrisk og mekanisk kontakt Lodding  Lodding: ”Lage en metallisk binding mellom to metallflater ved å bruke et smeltet metall i mellom”.  Fuktingseffekter er viktige; loddmaterialet skal fukte bestemte områder, men ikke andre Young´s ligning: FYS4260 Bluetooth transiver Ericsson γls + γl cos Θ = γs IKT 34 Lodding Legeringer Table 3.7: Alloys for soft soldering [3.11] Alloy System Code Melting [mass%] Temperature [°C] Sn 100 63 60 50 40 10 5 Pb 62 10 5 96,5 95 36 88 93,5 Ag Sb In Bi 37 40 50 60 90 95 Sn Sn63 Sn60 Sn50 Sn40 2015: Vanlig å bruke legeringer av 37 40 50 37 42 15 34 43 33 42 43 2 2 1,5 3,5 Solid 232 183 183 183 183 275 310 Sn62 5 60 50 25 58 52 24 14 FYS4260 Liquid 183 188 216 234 302 314 Shear Strength at 1 mm min-1 [Nmm-2] 20°C 100°C 22,1 19,0 33,6 21,6 30,0 24,0 34,3 13,7 28,9 14,7 179 268 296 Ag3,5 221 Sb5 236 In60 174 In50 180 In25 138 179 299 301 221 243 185 209 138 43,0 23,8 37,7 37,2 - 18,6 15,7 22,5 21,1 - Bi58 Bi52 Bi24 Bi14 139 96 146 163 50,0 34,3 - 19,5 17,5 - 139 96 100 143 IKT 35 Egenskaper til noen vanlige loddematerialer Material Thermal conductivity [W/(m*K)] Melting point [°C] Sn-37Pb (eutectic) 50.9 183 Sn-2.8Ag-20.0In 53.5 175 – 186 Sn-2.5Ag-0.8Cu-0.5Sb 57.26 215 – 217 Pb-5Sn 63 310 Lead (Pb) 35.0 327.3 Tin (Sn) 73.0 231.9 Aluminum (Al) 240 660.1 Copper (Cu) 393 - 401 1083 FR-4 1.7 FYS4260 IKT 36 Lodding Eutektisk bly-tinn  Mest vanlige loddemateriale: 63 % Sn / 37 % Pb (eutectic) Smeltepunkt 183 oC Fasediagram for 63Sn37Pb Table 3.6: Properties of solder alloys 63 Sn:37 Pb or 60 Sn:40 Pb (weight %) Value Unit Temp. [oC] 25 0.17 Electrical resistivity, ρ µOhm•m 100 0.32 " Thermal conductivity, °K 25 51 W/m°K 100 49 " 24.5 ppm/°C Thermal coeff. of expansion, α Specific heat 46 000 J/kg°K Modulus of elasticity, E 25 32 000 N/mm2 8.5 Density, ρ g/cm3 FYS4260 IKT 37  Solder is a fusible metal alloy used to join together metal workpieces and having a melting point below that of the workpiece(s)  For certain proportions an alloy becomes eutectic and melts at a single temperature; non-eutectic alloys have markedly different solidus and liquidus temperatures, and within that range they exist as a paste of solid particles in a melt of the lower-melting phase. FYS4260 IKT 38 FYS4260 IKT 39 Cu-Sn FYS4260 IKT 43 FYS4260 IKT 44 Lodding Temperaturavhengige egenskaper  Fig.3.15: Behaviour of solder metal at different temperatures, schematically. [W. Engelmaier]. FYS4260 IKT 45 Lodding Termisk sykling gir utmatting  Fig. 3.16: Solder joint fatigue in surface mounted assemblies is often caused by power cycling. FYS4260 IKT 46 Lodding Coffin-Manson-formelen  Utmatting er viktig feilmodus for loddefuger. Fører gjerne til vakkel-feil; elektronikker virker bare av og til.  Coffin-Mansons formelen: N0.5 x γp = konstant hvor N er antall stress-sykler, γp er relativ deformasjonsamplitude.  Merk at både antall sykler og stress-nivået bestemmer levetiden  Tilsettingsstoffer i loddetinn:  2 % Ag for å redusere ”leaching” (oppløsning av termineringen på kort/komponent som førere til svekkede mekaniske og elektriske egenskaper).  Må unngå Au. Dette fører til sprøhet på grunn av dannelse av AuSn forbindelser FYS4260 IKT 47 Lodding Effekt av stress på levetid  Fig. 3.17: Experimental data for fatigue in Sn/Pb solder fillet by cyclical mechanical stress. High temperature and low cycling frequency gives the fastest failure, because the grain structure relaxes most and is damaged FYS4260 IKT 48 Lodding Effekt av forurensninger i loddetinn  Fig. 3.18. a) Left: Dissolution rate of Ag in solder metal, and in solder metal with 2 % Ag, as function of temperature b) Right: Dissolution rate of various metals in solder alloy FYS4260 IKT 49 Lodding Fluks og rensing  Flukser  Løse opp og fjerne oxider etc på overflaten  Beskytte overflate  Forbedre fukting  Kategorier:   Løselige i organiske væsker Vannløselige  Typer:  Organic resin fluxes ("rosin")      R (Rosin, non-activated): No clorine added. RMA (Rosin mildly activated): < 0.5 % Cl RA (Rosin, activated): > 0.5 % Cl Organic non resin based fluxes Inorganic fluxes  Rensing  Freon (TCTFE) forbudt. Alkoholer mest vanlig. Trend: Ingen rensing FYS4260 IKT 50 Lodding Fluks og fukting  Fig. 3.19: Time for solder alloy to wet a pure Cu surface, depending on the activation of the solder flux. The degree of activation is given by the concentration of Cl- ions in the flux (temperature: 230 °C) FYS4260 IKT 51 Liming  Hensikt  Mekanisk sammenstilling  Elektrisk kontakt  Termisk kontakt  Materialer  Epoxy, acrylic, phenolic, polyimide, glass  Metallpartiker for elektrisk ledning: ρ = 1 - 10 x 10 -6 ohm m  Metall eller keramiske partikler for termisk ledningsevne: K ≈ 1 - 3 W /m x oC  Keramiske partikler for tilpasning av termisk utvidelse FYS4260 IKT 52 Liming Termisk ledningsevne  Fig. 3.20: Thermal conductivity of epoxy adhesive with various amounts of Ag [3.16 a)]. The concentration is in volume % Ag. (23 vol. % corresponds to approximately 80 weight %). FYS4260 IKT 53 Liming Chip montasje (die-attach) Flere aktuelle teknikker:  Eutectic die bonding:  Au/Si (363 oC), Au/Sn (280 oC)  Soft soldering: Sn/Pb, Ag/Pb  Glueing Adhesive cracking, fig. 3.23: Thermal cycling induces defects giving increased thermal resistance. FYS4260 IKT 54 Liming Kontaktering med liten pitch  Fig. 3.24: Use of adhesive for contacting IC-chips with small pitch, schematically: a): Anisotropic conductive adhesive, the conduction is through the metal particles in the adhesive; b): Electrically insulating adhesive, the conduction is through point contacts where the adhesive has been squeezed out. FYS4260 IKT 55 Elektrisk konnektering Bluetooth transiver Ericsson Miniatyrisering  Økende krav til miniatyrisering      Miniatyriserte pakker Tape Automated Bonding Chip on board (multichipmodul MCM) Ball grid array (BGA)/ Chip scale package (CSP) Flip chip FYS4260 IKT 56 Elektrisk konnektering Trådbonding  Elektrisk kontakt til chip  Ultralyd  Termokompressjon  Termosonisk (sum av termokompresjon og ultralyd)  Geometrier  Ball - wedge: Se illustrasjon  Wedge - wedge Ball-wedge trådbonding SEM-bilde FYS4260 IKT 57 Elektrisk konnektering Ball Grid Array  Kombinasjon av flip-chip og pakke  Enklere montasje enn flipchip  Større fleksibilitet FYS4260 IKT 58 Elektrisk konnektering Bumping for Flip Chip montasje  Bumping direkte på silisiumwafer  Små bumper (< 135 µm)  Minimum pitch ~ 150 µm  Andre prosesser bruker ferdige loddekuler som plasseres på waferen FlipChip International Flex-on-Cap (Standard Flip Chip) FYS4260 IKT 59 Elektrisk konnektering Flip Chip  Prosess:  Deponer barrieremetaller  Deponer loddemetall     (bumping) ved fotolitografi, metall maske eller sputtering+plettering Omsmelting --> kuleform Kutt wafer Monter chiper på substrat Varm substrat for å smelte loddetinn. FYS4260 IKT 60 Elektrisk konnektering Flip Chip  Fordeler:  Høyeste pakketetthet  Beste høyfrekvens-egenskaper  Opptil 10 000 I/O  Ulemper  Krevende montering  Liten termisk fleksibilitet  Ingen reparasjonsmuligheter FYS4260 IKT 61 FYS4260 IKT 62