eng
Содержание
Предисловие ............................................................................................................. 11
Глава 1. Основы технологии формирования многоуровневой
металлизации .......................................................................................................... 17
1.1.
Краткая история развития технологии формирования
многоуровневой металлизации интегральных микросхем ....................... 17
1.2.
Основные требования к многоуровневой металлизации ......................... 20
1.3.
Особенности технологии формирования металлизации
на основе алюминия ................................................................................... 22
1.3.1.
Эффекты взаимодействия алюминия с кремнием ........................... 22
1.3.2.
Особенности морфологии пленок металлических
межсоединений ................................................................................. 26
1.3.3.
Эффекты массопереноса ................................................................... 27
1.3.4.
Технологические особенности операции заполнения
металлом контактных окон .............................................................. 31
1.4.
Особенности технологии нанесения металлизации
на основе меди ............................................................................................ 35
1.5.
Особенности технологического маршрута формирования
3
D-межсоединений .................................................................................... 44
Глава 2. Разделение пластин на кристаллы и их сборка в корпус ......................... 58
2.1.
Разделение пластин на кристаллы ............................................................. 58
2.1.1.
Технологии и методы резки пластин ................................................ 58
2.1.2.
Скрайбирование полупроводниковых пластин .............................. 60
2.1.3.
Типовое оборудование для резки пластин ....................................... 66
2.2.
Технологические методы монтажа кристаллов в корпуса
микросхем ................................................................................................... 68
2.2.1.
Монтаж кристаллов эвтектическими припоями или клеями.......... 68
2.2.2.
Монтаж кристаллов в корпусах легкоплавкими припоями ............. 71
2.2.3.
Основные технологии автоматизированного монтажа
кристаллов в корпусах вибрационной пайкой ................................ 73
2.3.
Контроль качества сборочных операций .................................................. 75
2.4.
Технологии и методы микромонтажа интегральных микросхем ............. 81
2.4.1.
Базовые конструктивно-технологические решения проблемы
микромонтажа изделий микроэлектроники .................................... 81
2.4.2.
Особенности технологии термокомпрессионной
микросварки...................................................................................... 85
2.4.3.
Особенности технологии ультразвуковой микросварки ................. 87
2.4.4.
Особенности технологии термозвуковой микросварки .................. 91
2.5.
Важные технологические особенности использования золота
и алюминия при сборке мощных СВЧ-транзисторов ............................... 92
2.6.
Технологическое оборудование и инструменты для сборочных
операций ..................................................................................................... 98
2.7.
Технологии монтажа жесткими объемными выводами ...........................105
4
Содержание
Глава 3. Пайка и сварка в производстве микросхем
и полупроводниковых приборов ...........................................................................113
3.1.
Основы технологии пайки ........................................................................113
3.2.
Технологические методы организации процесса пайки
в полупроводниковом производстве .........................................................115
3.3.
Особенности проведения контактно-реактивной пайки ........................117
3.4.
Метод пайки эвтектическими сплавами ..................................................118
3.5.
Технологические особенности пайки электродных выводов ..................120
3.6.
Пайка деталей корпусов полупроводниковых приборов .........................120
3.7.
Рекомендации по выбору материалов припоев и флюсов
для пайки....................................................................................................126
3.8.
Оборудование для пайки ...........................................................................130
3.8.1.
Оборудование для эвтектической пайки кристаллов .....................130
3.8.2.
Оборудование для пайки корпусов ..................................................132
3.9.
Технологии сварки в производстве полупроводниковых
приборов и микросхем ..............................................................................133
3.9.1.
Термокомпрессионная сварка .........................................................134
3.9.2.
Ультразвуковая сварка ......................................................................137
3.9.3.
Микроконтактная сварка .................................................................138
3.9.4.
Диффузионная сварка ......................................................................140
3.10.
Методы контроля качества и надежности паяных соединений ............141
Глава 4. Технологии и методы защиты арматуры на сборочных операциях ........149
4.1.
Назначение защитных покрытий .............................................................149
4.2.
Технология химической обработки полупроводниковых структур
перед защитой ............................................................................................151
4.3.
Защита с помощью лаков, эмалей и компаундов ....................................153
4.4.
Защита поверхности методом силанирования .........................................161
4.5.
Защита полупроводниковых кристаллов стеклянными пленками
сложного состава .......................................................................................163
4.6.
Защита полупроводниковых структур пленками нитрида кремния .......166
4.7.
Защита полупроводниковых структур методом обволакивания .............169
4.8.
Защита полупроводниковых структур методом свободной
заливки .......................................................................................................170
Глава 5. Герметизация и контроль герметичности корпусов
интегральных микросхем .......................................................................................176
5.1.
Герметизация корпусов сваркой ...............................................................176
5.1.1.
Герметизация холодной сваркой ......................................................176
5.1.2.
Герметизация электроконтактной сваркой .....................................179
5.1.3.
Герметизация корпусов сваркой ......................................................181
5.1.4.
Особенности герметизации корпусов методом
шовно-роликовой сварки ................................................................186
5.2.
Герметизация корпусов пайкой ................................................................193
5.3.
Герметизация корпусов пластмассами .....................................................196
5.4.
Бескорпусная герметизация ......................................................................202
Содержание 5
5.5.
Методы контроля герметичности корпусов микросхем ..........................203
5.6.
Основные причины коррозии алюминиевых проводников
и контактных площадок загерметизированных приборов .......................205
Глава 6. Конструктивно-технологические характеристики и методы
формирования корпусов для микроэлектронных изделий ..................................211
6.1.
Классификация корпусов для сборки изделий интегральной
микроэлектроники ....................................................................................211
6.2.
Основные требования к конструкции корпусов ......................................219
6.3.
Металлокерамические корпуса .................................................................220
6.4.
Металлостеклянные корпуса ....................................................................224
6.5.
Пластмассовые корпуса ............................................................................229
6.6.
Корпуса чашечного типа ...........................................................................235
6.7.
Пластмассовые корпуса с открытой полостью ........................................236
6.7.1.
Особенности пластмассовых корпусов с открытой полостью .......236
6.7.2.
Типы и материалы пластмассовых корпусов с открытой
полостью ..........................................................................................238
6.7.3.
Технология изготовления СВЧ-корпуса с открытой полостью ........243
6.7.4.
Пластмассовые корпуса с открытой полостью
для ИС и датчиков ...........................................................................245
6.7.5.
Результаты испытаний пластмассовых корпусов
с открытой полостью .......................................................................247
6.8.
Особенности применения микросхем в пластмассовых
корпусах в системах военного и космического назначения ....................249
6.8.1.
Краткая история вопроса .................................................................249
6.8.2.
Достоинства и недостатки коммерческих интегральных
микросхем в пластиковых корпусах ................................................251
6.8.3.
Система оценки качества микросхем в пластиковых
корпусах............................................................................................252
6.9.
Особенности технологии заливки в пластик при герметизации
интегральных микросхем ..........................................................................255
6.9.1.
Введение в проблему ........................................................................255
6.9.2.
Сравнительный анализ достоинств и недостатков
технологии герметизации в пластиковые корпуса ........................256
6.9.3.
Возможные технологические дефекты и методы их устранения......258
6.9.4.
Особенности проектирования и изготовления
технологической оснастки ..............................................................259
6.9.5.
Технологическое оборудование для сборки в пластиковые
корпуса .............................................................................................262
6.10.
Особенности технологии изготовления металлокерамических
корпусов на заводе полупроводниковых приборов (АО «ЗПП») ...........263
Глава 7. Базовые технологии микромонтажа электронных устройств .................271
7.1.
Состояние и перспективы развития технологий корпусирования
микросхем ..................................................................................................271
7.1.1.
В качестве введения в проблему ......................................................271
6
Содержание
7.1.2.
Основные тенденции развития технологий корпусирования ........275
7.1.3.
Тенденция уменьшения шага выводов корпусов микросхем .........278
7.2.
BGA-технология сборки кристаллов ........................................................283
7.3.
CSP-технология монтажа кристаллов на плату .......................................287
7.4.
WLP-технология сборки на пластине .......................................................289
7.5.
Многокристальные модули и печатные платы ........................................294
7.6.
Особенности сборки 3D-изделий с использованием
технологии flip-chip ...................................................................................301
7.7.
Технологические особенности использования клеевых соединений
в процессе 3D-сборки ................................................................................303
7.8.
Основные технологии корпусирования СВЧ-приборов .........................308
7.8.1.
Корпусирование мощных СВЧ-транзисторов ................................308
7.8.2.
Корпусирование СВЧ-микросхем ...................................................313
7.8.3.
Технология корпусирования СВЧ-приборов на основе
многослойной керамики (LTCC) ....................................................314
7.8.4.
Технологии корпусирования микроволновых монолитных
СВЧ-микросхем на пластине ..........................................................318
7.9.
Конструкции корпусов микросхем со встроенной
радиационной защитой .............................................................................325
7.9.1.
Использование специальных материалов в конструкции
корпусов с интегрированными элементами
радиационной защиты .....................................................................325
7.9.2.
Результаты экспериментальных исследований материалов
для встроенных экранов радиационной защиты корпусов
микросхем ........................................................................................330
7.9.3.
Конструкции корпусов для радиацио-нностойких микросхем
на основе композитного материала W–CU ....................................334
7.10.
Методы повышения надежности паяных соединений
поверхностного монтажа .........................................................................335
7.10.1.
Переход от тестирования к надежностному
проектированию ............................................................................335
7.10.2.
Краткая характеристика полей нагрузок, возникающих
в процессе эксплуатации ...............................................................338
Глава 8. Конструктивно-технологические особенности монтажа
силовых модулей ....................................................................................................347
8.1.
Маломощные силовые модули .................................................................347
8.1.1.
Силовые модули серии SEMITOP ...................................................347
8.1.2.
Конструктивно-технологические особенности
модулей SEMITOP ...........................................................................349
8.1.3.
Технологические особенности монтажа силовых
модулей SEMITOP ...........................................................................352
8.1.4.
Монтаж модулей SEMITOP Е1/Е2 с выводами под пайку .............354
8.1.5.
Монтаж модулей SEMITOP Е1/Е2 с выводами
под прессовую посадку ....................................................................357
Содержание 7
8.2.
Типовые конструкции силовых модулей ..................................................359
8.2.1.
DCB (Direct Copper Bonding) ...........................................................359
8.2.2.
AMB (Active Metal Brazing)...............................................................360
8.2.3.
IMS (Insulated Metal Substrate) .........................................................361
8.2.4.
TFC (Thick Film Cooper) ..................................................................361
8.3.
Особенности выбора конструкций корпусов для устройств силовой
электроники на основе широкозонных полупроводников ......................362
8.3.1.
Технология сборки с использованием корпусов BSC и TSC ..........362
8.3.2.
Особенности конструкции корпусов для высоковольтных
силовых модулей ..............................................................................369
Глава 9. Теоретические основы, стандарты и экспериментальные методы
измерения теплового сопротивления полупроводниковых приборов
и микросхем ...........................................................................................................374
9.1.
Основные физические ограничения, которые необходимо
учитывать при проектировании полупроводниковых устройств ............374
9.2.
Пути решения проблемы эффективного отвода избыточной
тепловой энергии от активной структуры полупроводникового
кристалла....................................................................................................378
9.3.
Тепловые характеристики полупроводниковых приборов ......................381
9.3.1.
Популярное описание сущности тепловых процессов
в полупроводниковых приборах......................................................381
9.3.2.
Что такое тепловое сопротивление? ................................................383
9.3.3.
Методы измерения температуры переходов ...................................386
9.4.
Основные принципы калибровки испытуемого устройства ...................390
9.4.1.
Стандартная процедура калибровки полупроводникового
устройства ........................................................................................390
9.4.2.
Выбор численного значения величины измерительного тока .......391
9.4.3.
Необходимость обеспечения температурного равновесия
при калибровке ................................................................................392
9.4.4.
Выбор среды для калибровки полупроводниковых устройств .......393
9.5.
Практическое применение концепций теплового сопротивления .........395
9.5.1.
Введение в проблему.........................................................................395
9.5.2.
Измерение эталонных температур с помощью термопар ...............398
9.5.3.
Не всеми международными стандартами можно
пользоваться, или некоторые специфичные методы
измерения теплового сопротивления .............................................399
9.6.
Особенности организации управления мощностью нагрева
при температурных испытаниях ...............................................................400
9.6.1.
Особенности организации процесса управления
мощностью нагрева полупроводникового устройства ...................400
9.6.2.
Основные технические требования к организации
управления величиной мощности нагрева .....................................403
9.7.
Типы испытательных устройств и основные методы
температурных испытаний ........................................................................405
8
Содержание
9.7.1.
Термический испытательный кристалл ...........................................405
9.7.2.
Активные кристаллы ........................................................................406
9.7.3.
Термочувствительные параметры для различных типов
полупроводниковых приборов ........................................................411
9.8.
Стандартные методы измерения тепловых характеристик
полупроводниковых устройств .................................................................413
9.8.1.
Основные компоненты теплового импеданса
полупроводниковых приборов ........................................................413
9.8.2.
Методы измерения тепловых характеристик
полупроводниковых приборов ........................................................419
9.8.3.
Физическая интерпретация результатов измерения
характеристики нагрева ...................................................................420
9.8.4.
Особенности процедуры измерения импедансов
полупроводниковых приборов ........................................................421
9.8.5.
Перспективы применения тепловых измерений
в полупроводниковой промышленности ........................................423
9.9.
Методы измерения теплового сопротивления для гибридных
и многокристальных полупроводниковых устройств ..............................425
9.9.1.
Введение в тему измерений многокристальных устройств ............425
9.9.2.
Метод линейной суперпозиции .......................................................425
9.9.3.
Применение метода суперпозиции для анализа
теплового сопротивления ................................................................427
9.9.4.
Ограничения и источники погрешностей .......................................429
9.9.5.
Описание основных этапов процесса тепловых
исследований ...................................................................................429
9.10.
Стандартное технологическое оборудование для тестирования
микросхем в диапазоне температур ........................................................430
Глава 10. Тестирование микроэлектронных устройств: концепции,
методы и инструменты ...........................................................................................445
10.1.
Введение в проблему ...............................................................................445
10.1.1.
Термины и определения в области тестирования микросхем ......445
10.1.2.
Причины, виды и механизмы отказов ...........................................452
10.2.
Дорожная карта гетерогенной интеграции IEEE ...................................455
10.3.
Табличное представление основных проблем тестирования
микроэлектронных устройств на период до 2040 г. ................................457
10.4.
Тенденции, проблемы и перспективы тестирования логических
устройств ..................................................................................................459
10.4.1.
Тенденции увеличения количества тестовых наборов ..................459
10.4.2.
Логический тест больше не является ключевым фактором,
определяющим время тестирования .............................................462
10.4.3.
Искусственный интеллект и логическое тестирование ................464
10.4.4.
Возвращение функциональных испытаний ..................................465
10.4.5.
Тестирование на месте эксплуатации – внутрисистемное
тестирование ..................................................................................466
Содержание 9
10.5.
Тестирование микросхем памяти ............................................................468
10.5.1.
Динамика изменений требований к тестированию памяти
за период 2018–2031 г.....................................................................468
10.5.2.
Тестирование DRAM ......................................................................469
10.5.3.
Тестирование микросхем флеш-памяти ........................................470
10.5.4.
Тестирование встроенной памяти ..................................................471
10.6.
Тестирование специализированных микросхем ....................................471
10.6.1.
Тенденции развития специальных технологий
на пятилетний период ...................................................................471
10.6.2.
Основные задачи и проблемы тестирования
специализированных микросхем ..................................................474
10.7.
Проблемы и тенденции тестирования аналоговых и смешанных
микросхем ................................................................................................479
10.7.1.
Основные тенденции тестирования аналоговых микросхем........479
10.7.2.
Ключевые тенденции тестирования аналоговых
и смешанных микросхем ...............................................................483
10.8.
Технологии зондового контроля кристаллов на пластинах ...................487
10.8.1.
Особенности технологий зондового контроля кристаллов
на пластинах ...................................................................................487
10.8.2.
Особенности технологии изготовления зондов для испытаний
микросхем на пластинах ................................................................495
10.9.
Тестирование микроэлектронных изделий на уровне системы .............510
10.9.1.
Введение .........................................................................................510
10.9.2.
Тенденции к введению SLT ............................................................512
10.9.3.
Концепции и технологии реализации SLT ....................................513
10.9.4.
Основные проблемы при использовании SLT и пути
их решения .....................................................................................517
10.9.5.
Методы улучшения технологий SLT ..............................................518
10.9.6.
Перспективы развития новых приложений технологии SLT .......523
Глава 11. Базовое технологическое оборудование для сборки микросхем ..........526
11.1.
Базовое технологическое оборудование иностранных
производителей ........................................................................................526
11.1.1.
Сборка микросхем и МЭМС ..........................................................526
11.1.2.
Герметизация металлокерамических корпусов .............................530
11.1.3.
Сборка компонентов по технологии flip-chip ...............................532
11.2.
Базовое технологическое оборудование отечественных
производителей ........................................................................................535
11.2.1.
Установка вибрационной эвтектической пайки кристаллов
ЭМ-4075А-1 ...................................................................................535
11.2.2.
Установка присоединения выводов методом ультразвуковой
сварки ЭМ-4341 .............................................................................537
11.2.3.
Установка присоединения выводов ЭМ-4341-1 ............................538
11.2.4.
Многофункциональная автоматическая установка
многоуровневого присоединения выводов ЭМ-4550 ...................540
10
Содержание
11.2.5.
Установки монтажа на клей кристаллов монтажа
ЭМ-4605-3 ......................................................................................543
11.2.6.
Автоматизированная установка контроля прочности
ЭМ-6705 .........................................................................................545
11.2.7.
Автоматическая установка присоединения выводов
ЭМ-4520 методом «клин – клин» для систем в корпусе ..............547
11.2.8.
Многофункциональная установка монтажа и контроля
выводов ЭМ-6705М .......................................................................548
11.2.9.
Автоматическая установка монтажа кристаллов
для 2,5D-интеграции ЭМ-4615 .....................................................551
Используемые термины и обозначения ....................................................................554
Предисловие
Предлагаемая вниманию читателей книга ориентирована на достаточно широкую
аудиторию – от студентов, аспирантов и преподавателей технических вузов, спе-
циализирующихся в области микроэлектроники, до инженеров – разработчиков
микросхем и электронных систем на их основе, инженеров-технологов сборочных
производств, сотрудников исследовательских лабораторий и академических инсти-
тутов, руководителей предприятий радиоэлектронной отрасли.
Такой широкий диапазон целевой аудитории книги обусловлен предметом ав-
торского исследования – анализом современного состояния, тенденций, методов
и инструментов развития одного из фундаментальных направлений современной
микроэлектроники – технологий корпусирования (сборки) микросхем и полупро-
водниковых приборов.
Благодаря развитию технологий человечество постоянно продвигается к новым
вехам, называемым в технологической истории «промышленные революции». Если
первая промышленная революция ознаменовалась использованием для нужд произ-
водства энергии пара и воды, вторая – массовым распространением конвейерного
производства с применением уже электрической энергии, третья – внедрением
автоматических компьютерных систем, то век XXI характеризуется уже четвертой
промышленной революцией, получившей название «Индустрия 4.0».
Этот этап развития характеризуется очевидным усилением лидирующей роли
микроэлектроники в развитии научно-технического прогресса. Более того, в по-
следнее десятилетие микроэлектроника является и явным лидером в области
конвергенции (взаимного проникновения различных научно-технических на-
правлений), обеспечивая технологический базис (основу) для развития различных
отраслей, начиная с энергетики, машиностроения, систем связи и навигации,
банковской системы, космического приборостроения, систем вооружения и во-
енной техники и т.д.
Обострение геополитической ситуации, бесславный конец эры глобализации
экономики, санкции и запреты на поставки высоких технологий и практически
всех типов микросхем и полупроводниковых приборов в Россию и Беларусь при-
дали новый импульс развитию отечественной микроэлектроники. Только развитие
собственного производства микроэлектронных приборов, модулей и систем может
обеспечить реальную безопасность независимого государства в целом, безопас-
ность национальной экономики и обороноспособность как основы государствен-
ности.
Правительства России и Беларуси, понимая приоритетность решения этой
задачи для обеспечения национальной безопасности, ежегодно выделяют не-
обходимые материальные и финансовые ресурсы, но эти ресурсы пока не могут
обеспечить в полной мере решение одной из ключевых проблем – подготовки
инженерных кадров – специалистов по проектированию (дизайнеров) и по орга-
низации серийного производства (инженеров-технологов) современных микро-
электронных приборов.
На момент выхода в свет этой книги в высших учебных заведениях России
и Беларуси, имеющих собственное полупроводниковое производство и со-
12 Предисловие
ответствующую инфраструктуру (вузы, исследовательские центры, академические
институты), ведется целевая подготовка студентов, аспирантов и магистрантов бо-
лее чем по 50 специальностям, непосредственно связанным с полупроводниковой
промышленностью.
В зависимости от основной специализации по будущему месту работы молодого
специалиста в области микроэлектроники все известные учебные курсы ориентиро-
ваны на две условные категории: инженеры-технологи и инженеры-разработчики.
Это деление весьма условно, но широко используется в практической деятельности.
Так, инженеры-технологи обычно занимаются разработкой технологических марш-
рутов и непосредственно организацией управления технологическими процессами
в серийном производстве, а инженеры-разработчики (дизайнеры) занимаются
проектированием различных полупроводниковых изделий, которые затем будут
изготовлены в этом серийном производстве.
Как показывает опыт авторов, много лет работающих в полупроводниковой
отрасли, после получения диплома вуза бывшему студенту необходимо проработать
в коллективе не менее 3–4 лет, чтобы стать инженером-разработчиком, способным
самостоятельно выполнять проекты по разработке интегральных микросхем сред-
ней степени сложности.
А чтобы стать действительно квалифицированным инженером-технологом,
способным самостоятельно решать вопросы увеличения процента выхода годных
изделий, повышения их надежности, разработки новых технологических марш-
рутов изготовления современных микроэлектронных изделий, требуется 5–7 лет
практической работы в коллективе после окончания вуза.
Такая ситуация обусловлена двумя основными факторами – спецификой
профессии инженера-технолога и недостатком адекватных тематике учебников и
учебных пособий
Особенность профессии заключается в том, что квалифицированному специ-
алисту в этой сфере действительно необходимо обладать исключительно широким
кругозором знаний – физики твердого тела, химии (электрохимия, плазмохимия),
математики, физики, электротехники, оптики, теории планирования многофак-
торных экспериментов при поиске оптимальных условий, современных методов
математического и статистического анализа, владеть практическими навыками
применений сложного аналитического оборудования (ИК-спектрометрия, оже-
спектрометрия, растровая электронная микроскопия, эллипсометрия, атомная
силовая микроскопия) и многим другим.
Однако общим для всех этих различных групп и специализаций инженеров
является то, что все они должны глубоко понимать суть выполняемых процессов,
знать физические принципы построения и особенности работы многочисленного
технологического и испытательного оборудования, хорошо разбираться в аналити-
ческом оборудовании и современных методах анализа, хорошо знать и использовать
в своей работе основные физические модели многочисленных технологических
операций.
В качестве наиболее удачного примера зарубежного учебного пособия для
студентов и специалистов в области полупроводниковой технологии можно при-
вести фундаментальный труд Semiconductors: Technical Information, Technologies and
Предисловие 13
Characteristic Data, опубликованный издательством Wiley в Германии в 2000 г. и вы-
державший более десяти актуализированных изданий.
Это издание было подготовлено штаб-квартирой одного из мировых лидеров
в области полупроводниковой технологии и ее применений – фирмы Infinion
Technologies AG, и представляет собой фактически универсальное справочное по-
собие для ученых и инженеров, специализирующихся в области высоких техноло-
гий полупроводниковых изделий, состоящее из отдельных глав по конкретным
направлениям, подготовленных большим автор ским коллективом ученых и
специалистов с мировым именем под общей редакцией председателя правления
этой крупнейшей международной корпорации профессора Ульриха Шумахера.
Несомненным достоинством этой книги является то, что авторы в пределах одной,
хотя и достаточно объемной монографии сумели талантливо изложить в ней все
современные тенденции, веяния и достижения в области полупроводниковых
технологий.
Очевидно, что в рамках только одного учебника или учебного пособия прак-
тически невозможно охватить все аспекты знаний, необходимых для подготовки
как инженера-дизайнера, так и инженера-технолога.
Поэтому по нашей инициативе в 2020 г. в издательстве «Техносфера» вы-
шла в свет книга «Основы проектирования субмикронных микросхем» (авторы
Белоус А.И., Красников Г.Я и Солодуха В.А.), материалы которой широко ис-
пользуются в учебных курсах по подготовке будущих отечественных инженеров-
дизайнеров. С разрешения авторов в 2021 г. эта книга была издана на английском
языке в авторитетном международном издательстве Springer Nature под назва-
нием The Art and Science of Microelectronic Circuits Design (https://link.springer.com/
book/10.1007/978-3-030-89854-0) и в 2022 году по лицензированному соглашению
была опубликована издательством Пекинского технологического университета на
китайском языке.
В 2007 году в издательстве «Техносфера» вышла книга А. Медведева «Сборка
и монтаж электронных устройств», посвященная описанию технологических
процессов, материалов и оборудования, используемых в сборочно-монтажном
производстве, которая была предназначена в первую очередь для начинающих
специалистов и студентов технических вузов по специальности «конструирова-
ние и технология производства электронной аппаратуры». Эта книга приобрела
достаточно широкую популярность у читателей, поскольку была написана по
материалам зарубежной периодической печати, международных конференций и,
что важно, по результатам опыта работы наиболее высокотехнологичных на тот
момент предприятий отрасли.
За прошедший период появились новые технологии сборки и монтажа, но-
вые конструкции корпусов, новые материалы, а главное – существенно выросли
трудоемкость и сложность новых техпроцессов, их стоимость. Так, в зависимости
от назначения микросхемы и использованной технологии корпусирования доля
стоимости сборочных операций может достигать 30% и более в себестоимости
конечного изделия.
Специалисты в этой области различают два термина – «монтаж кристалла» и
«сборка микросхемы».
14 Предисловие
Монтаж и сборка – это часть общего технологического процесса изготовления
микросхемы, в результате которого получают готовую конструкцию микросхемы,
т.е. готовое изделие.
Процессы операции монтажа и сборки являются наиболее трудоемкими в
технологии производства микросхемы. Если при изготовлении кристаллов широ-
ко применяются высокопроизводительные групповые методы, то при монтаже и
сборке оперируют с каждой отдельной микросхемой.
Технологическим процессом монтажа кристаллов обычно называют совокуп-
ность операций по ориентированному разделению пластин и подложек со сфор-
мированными элементами на отдельные кристаллы или платы, присоединение их
на основаниях корпусов, посадочных площадках выводных рамок и т.д.
Технологическим процессом сборки микросхем и модулей называют совокуп-
ность операций, направленных на получение электрических соединений контакт-
ных площадок кристалла со следующим коммутирующим уровнем, т.е. с выводами
рамок, гибких носителей, оснований корпусов, либо с контактными площадками
подложек плат с последующей герметизацией (защитой кристалла от внешних
воздействующих факторов). Различают герметизацию оснований корпусов с ис-
пользованием крышки – микросхема со свободным внутренним объемом либо бес-
корпусная – формирование защитных покрытий путем заливки смонтированного
кристалла (как правило, его рабочей поверхности) специальным герметизирующим
покрытием (герметиком).
В России имеется достаточно широкий круг отечественных монографий,
справочников, учебников и учебных пособий по определенным направлениям и
областям развития современных микроэлектронных технологий, ежегодно только
в отечественной печати выходит более сотни научных статей, посвященных отдель-
ным актуальным аспектам развития полупроводниковых технологий.
В частности, можно привести фундаментальную монографию «Конструктивно-
технологические особенности субмикронных МОП-транзисторов» (Красников Г.Я.,
издание 2-е, исправленное. Москва: Техносфера, 2011. – 800 с.), в которой были
детально рассмотрены особенности работы субмикронных МОП-транзисторов,
технология формирования под затворных диэлектриков, механизмы влияния техно-
логических процессов изготовления (ионного легирования, плазменной об работки,
переноса изображения) на деградацию подзатворного диэлектрика, различные
конструкции современных субмикронных МОП-транзисторов.
Понятно, что современную технологию сборки и современную конструкцию
корпусов может разработать только инженер, владеющий всеми современными
технологическими знаниями в этой сфере науки и техники и изучивший практи-
чески опыт «старших товарищей». А эти знания инженер, студент, преподаватель
может получить только двумя путями – передачей опыта от «старших товарищей»
и изучением соответствующей научно-практической и учебно-методической
литературы.
По понятным причинам (жесткая конкуренция на мировом рынке производите-
лей корпусов, санкционные ограничения) подобные публикации обычно являются
«документами для внутрифирменного пользования», а «старшее поколение», к
сожалению, не владеет всеми ноу-хау современных технологий сборки.
Предисловие 15
Более того, сегодня на первый план выходит новая проблема – тестирование
современных сложнофункциональных микросхем, систем на кристалле и систем в
корпусе. В отечественной литературе пока нет серьезных публикаций, посвященных
концепциям, методам и инструментам тестирования таких устройств.
Поэтому авторы настоящей фундаментальной монографии поставили перед со-
бой амбициозную цель – на основании сбора, систематизации и анализа отечествен-
ной и зарубежной научно-технической информации подготовить книгу, которая
являлась бы одновременно и аналитическим обзором лучших мировых достижений
в этой области микроэлектроники, и практическим руководством/справочником
(настольной книгой) для инженеров – технологов серийного производства, и учеб-
но-методическим пособием для студентов и преподавателей профильных вузов.
Насколько авторам удалось справиться с этой комплексной проблемой, решать
читателям.
Материал книги предоставлен в виде 11 тематических глав, последовательно
описывающих основные этапы технологического маршрута корпусирования – от
этапа формирования многоуровневой металлизации на кристалле до герметизации
и выходного тестирования микросхем.
Глава 1 посвящена описанию особенностей технологии формирования много-
уровневой металлизации на кристалле микросхем, поскольку именно от уровня
качества формирования этой металлизации во многом зависит и качество после-
дующих операций сборки.
ГВ главе 2 детально описываются технологии разделения пластин на кристаллы
и их подготовки к последующему корпусированию (микромонтажу).
Глава 3 посвящена описанию наиболее распространенных в мире технологий
пайки и сварки полупроводниковых приоров и микросхем. Кроме теоретических ос-
нов здесь приведены конкретные практические рекомендации – вплоть до указания
типов оборудования и режимов пайки и сварки, даны конкретные рекомендации
по выбору припоев, флюсов и т.д.
В главе 4 рассматриваются различные методы и технологии защиты арматуры
на сборочных операциях в условиях серийного производства.
Глава 5 посвящена особенностям технологии герметизации корпусов микросхем.
Здесь детально рассмотрены технологические маршруты герметизации корпусов
сваркой, пайкой, пластмассами, различные варианты бескорпусной герметизации.
Особое внимание уделено методам решения актуальной проблемы контроля гер-
метичности корпусов и причинам приборов.
В главе 6 детально рассмотрены основные конструктивно-технологические
характеристики и методы формирования различных типов корпусов для изделий
интегральной электроники, включая методические рекомендации по построению
систем оценки и управления качеством микросхем, анализ достоинств и недостатков
технологий изготовления различных типов корпусов.
Глава 7 носит обзорный характер и посвящена теоретическим и практическим
аспектам реализации базовых технологий микромонтажа современных микро-
электронных устройств.
Глава 8 посвящена вопросам конструирования и технологии изготовления
различных полупроводниковых силовых модулей, а также описанию технических
16 Предисловие
характеристик базового технологического оборудования, необходимого для орга-
низации их серийного производства.
В главе 9 изложены теоретические основы методов прецизионного измере-
ния одного из важнейших контролируемых параметров микросхем – теплового
сопротивления. Здесь же приведено описание наиболее широко используемых в
производстве экспериментальных методов измерения теплового сопротивления.
Впервые в отечественной научно-технической литературе описаны концепции,
методы, инструменты и оборудование для калибровки испытуемых устройств в
диапазоне температур.
Также впервые в отечественном издании здесь подробно рассмотрены современ-
ные методы измерения теплового сопротивления для гибридных и микрокристаль-
ных компонентов на основе принципа линейной суперпозиции, указаны основные
источники погрешностей и даны рекомендации по их снижению и компенсации.
В главе 10 также впервые в отечественной научно-технической печати на основе
данных дорожной карты гетерогенной интеграции IEEE детально рассмотрены
концепции, технологии, методы и инструменты тестирования собранных в корпус
микросхем, систем в корпусе и систем на пластине.
В главе 11 приведены технические характеристики основных типов зарубеж-
ного и отечественного оборудования, которое применяется на этапах финишной
сборки полупроводниковых приборов и микросхем различного функционального
назначения.
Благодарности
Авторы выражают искреннюю благодарность рецензентам – академику Нацио-
нальной академии наук Беларуси, избранному иностранному члену Российской
академии наук Лабунову В.А. и заместителю генерального директора НИИМЭ
д.т.н. Эннсу В.И., а также первому заместителю генерального директора холдинга
«ИНТЕГРАЛ» Дудкину А.И., д.т.н., профессору БГУИР Ланину В.Л., заместителю
главного технолога по сборке холдинга «ИНТЕГРАЛ» Герасимову В.А., критические
замечания и полезные советы которых во многом способствовали появлению книги
именно в этом формате.
Авторы также выражают благодарность к.т.н. Наливайко О.Ю., директору ОАО
«Планар-СО» Середе А.М., начальнику НТЦ сборочного оборудования, к.т.н.
Петухову И.Б. и ведущему специалисту фирмы «ДМТ Трейдинг» Тараканову Н.Н.
за предоставленные оригинальные текстовые и графические материалы, которые
были использованы при написании этой книги, а также Перепелице Д.В. и Кар-
ташовой Е.Н. за помощь в подготовке материалов к печати.
ÃËÀÂÀ 1
ÎÑÍÎÂÛ ÒÅÕÍÎËÎÃÈÈ ÔÎÐÌÈÐÎÂÀÍÈß
ÌÍÎÃÎÓÐÎÂÍÅÂÎÉ ÌÅÒÀËËÈÇÀÖÈÈ
В основу этой главы положены материалы, предоставленные авторам
к.т.н. Наливайко О.Ю. (ОАО «ИНТЕГРАЛ», г. Минск)
1.1. Краткая история развития технологии
формирования многоуровневой металлизации
интегральных микросхем
Каждое новое поколение микросхем сопровождалось процессом уменьшения гео-
метрических размеров базовых элементов, что позволяло обеспечивать постоян-
ное увеличение количества функций интегральной схемы. Уменьшение размеров
базовых элементов (транзисторов, резисторов, конденсаторов) повлекло за собой
решение целого комплекса задач, связанных с необходимостью поиска новых
способов создания электрических соединений элементов в схеме и использования
большого количества слоев (уровней) металлических проводников, соединенных
между собой определенным образом. Структура современной системы металлиза-
ции микрос хем показана на рис. 1.1.
Различают шесть основных типов многоуровневой металлизации [1]:
– контактную систему к полупроводниковым областям;
– межсоединения;
Контакт к поликремнию
Пассивация
Третий уровень металлизации
Межуровневый контакт
Второй уровень металлизации
Межуровневый диэлектрик
Первый уровень металлизации
Контакт к кремнию
Рис. 1.1. Структура многоуровневой металлизации микросхемы
18 Глава 1. Основы технологии формирования многоуровневой металлизации
– слои межуровневого диэлектрика;
– межуровневые контакты;
– слой пассивации;
– контактные площадки.
Контактная система металлизации представляет собой совокупность омических
и выпрямляющих контактов к монокристаллическому и поликристаллическому
кремнию.
Межсоединения – это проводящие дорожки, состоящие из одного или несколь-
ких слоев металлических пленок и располагающиеся на одном или нескольких
уровнях системы металлизации.
Межуровневый диэлектрик – материал, электрически разделяющий межсоеди-
нения различных уровней.
Межуровневые контакты – это локальные контакты между проводниками со-
седних уровней, выполненные в слоях межуровневого диэлектрика.
Слой пассивации представляет собой диэлектрический слой, защищающий про-
водники верхнего уровня межсоединений.
Контактные площадки – расположенные по периферии кристалла участки
верхнего уровня разводки, обеспечивающие электрическую связь внутренней ме-
таллической разводки кристалла с внешними соединениями (корпусом).
Исторический период развития системы металлизации кремниевых интеграль-
ных схем можно условно разделить на четыре основных этапа.
На первом этапе металлизация ИС была одноуровневой и основу ее составлял
только один материал – алюминий (рис. 1.2). Для исключения обрывов металлизации
на рельефе активной структуры тогда использовалась операция планаризации рельефа
методом оплавлен ия легированных стекол – борофосфоросиликатного стекла (БФСС).
На втором исторческом этапе развития появляется многоуровневая металли-
зация, в которой несколько уровней (слоев) металла разделяются межуровневым
(межслойным) диэлектриком. Уровни металла соединяются между собой меж-
уровневыми контактами. Для улучшения качества второго и последующих уровней
металлизации и облегчения процессов формирования микрорисунка в этих слоях
используется специальная технология планаризации межуровневого диэлектрика
полиимидом или жидкими стеклами (Spin on Glass). Такие методы планаризации
позволяют сгладить рельеф в узких зазорах между элементами микросхемы (микро-
рельеф), при этом макрорельеф поверхности остается прежним (рис. 1.3). По такой
базовой технологии можно формировать не более трех уровней металлизации.
Контакт к кремнию
Кремний
Металл
ПКК
ПКК
Локальный окисел
Рис. 1.2. Одноуровневая металлизация на основе алюминия
1.1. Краткая история развития технологии формирования многоуровневой 19
металлизации интегральных микросхем
Поскольку при этих методах планаризации макрорельеф поверхности сохраня-
ется, это не приводит к существенным различиям в толщине межуровневого диэ-
лектрика в области межуровневых контактов и позволяет формировать контакты.
Существенной проблемой при использовании методов планаризации меж-
уровневого диэлектрика полиимидом или жидкими стеклами является сильная
зависимость характеристик процесса планаризации от топологических размеров
металлических проводников и зазоров между ними. Эта проблема обычно решается
путем разработки специальных правил проектирования топологии интегральных
микросхем, в частности использованием регулярной структуры топологии с че-
редованием металлических проводников и зазоров одинакового размера, что на
практике не всегда представляется возможным.
Еще одна проблема такой технологии – наличие органических компонентов
в полиимидах и жидких стеклах, что может вызывать деградацию межуровневых
контактов и нарушения в структуре межуровневых диэлектриков.
На этом этапе развития технологии глубина залегания p-n-переходов относи-
тельно поверхности было существенно уменьшена. Для исключения деградаци-
онных явлений в контактах к мелкозалегающим p-n-переходам использовались
контактные слои силицидов металлов, а также адгезионные и барьерные слои
тугоплавких металлов, задачей которых являлось исключение взаимодействий
алюминия со слоями силицидов, кремния, а также планаризирующими слоями
полиимидов и жидких стекол.
Значительным шагом вперед по пути совершенствования многоуровневой метал-
лизации явилось создание технологии планаризации диэлектрика химико-механиче-
ской полировкой, которая фактически ликвидирует как микро-, так и макрорельеф
поверхности, хотя при этом возникает значительная разница в глубинах контактов
к кремнию и слоям поликремния. А именно: контакты к кремнию становятся очень
«глубокими». Для заполнения таких «глубоких» контактов потребовалось создание
новой технологии формирования вольфрамовых «столбиков» в контактах (глава 6)
и специальные методы напыления контактных и барьерных слоев металлов и со-
единений, например когерентное или ионизированное магнетронное напыление
или же методы осаждения металлических пленок из газовой фазы.
Кремний
Силицид
Второй уровень металла
Первый уровень
металла
Межуровневый контакт
Слой оплавленного стекла
ПКК
Макрорельеф
поверхности
Спланированный
микрорельеф
ПКК
Локальный окисел
Рис. 1.3. Двухуровневая металлизация с планаризацией межуровневого диэлектрика
жидким стеклом
20 Глава 1. Основы технологии формирования многоуровневой металлизации
Технология химико-механической полировки диэлектриков в сочетании с
вольфрамовыми «столбиками» (рис. 1.4) теоретически позволяет формировать
сколь угодно много уровней ме таллизации. На практике количество уровней огра-
ничивается дефектностью слоя, то есть технико-экономической эффективностью
производства микросхем.
Если на всех первых трех этапах развития основным материалом межсоедине-
ний являлся алюминий, то на четвертом этапе при уменьшении проектных норм
до 0,25 мкм и менее алюминий заменялся медью для уменьшения сопротивления
межсоединений и повышения быстродействия интегральных микросхем. Исполь-
зование меди потребовало существенного изменения технологических методов
формирования элементов многоуровневой металлизации, часть из этих методов
будут рассмотрены ниже.
1.2. Основные требования к многоуровневой
металлизации
Основным требованием к внутренним электрическим межсоединениям является
обеспечение минимального времени распространения сигнала в цепях микро схем.
Кремний
Силицид
Второй уровень металла
Первый уровень металла
Межуровневый контакт
(вольфрамовый столбик)
ПКК
ПКК
Разно&
высотность
контактов
Спланированный
диэлектрик
Спланированный диэлектрик
Локальный окисел
Рис. 1.4. Структура многоуровневой металлизации с планаризацией межуровневого
диэлектрика химико-механической полировкой (ХМП)
Диэлектрик Металл
R
W
LS
C
L
H
Рис. 1.5. Паразитные сопротивления и емкости в системе межсоединий интегральных
микросхем
1.2. Основные требования к многоуровневой металлизации 21
Дело в том, что в системе металлических проводников возникают дополнительные
(паразитные) элементы – сопротивления (R) и емкости (С), как упрощенно по-
казано на рис. 1.5.
Величина времени задержки сигнала в этом случае пропорциональна произ-
ведению R · C. Величина паразитного сопротивления определяется выражением
(1.1)
где ρ – удельное сопротивление металла; L, W, H – соответственно длина, ширина
и толщина металлического проводника.
Величина паразитной емкости определяется выражением
(1.2)
где ε – диэлектрическая постоянная диэлектрика; LS – ширина зазора между про-
водниками.
Тогда величину задержки распространения сигнала (τ) на проводниках метал-
лизации межсоединений можно определить из выражения
(1.3)
Поэтому для обеспечения требуемого уровня быстродействия интегральных
микросхем необходимо использовать:
– минимальное удельное сопротивление металлических проводников;
– минимальную длину линий металлических проводников;
– минимальное значение диэлектрической постоянной материала межуров-
невого диэлектрика;
– достаточно высокую температуру плавления материалов проводниковых
соединений.
Кроме того, необходимо, чтобы используемые материалы удовлетворяли целому
ряду дополнительных требований, а именно:
– высокая стойкость к электромиграции;
– механическая стабильность и высокая адгезия к сопрягаемым технологиче-
ским слоям (например к слоям межуровневого диэлектрика);
– согласованные с сопрягаемыми технологическими слоями коэффициенты
термического расширения, малые остаточные напряжения и стойкость к
стресс-миграции;
– стойкость к коррозии и низкая химическая активность;
– совместимость с сопрягаемыми технологическими слоями и процессами их
формирования;
– экологическая безопасность материалов и процессов в производстве и ути-
лизации.
Основные свойства некоторых металлов, применяемых в производстве инте-
гральных микросхем для создания проводников, приведены в табл. 1.1.
22 Глава 1. Основы технологии формирования многоуровневой металлизации
Таблица 1.1. Свойства металлов, используемых в процессе формирования металлизации интегральных
микросхем [2]
Металлы и их свойства Cu Ag Au Al W
Удельное сопротивление, мкОм·см 1,67 1,59 2,35 2,66 5,65
Модуль Юнга, 10–11 дин/см2 12,98 8,27 7,85 7,06 41,1
Уде льная теплопроводность, Вт/см 3,98 4,25 3,15 2,358 1,74
Коэффициент термического расширения,
106/°C 17 19,1 14,2 23,5 4,5
Температура плавления, °C 1085 962 1064 660 3387
Теплоемкость, Дж·кг–1·К–1 38 234 132 917 138
Коррозионная стойкость Плохая Плохая Отличная Хорошая Хорошая
Адгезия к SiО2 Плохая Плохая Плохая Хорошая Плохая
Термические напряжения на Si, 107 дин/см2/°C 2,5 1, 9 1,2 2,1 0,8
1.3. Особенности технологии формирования
металлизации на основе алюминия
Алюминий многие годы оставался одновременно и контактным материалом к по-
лупроводнику, и материалом межсоединений в силу целого ряда ценных свойств,
среди которых можно выделить [1]:
– низкое удельное сопротивление (2,65 мкОм·см);
– хорошую адгезию к диэлектрикам;
– достаточно высокую коррозионную стойкость благодаря пассивирующему
его оксиду;
– способность образовывать низкоомные невыпрямляющие контакты с р+-
и n+-Si.
Недостатки алюминия определяются особенностями его физико-химического
взаимодействия со слоями Si и SiО2:
– активное взаимодействие с кремнием в области контактного ок
Предлагаемая вниманию читателей книга ориентирована на достаточно широкую
аудиторию – от студентов, аспирантов и преподавателей технических вузов, спе-
циализирующихся в области микроэлектроники, до инженеров – разработчиков
микросхем и электронных систем на их основе, инженеров-технологов сборочных
производств, сотрудников исследовательских лабораторий и академических инсти-
тутов, руководителей предприятий радиоэлектронной отрасли.
Такой широкий диапазон целевой аудитории книги обусловлен предметом ав-
торского исследования – анализом современного состояния, тенденций, методов
и инструментов развития одного из фундаментальных направлений современной
микроэлектроники – технологий корпусирования (сборки) микросхем и полупро-
водниковых приборов.
Благодаря развитию технологий человечество постоянно продвигается к новым
вехам, называемым в технологической истории «промышленные революции». Если
первая промышленная революция ознаменовалась использованием для нужд произ-
водства энергии пара и воды, вторая – массовым распространением конвейерного
производства с применением уже электрической энергии, третья – внедрением
автоматических компьютерных систем, то век XXI характеризуется уже четвертой
промышленной революцией, получившей название «Индустрия 4.0».
Этот этап развития характеризуется очевидным усилением лидирующей роли
микроэлектроники в развитии научно-технического прогресса. Более того, в по-
следнее десятилетие микроэлектроника является и явным лидером в области
конвергенции (взаимного проникновения различных научно-технических на-
правлений), обеспечивая технологический базис (основу) для развития различных
отраслей, начиная с энергетики, машиностроения, систем связи и навигации,
банковской системы, космического приборостроения, систем вооружения и во-
енной техники и т.д.
Обострение геополитической ситуации, бесславный конец эры глобализации
экономики, санкции и запреты на поставки высоких технологий и практически
всех типов микросхем и полупроводниковых приборов в Россию и Беларусь при-
дали новый импульс развитию отечественной микроэлектроники. Только развитие
собственного производства микроэлектронных приборов, модулей и систем может
обеспечить реальную безопасность независимого государства в целом, безопас-
ность национальной экономики и обороноспособность как основы государствен-
ности.
Правительства России и Беларуси, понимая приоритетность решения этой
задачи для обеспечения национальной безопасности, ежегодно выделяют не-
обходимые материальные и финансовые ресурсы, но эти ресурсы пока не могут
обеспечить в полной мере решение одной из ключевых проблем – подготовки
инженерных кадров – специалистов по проектированию (дизайнеров) и по орга-
низации серийного производства (инженеров-технологов) современных микро-
электронных приборов.
На момент выхода в свет этой книги в высших учебных заведениях России
и Беларуси, имеющих собственное полупроводниковое производство и со-
12 Предисловие
ответствующую инфраструктуру (вузы, исследовательские центры, академические
институты), ведется целевая подготовка студентов, аспирантов и магистрантов бо-
лее чем по 50 специальностям, непосредственно связанным с полупроводниковой
промышленностью.
В зависимости от основной специализации по будущему месту работы молодого
специалиста в области микроэлектроники все известные учебные курсы ориентиро-
ваны на две условные категории: инженеры-технологи и инженеры-разработчики.
Это деление весьма условно, но широко используется в практической деятельности.
Так, инженеры-технологи обычно занимаются разработкой технологических марш-
рутов и непосредственно организацией управления технологическими процессами
в серийном производстве, а инженеры-разработчики (дизайнеры) занимаются
проектированием различных полупроводниковых изделий, которые затем будут
изготовлены в этом серийном производстве.
Как показывает опыт авторов, много лет работающих в полупроводниковой
отрасли, после получения диплома вуза бывшему студенту необходимо проработать
в коллективе не менее 3–4 лет, чтобы стать инженером-разработчиком, способным
самостоятельно выполнять проекты по разработке интегральных микросхем сред-
ней степени сложности.
А чтобы стать действительно квалифицированным инженером-технологом,
способным самостоятельно решать вопросы увеличения процента выхода годных
изделий, повышения их надежности, разработки новых технологических марш-
рутов изготовления современных микроэлектронных изделий, требуется 5–7 лет
практической работы в коллективе после окончания вуза.
Такая ситуация обусловлена двумя основными факторами – спецификой
профессии инженера-технолога и недостатком адекватных тематике учебников и
учебных пособий
Особенность профессии заключается в том, что квалифицированному специ-
алисту в этой сфере действительно необходимо обладать исключительно широким
кругозором знаний – физики твердого тела, химии (электрохимия, плазмохимия),
математики, физики, электротехники, оптики, теории планирования многофак-
торных экспериментов при поиске оптимальных условий, современных методов
математического и статистического анализа, владеть практическими навыками
применений сложного аналитического оборудования (ИК-спектрометрия, оже-
спектрометрия, растровая электронная микроскопия, эллипсометрия, атомная
силовая микроскопия) и многим другим.
Однако общим для всех этих различных групп и специализаций инженеров
является то, что все они должны глубоко понимать суть выполняемых процессов,
знать физические принципы построения и особенности работы многочисленного
технологического и испытательного оборудования, хорошо разбираться в аналити-
ческом оборудовании и современных методах анализа, хорошо знать и использовать
в своей работе основные физические модели многочисленных технологических
операций.
В качестве наиболее удачного примера зарубежного учебного пособия для
студентов и специалистов в области полупроводниковой технологии можно при-
вести фундаментальный труд Semiconductors: Technical Information, Technologies and
Предисловие 13
Characteristic Data, опубликованный издательством Wiley в Германии в 2000 г. и вы-
державший более десяти актуализированных изданий.
Это издание было подготовлено штаб-квартирой одного из мировых лидеров
в области полупроводниковой технологии и ее применений – фирмы Infinion
Technologies AG, и представляет собой фактически универсальное справочное по-
собие для ученых и инженеров, специализирующихся в области высоких техноло-
гий полупроводниковых изделий, состоящее из отдельных глав по конкретным
направлениям, подготовленных большим автор ским коллективом ученых и
специалистов с мировым именем под общей редакцией председателя правления
этой крупнейшей международной корпорации профессора Ульриха Шумахера.
Несомненным достоинством этой книги является то, что авторы в пределах одной,
хотя и достаточно объемной монографии сумели талантливо изложить в ней все
современные тенденции, веяния и достижения в области полупроводниковых
технологий.
Очевидно, что в рамках только одного учебника или учебного пособия прак-
тически невозможно охватить все аспекты знаний, необходимых для подготовки
как инженера-дизайнера, так и инженера-технолога.
Поэтому по нашей инициативе в 2020 г. в издательстве «Техносфера» вы-
шла в свет книга «Основы проектирования субмикронных микросхем» (авторы
Белоус А.И., Красников Г.Я и Солодуха В.А.), материалы которой широко ис-
пользуются в учебных курсах по подготовке будущих отечественных инженеров-
дизайнеров. С разрешения авторов в 2021 г. эта книга была издана на английском
языке в авторитетном международном издательстве Springer Nature под назва-
нием The Art and Science of Microelectronic Circuits Design (https://link.springer.com/
book/10.1007/978-3-030-89854-0) и в 2022 году по лицензированному соглашению
была опубликована издательством Пекинского технологического университета на
китайском языке.
В 2007 году в издательстве «Техносфера» вышла книга А. Медведева «Сборка
и монтаж электронных устройств», посвященная описанию технологических
процессов, материалов и оборудования, используемых в сборочно-монтажном
производстве, которая была предназначена в первую очередь для начинающих
специалистов и студентов технических вузов по специальности «конструирова-
ние и технология производства электронной аппаратуры». Эта книга приобрела
достаточно широкую популярность у читателей, поскольку была написана по
материалам зарубежной периодической печати, международных конференций и,
что важно, по результатам опыта работы наиболее высокотехнологичных на тот
момент предприятий отрасли.
За прошедший период появились новые технологии сборки и монтажа, но-
вые конструкции корпусов, новые материалы, а главное – существенно выросли
трудоемкость и сложность новых техпроцессов, их стоимость. Так, в зависимости
от назначения микросхемы и использованной технологии корпусирования доля
стоимости сборочных операций может достигать 30% и более в себестоимости
конечного изделия.
Специалисты в этой области различают два термина – «монтаж кристалла» и
«сборка микросхемы».
14 Предисловие
Монтаж и сборка – это часть общего технологического процесса изготовления
микросхемы, в результате которого получают готовую конструкцию микросхемы,
т.е. готовое изделие.
Процессы операции монтажа и сборки являются наиболее трудоемкими в
технологии производства микросхемы. Если при изготовлении кристаллов широ-
ко применяются высокопроизводительные групповые методы, то при монтаже и
сборке оперируют с каждой отдельной микросхемой.
Технологическим процессом монтажа кристаллов обычно называют совокуп-
ность операций по ориентированному разделению пластин и подложек со сфор-
мированными элементами на отдельные кристаллы или платы, присоединение их
на основаниях корпусов, посадочных площадках выводных рамок и т.д.
Технологическим процессом сборки микросхем и модулей называют совокуп-
ность операций, направленных на получение электрических соединений контакт-
ных площадок кристалла со следующим коммутирующим уровнем, т.е. с выводами
рамок, гибких носителей, оснований корпусов, либо с контактными площадками
подложек плат с последующей герметизацией (защитой кристалла от внешних
воздействующих факторов). Различают герметизацию оснований корпусов с ис-
пользованием крышки – микросхема со свободным внутренним объемом либо бес-
корпусная – формирование защитных покрытий путем заливки смонтированного
кристалла (как правило, его рабочей поверхности) специальным герметизирующим
покрытием (герметиком).
В России имеется достаточно широкий круг отечественных монографий,
справочников, учебников и учебных пособий по определенным направлениям и
областям развития современных микроэлектронных технологий, ежегодно только
в отечественной печати выходит более сотни научных статей, посвященных отдель-
ным актуальным аспектам развития полупроводниковых технологий.
В частности, можно привести фундаментальную монографию «Конструктивно-
технологические особенности субмикронных МОП-транзисторов» (Красников Г.Я.,
издание 2-е, исправленное. Москва: Техносфера, 2011. – 800 с.), в которой были
детально рассмотрены особенности работы субмикронных МОП-транзисторов,
технология формирования под затворных диэлектриков, механизмы влияния техно-
логических процессов изготовления (ионного легирования, плазменной об работки,
переноса изображения) на деградацию подзатворного диэлектрика, различные
конструкции современных субмикронных МОП-транзисторов.
Понятно, что современную технологию сборки и современную конструкцию
корпусов может разработать только инженер, владеющий всеми современными
технологическими знаниями в этой сфере науки и техники и изучивший практи-
чески опыт «старших товарищей». А эти знания инженер, студент, преподаватель
может получить только двумя путями – передачей опыта от «старших товарищей»
и изучением соответствующей научно-практической и учебно-методической
литературы.
По понятным причинам (жесткая конкуренция на мировом рынке производите-
лей корпусов, санкционные ограничения) подобные публикации обычно являются
«документами для внутрифирменного пользования», а «старшее поколение», к
сожалению, не владеет всеми ноу-хау современных технологий сборки.
Предисловие 15
Более того, сегодня на первый план выходит новая проблема – тестирование
современных сложнофункциональных микросхем, систем на кристалле и систем в
корпусе. В отечественной литературе пока нет серьезных публикаций, посвященных
концепциям, методам и инструментам тестирования таких устройств.
Поэтому авторы настоящей фундаментальной монографии поставили перед со-
бой амбициозную цель – на основании сбора, систематизации и анализа отечествен-
ной и зарубежной научно-технической информации подготовить книгу, которая
являлась бы одновременно и аналитическим обзором лучших мировых достижений
в этой области микроэлектроники, и практическим руководством/справочником
(настольной книгой) для инженеров – технологов серийного производства, и учеб-
но-методическим пособием для студентов и преподавателей профильных вузов.
Насколько авторам удалось справиться с этой комплексной проблемой, решать
читателям.
Материал книги предоставлен в виде 11 тематических глав, последовательно
описывающих основные этапы технологического маршрута корпусирования – от
этапа формирования многоуровневой металлизации на кристалле до герметизации
и выходного тестирования микросхем.
Глава 1 посвящена описанию особенностей технологии формирования много-
уровневой металлизации на кристалле микросхем, поскольку именно от уровня
качества формирования этой металлизации во многом зависит и качество после-
дующих операций сборки.
ГВ главе 2 детально описываются технологии разделения пластин на кристаллы
и их подготовки к последующему корпусированию (микромонтажу).
Глава 3 посвящена описанию наиболее распространенных в мире технологий
пайки и сварки полупроводниковых приоров и микросхем. Кроме теоретических ос-
нов здесь приведены конкретные практические рекомендации – вплоть до указания
типов оборудования и режимов пайки и сварки, даны конкретные рекомендации
по выбору припоев, флюсов и т.д.
В главе 4 рассматриваются различные методы и технологии защиты арматуры
на сборочных операциях в условиях серийного производства.
Глава 5 посвящена особенностям технологии герметизации корпусов микросхем.
Здесь детально рассмотрены технологические маршруты герметизации корпусов
сваркой, пайкой, пластмассами, различные варианты бескорпусной герметизации.
Особое внимание уделено методам решения актуальной проблемы контроля гер-
метичности корпусов и причинам приборов.
В главе 6 детально рассмотрены основные конструктивно-технологические
характеристики и методы формирования различных типов корпусов для изделий
интегральной электроники, включая методические рекомендации по построению
систем оценки и управления качеством микросхем, анализ достоинств и недостатков
технологий изготовления различных типов корпусов.
Глава 7 носит обзорный характер и посвящена теоретическим и практическим
аспектам реализации базовых технологий микромонтажа современных микро-
электронных устройств.
Глава 8 посвящена вопросам конструирования и технологии изготовления
различных полупроводниковых силовых модулей, а также описанию технических
16 Предисловие
характеристик базового технологического оборудования, необходимого для орга-
низации их серийного производства.
В главе 9 изложены теоретические основы методов прецизионного измере-
ния одного из важнейших контролируемых параметров микросхем – теплового
сопротивления. Здесь же приведено описание наиболее широко используемых в
производстве экспериментальных методов измерения теплового сопротивления.
Впервые в отечественной научно-технической литературе описаны концепции,
методы, инструменты и оборудование для калибровки испытуемых устройств в
диапазоне температур.
Также впервые в отечественном издании здесь подробно рассмотрены современ-
ные методы измерения теплового сопротивления для гибридных и микрокристаль-
ных компонентов на основе принципа линейной суперпозиции, указаны основные
источники погрешностей и даны рекомендации по их снижению и компенсации.
В главе 10 также впервые в отечественной научно-технической печати на основе
данных дорожной карты гетерогенной интеграции IEEE детально рассмотрены
концепции, технологии, методы и инструменты тестирования собранных в корпус
микросхем, систем в корпусе и систем на пластине.
В главе 11 приведены технические характеристики основных типов зарубеж-
ного и отечественного оборудования, которое применяется на этапах финишной
сборки полупроводниковых приборов и микросхем различного функционального
назначения.
Благодарности
Авторы выражают искреннюю благодарность рецензентам – академику Нацио-
нальной академии наук Беларуси, избранному иностранному члену Российской
академии наук Лабунову В.А. и заместителю генерального директора НИИМЭ
д.т.н. Эннсу В.И., а также первому заместителю генерального директора холдинга
«ИНТЕГРАЛ» Дудкину А.И., д.т.н., профессору БГУИР Ланину В.Л., заместителю
главного технолога по сборке холдинга «ИНТЕГРАЛ» Герасимову В.А., критические
замечания и полезные советы которых во многом способствовали появлению книги
именно в этом формате.
Авторы также выражают благодарность к.т.н. Наливайко О.Ю., директору ОАО
«Планар-СО» Середе А.М., начальнику НТЦ сборочного оборудования, к.т.н.
Петухову И.Б. и ведущему специалисту фирмы «ДМТ Трейдинг» Тараканову Н.Н.
за предоставленные оригинальные текстовые и графические материалы, которые
были использованы при написании этой книги, а также Перепелице Д.В. и Кар-
ташовой Е.Н. за помощь в подготовке материалов к печати.
ÃËÀÂÀ 1
ÎÑÍÎÂÛ ÒÅÕÍÎËÎÃÈÈ ÔÎÐÌÈÐÎÂÀÍÈß
ÌÍÎÃÎÓÐÎÂÍÅÂÎÉ ÌÅÒÀËËÈÇÀÖÈÈ
В основу этой главы положены материалы, предоставленные авторам
к.т.н. Наливайко О.Ю. (ОАО «ИНТЕГРАЛ», г. Минск)
1.1. Краткая история развития технологии
формирования многоуровневой металлизации
интегральных микросхем
Каждое новое поколение микросхем сопровождалось процессом уменьшения гео-
метрических размеров базовых элементов, что позволяло обеспечивать постоян-
ное увеличение количества функций интегральной схемы. Уменьшение размеров
базовых элементов (транзисторов, резисторов, конденсаторов) повлекло за собой
решение целого комплекса задач, связанных с необходимостью поиска новых
способов создания электрических соединений элементов в схеме и использования
большого количества слоев (уровней) металлических проводников, соединенных
между собой определенным образом. Структура современной системы металлиза-
ции микрос хем показана на рис. 1.1.
Различают шесть основных типов многоуровневой металлизации [1]:
– контактную систему к полупроводниковым областям;
– межсоединения;
Контакт к поликремнию
Пассивация
Третий уровень металлизации
Межуровневый контакт
Второй уровень металлизации
Межуровневый диэлектрик
Первый уровень металлизации
Контакт к кремнию
Рис. 1.1. Структура многоуровневой металлизации микросхемы
18 Глава 1. Основы технологии формирования многоуровневой металлизации
– слои межуровневого диэлектрика;
– межуровневые контакты;
– слой пассивации;
– контактные площадки.
Контактная система металлизации представляет собой совокупность омических
и выпрямляющих контактов к монокристаллическому и поликристаллическому
кремнию.
Межсоединения – это проводящие дорожки, состоящие из одного или несколь-
ких слоев металлических пленок и располагающиеся на одном или нескольких
уровнях системы металлизации.
Межуровневый диэлектрик – материал, электрически разделяющий межсоеди-
нения различных уровней.
Межуровневые контакты – это локальные контакты между проводниками со-
седних уровней, выполненные в слоях межуровневого диэлектрика.
Слой пассивации представляет собой диэлектрический слой, защищающий про-
водники верхнего уровня межсоединений.
Контактные площадки – расположенные по периферии кристалла участки
верхнего уровня разводки, обеспечивающие электрическую связь внутренней ме-
таллической разводки кристалла с внешними соединениями (корпусом).
Исторический период развития системы металлизации кремниевых интеграль-
ных схем можно условно разделить на четыре основных этапа.
На первом этапе металлизация ИС была одноуровневой и основу ее составлял
только один материал – алюминий (рис. 1.2). Для исключения обрывов металлизации
на рельефе активной структуры тогда использовалась операция планаризации рельефа
методом оплавлен ия легированных стекол – борофосфоросиликатного стекла (БФСС).
На втором исторческом этапе развития появляется многоуровневая металли-
зация, в которой несколько уровней (слоев) металла разделяются межуровневым
(межслойным) диэлектриком. Уровни металла соединяются между собой меж-
уровневыми контактами. Для улучшения качества второго и последующих уровней
металлизации и облегчения процессов формирования микрорисунка в этих слоях
используется специальная технология планаризации межуровневого диэлектрика
полиимидом или жидкими стеклами (Spin on Glass). Такие методы планаризации
позволяют сгладить рельеф в узких зазорах между элементами микросхемы (микро-
рельеф), при этом макрорельеф поверхности остается прежним (рис. 1.3). По такой
базовой технологии можно формировать не более трех уровней металлизации.
Контакт к кремнию
Кремний
Металл
ПКК
ПКК
Локальный окисел
Рис. 1.2. Одноуровневая металлизация на основе алюминия
1.1. Краткая история развития технологии формирования многоуровневой 19
металлизации интегральных микросхем
Поскольку при этих методах планаризации макрорельеф поверхности сохраня-
ется, это не приводит к существенным различиям в толщине межуровневого диэ-
лектрика в области межуровневых контактов и позволяет формировать контакты.
Существенной проблемой при использовании методов планаризации меж-
уровневого диэлектрика полиимидом или жидкими стеклами является сильная
зависимость характеристик процесса планаризации от топологических размеров
металлических проводников и зазоров между ними. Эта проблема обычно решается
путем разработки специальных правил проектирования топологии интегральных
микросхем, в частности использованием регулярной структуры топологии с че-
редованием металлических проводников и зазоров одинакового размера, что на
практике не всегда представляется возможным.
Еще одна проблема такой технологии – наличие органических компонентов
в полиимидах и жидких стеклах, что может вызывать деградацию межуровневых
контактов и нарушения в структуре межуровневых диэлектриков.
На этом этапе развития технологии глубина залегания p-n-переходов относи-
тельно поверхности было существенно уменьшена. Для исключения деградаци-
онных явлений в контактах к мелкозалегающим p-n-переходам использовались
контактные слои силицидов металлов, а также адгезионные и барьерные слои
тугоплавких металлов, задачей которых являлось исключение взаимодействий
алюминия со слоями силицидов, кремния, а также планаризирующими слоями
полиимидов и жидких стекол.
Значительным шагом вперед по пути совершенствования многоуровневой метал-
лизации явилось создание технологии планаризации диэлектрика химико-механиче-
ской полировкой, которая фактически ликвидирует как микро-, так и макрорельеф
поверхности, хотя при этом возникает значительная разница в глубинах контактов
к кремнию и слоям поликремния. А именно: контакты к кремнию становятся очень
«глубокими». Для заполнения таких «глубоких» контактов потребовалось создание
новой технологии формирования вольфрамовых «столбиков» в контактах (глава 6)
и специальные методы напыления контактных и барьерных слоев металлов и со-
единений, например когерентное или ионизированное магнетронное напыление
или же методы осаждения металлических пленок из газовой фазы.
Кремний
Силицид
Второй уровень металла
Первый уровень
металла
Межуровневый контакт
Слой оплавленного стекла
ПКК
Макрорельеф
поверхности
Спланированный
микрорельеф
ПКК
Локальный окисел
Рис. 1.3. Двухуровневая металлизация с планаризацией межуровневого диэлектрика
жидким стеклом
20 Глава 1. Основы технологии формирования многоуровневой металлизации
Технология химико-механической полировки диэлектриков в сочетании с
вольфрамовыми «столбиками» (рис. 1.4) теоретически позволяет формировать
сколь угодно много уровней ме таллизации. На практике количество уровней огра-
ничивается дефектностью слоя, то есть технико-экономической эффективностью
производства микросхем.
Если на всех первых трех этапах развития основным материалом межсоедине-
ний являлся алюминий, то на четвертом этапе при уменьшении проектных норм
до 0,25 мкм и менее алюминий заменялся медью для уменьшения сопротивления
межсоединений и повышения быстродействия интегральных микросхем. Исполь-
зование меди потребовало существенного изменения технологических методов
формирования элементов многоуровневой металлизации, часть из этих методов
будут рассмотрены ниже.
1.2. Основные требования к многоуровневой
металлизации
Основным требованием к внутренним электрическим межсоединениям является
обеспечение минимального времени распространения сигнала в цепях микро схем.
Кремний
Силицид
Второй уровень металла
Первый уровень металла
Межуровневый контакт
(вольфрамовый столбик)
ПКК
ПКК
Разно&
высотность
контактов
Спланированный
диэлектрик
Спланированный диэлектрик
Локальный окисел
Рис. 1.4. Структура многоуровневой металлизации с планаризацией межуровневого
диэлектрика химико-механической полировкой (ХМП)
Диэлектрик Металл
R
W
LS
C
L
H
Рис. 1.5. Паразитные сопротивления и емкости в системе межсоединий интегральных
микросхем
1.2. Основные требования к многоуровневой металлизации 21
Дело в том, что в системе металлических проводников возникают дополнительные
(паразитные) элементы – сопротивления (R) и емкости (С), как упрощенно по-
казано на рис. 1.5.
Величина времени задержки сигнала в этом случае пропорциональна произ-
ведению R · C. Величина паразитного сопротивления определяется выражением
(1.1)
где ρ – удельное сопротивление металла; L, W, H – соответственно длина, ширина
и толщина металлического проводника.
Величина паразитной емкости определяется выражением
(1.2)
где ε – диэлектрическая постоянная диэлектрика; LS – ширина зазора между про-
водниками.
Тогда величину задержки распространения сигнала (τ) на проводниках метал-
лизации межсоединений можно определить из выражения
(1.3)
Поэтому для обеспечения требуемого уровня быстродействия интегральных
микросхем необходимо использовать:
– минимальное удельное сопротивление металлических проводников;
– минимальную длину линий металлических проводников;
– минимальное значение диэлектрической постоянной материала межуров-
невого диэлектрика;
– достаточно высокую температуру плавления материалов проводниковых
соединений.
Кроме того, необходимо, чтобы используемые материалы удовлетворяли целому
ряду дополнительных требований, а именно:
– высокая стойкость к электромиграции;
– механическая стабильность и высокая адгезия к сопрягаемым технологиче-
ским слоям (например к слоям межуровневого диэлектрика);
– согласованные с сопрягаемыми технологическими слоями коэффициенты
термического расширения, малые остаточные напряжения и стойкость к
стресс-миграции;
– стойкость к коррозии и низкая химическая активность;
– совместимость с сопрягаемыми технологическими слоями и процессами их
формирования;
– экологическая безопасность материалов и процессов в производстве и ути-
лизации.
Основные свойства некоторых металлов, применяемых в производстве инте-
гральных микросхем для создания проводников, приведены в табл. 1.1.
22 Глава 1. Основы технологии формирования многоуровневой металлизации
Таблица 1.1. Свойства металлов, используемых в процессе формирования металлизации интегральных
микросхем [2]
Металлы и их свойства Cu Ag Au Al W
Удельное сопротивление, мкОм·см 1,67 1,59 2,35 2,66 5,65
Модуль Юнга, 10–11 дин/см2 12,98 8,27 7,85 7,06 41,1
Уде льная теплопроводность, Вт/см 3,98 4,25 3,15 2,358 1,74
Коэффициент термического расширения,
106/°C 17 19,1 14,2 23,5 4,5
Температура плавления, °C 1085 962 1064 660 3387
Теплоемкость, Дж·кг–1·К–1 38 234 132 917 138
Коррозионная стойкость Плохая Плохая Отличная Хорошая Хорошая
Адгезия к SiО2 Плохая Плохая Плохая Хорошая Плохая
Термические напряжения на Si, 107 дин/см2/°C 2,5 1, 9 1,2 2,1 0,8
1.3. Особенности технологии формирования
металлизации на основе алюминия
Алюминий многие годы оставался одновременно и контактным материалом к по-
лупроводнику, и материалом межсоединений в силу целого ряда ценных свойств,
среди которых можно выделить [1]:
– низкое удельное сопротивление (2,65 мкОм·см);
– хорошую адгезию к диэлектрикам;
– достаточно высокую коррозионную стойкость благодаря пассивирующему
его оксиду;
– способность образовывать низкоомные невыпрямляющие контакты с р+-
и n+-Si.
Недостатки алюминия определяются особенностями его физико-химического
взаимодействия со слоями Si и SiО2:
– активное взаимодействие с кремнием в области контактного ок