Materialvalg og viktige prosesser i mikroelektronikk

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