सेमीकंडक्टर डाय बाँडिंग प्रक्रिया आणि उपकरणांवर संशोधन

अर्धसंवाहक मरणे वर अभ्यासबंधन प्रक्रिया, ॲडहेसिव्ह बाँडिंग प्रक्रिया, युटेक्टिक बाँडिंग प्रक्रिया, सॉफ्ट सोल्डर बाँडिंग प्रक्रिया, सिल्व्हर सिंटरिंग बाँडिंग प्रक्रिया, हॉट प्रेसिंग बाँडिंग प्रक्रिया, फ्लिप चिप बाँडिंग प्रक्रिया. सेमीकंडक्टर डाय बाँडिंग उपकरणांचे प्रकार आणि महत्त्वाचे तांत्रिक निर्देशक सादर केले जातात, विकास स्थितीचे विश्लेषण केले जाते आणि विकासाचा कल अपेक्षित आहे.

 

1 सेमीकंडक्टर उद्योग आणि पॅकेजिंगचे विहंगावलोकन

सेमीकंडक्टर उद्योगामध्ये विशेषतः अपस्ट्रीम सेमीकंडक्टर साहित्य आणि उपकरणे, मिडस्ट्रीम सेमीकंडक्टर मॅन्युफॅक्चरिंग आणि डाउनस्ट्रीम ऍप्लिकेशन्स समाविष्ट आहेत. माझ्या देशाचा सेमीकंडक्टर उद्योग उशिरा सुरू झाला, परंतु सुमारे दहा वर्षांच्या जलद विकासानंतर, माझा देश जगातील सर्वात मोठा सेमीकंडक्टर उत्पादन ग्राहक बाजार आणि जगातील सर्वात मोठा सेमीकंडक्टर उपकरण बाजार बनला आहे. सेमीकंडक्टर उद्योग एका पिढीच्या उपकरणांच्या, प्रक्रियेच्या एका पिढीच्या आणि उत्पादनांच्या एका पिढीच्या मोडमध्ये वेगाने विकसित होत आहे. सेमीकंडक्टर प्रक्रिया आणि उपकरणांवरील संशोधन हे उद्योगाच्या निरंतर प्रगतीसाठी आणि सेमीकंडक्टर उत्पादनांच्या औद्योगिकीकरण आणि मोठ्या प्रमाणावर उत्पादनासाठी हमी देणारे मुख्य प्रेरक शक्ती आहे.

 

सेमीकंडक्टर पॅकेजिंग तंत्रज्ञानाचा विकास इतिहास हा चिप कार्यक्षमतेच्या सतत सुधारणेचा आणि सिस्टमच्या सतत लघुकरणाचा इतिहास आहे. पॅकेजिंग तंत्रज्ञानाची अंतर्गत प्रेरक शक्ती हाय-एंड स्मार्टफोनच्या क्षेत्रापासून उच्च-कार्यक्षमता संगणन आणि कृत्रिम बुद्धिमत्ता यासारख्या क्षेत्रांमध्ये विकसित झाली आहे. सेमीकंडक्टर पॅकेजिंग तंत्रज्ञानाच्या विकासाचे चार टप्पे तक्ता 1 मध्ये दर्शविले आहेत.

सेमीकंडक्टर लिथोग्राफी प्रक्रिया नोड्स जसजसे 10 nm, 7 nm, 5 nm, 3 nm आणि 2 nm च्या दिशेने जातात, R&D आणि उत्पादन खर्च सतत वाढत जातो, उत्पन्नाचा दर कमी होतो आणि मूरचा कायदा मंदावतो. औद्योगिक विकासाच्या ट्रेंडच्या दृष्टीकोनातून, सध्या ट्रान्झिस्टर घनतेच्या भौतिक मर्यादा आणि उत्पादन खर्चात प्रचंड वाढ यामुळे, पॅकेजिंग सूक्ष्मीकरण, उच्च घनता, उच्च कार्यक्षमता, उच्च गती, उच्च वारंवारता आणि उच्च एकत्रीकरणाच्या दिशेने विकसित होत आहे. सेमीकंडक्टर उद्योगाने मूर नंतरच्या युगात प्रवेश केला आहे आणि प्रगत प्रक्रिया यापुढे केवळ वेफर उत्पादन तंत्रज्ञान नोड्सच्या प्रगतीवर लक्ष केंद्रित करत नाहीत तर हळूहळू प्रगत पॅकेजिंग तंत्रज्ञानाकडे वळत आहेत. प्रगत पॅकेजिंग तंत्रज्ञान केवळ कार्ये सुधारू शकत नाही आणि उत्पादन मूल्य वाढवू शकत नाही, तर उत्पादन खर्च प्रभावीपणे कमी करू शकते, मूरचा कायदा चालू ठेवण्याचा एक महत्त्वाचा मार्ग बनतो. एकीकडे, कोर पार्टिकल तंत्रज्ञानाचा वापर जटिल प्रणालींना अनेक पॅकेजिंग तंत्रज्ञानामध्ये विभाजित करण्यासाठी केला जातो ज्याला विषम आणि विषम पॅकेजिंगमध्ये पॅकेज केले जाऊ शकते. दुसरीकडे, एकात्मिक प्रणाली तंत्रज्ञानाचा वापर विविध सामग्री आणि संरचनांच्या उपकरणांना एकत्रित करण्यासाठी केला जातो, ज्याचे अद्वितीय कार्यात्मक फायदे आहेत. मायक्रोइलेक्ट्रॉनिक तंत्रज्ञानाचा वापर करून विविध मटेरियलच्या अनेक फंक्शन्स आणि उपकरणांचे एकत्रीकरण लक्षात येते आणि एकात्मिक सर्किट्सपासून एकात्मिक प्रणालीपर्यंतचा विकास लक्षात येतो.

 

सेमीकंडक्टर पॅकेजिंग हे चिप उत्पादनासाठी प्रारंभिक बिंदू आहे आणि चिपचे अंतर्गत जग आणि बाह्य प्रणाली यांच्यातील पूल आहे. सध्या, पारंपारिक सेमीकंडक्टर पॅकेजिंग आणि चाचणी कंपन्यांच्या व्यतिरिक्त, सेमीकंडक्टरवेफरफाउंड्री, सेमीकंडक्टर डिझाइन कंपन्या आणि एकात्मिक घटक कंपन्या सक्रियपणे प्रगत पॅकेजिंग किंवा संबंधित की पॅकेजिंग तंत्रज्ञान विकसित करत आहेत.

 

पारंपारिक पॅकेजिंग तंत्रज्ञानाच्या मुख्य प्रक्रिया आहेतवेफरपातळ करणे, कटिंग, डाय बाँडिंग, वायर बाँडिंग, प्लॅस्टिक सीलिंग, इलेक्ट्रोप्लेटिंग, रिब कटिंग आणि मोल्डिंग इ. त्यापैकी, डाय बाँडिंग प्रक्रिया ही सर्वात जटिल आणि गंभीर पॅकेजिंग प्रक्रिया आहे आणि डाय बाँडिंग प्रक्रिया उपकरणे देखील त्यापैकी एक आहे. सेमीकंडक्टर पॅकेजिंगमधील सर्वात गंभीर मुख्य उपकरणे, आणि सर्वोच्च बाजार मूल्य असलेल्या पॅकेजिंग उपकरणांपैकी एक आहे. जरी प्रगत पॅकेजिंग तंत्रज्ञान लिथोग्राफी, एचिंग, मेटालायझेशन आणि प्लानरायझेशन यासारख्या फ्रंट-एंड प्रक्रियांचा वापर करत असले तरी, सर्वात महत्वाची पॅकेजिंग प्रक्रिया अजूनही डाय बाँडिंग प्रक्रिया आहे.

 

2 सेमीकंडक्टर डाय बाँडिंग प्रक्रिया

२.१ विहंगावलोकन

डाय बाँडिंग प्रक्रियेला चिप लोडिंग, कोर लोडिंग, डाय बाँडिंग, चिप बाँडिंग प्रक्रिया इ. असेही म्हणतात. डाय बाँडिंग प्रक्रिया आकृती 1 मध्ये दर्शविली आहे. साधारणपणे, डाय बाँडिंग म्हणजे वेल्डिंग हेड वापरून वेफरमधून चिप उचलणे. व्हॅक्यूम वापरून सक्शन नोजल, आणि लीड फ्रेम किंवा पॅकेजिंग सब्सट्रेटच्या नियुक्त पॅड क्षेत्रावर ठेवा व्हिज्युअल मार्गदर्शनाखाली, जेणेकरून चिप आणि पॅड बाँड आणि निश्चित केले जातील. डाय बाँडिंग प्रक्रियेची गुणवत्ता आणि कार्यक्षमता त्यानंतरच्या वायर बाँडिंगच्या गुणवत्तेवर आणि कार्यक्षमतेवर थेट परिणाम करेल, म्हणून डाय बाँडिंग हे सेमीकंडक्टर बॅक-एंड प्रक्रियेतील प्रमुख तंत्रज्ञानांपैकी एक आहे.

 

वेगवेगळ्या सेमीकंडक्टर उत्पादन पॅकेजिंग प्रक्रियेसाठी, सध्या सहा मुख्य डाय बाँडिंग प्रक्रिया तंत्रज्ञान आहेत, जसे की ॲडहेसिव्ह बाँडिंग, युटेक्टिक बाँडिंग, सॉफ्ट सोल्डर बाँडिंग, सिल्व्हर सिंटरिंग बाँडिंग, हॉट प्रेसिंग बाँडिंग आणि फ्लिप-चिप बाँडिंग. चांगले चिप बाँडिंग साध्य करण्यासाठी, डाय बाँडिंग प्रक्रियेतील मुख्य प्रक्रिया घटक एकमेकांना सहकार्य करणे आवश्यक आहे, मुख्यतः डाय बाँडिंग सामग्री, तापमान, वेळ, दाब आणि इतर घटकांचा समावेश आहे.

 

2. 2 चिकट बंधन प्रक्रिया

ॲडहेसिव्ह बाँडिंग दरम्यान, चिप ठेवण्यापूर्वी लीड फ्रेम किंवा पॅकेज सब्सट्रेटवर विशिष्ट प्रमाणात ॲडहेसिव्ह लावावे लागते आणि नंतर डाय बाँडिंग हेड चिप उचलते आणि मशीन व्हिजन मार्गदर्शनाद्वारे, चिप अचूकपणे बाँडिंगवर ठेवली जाते. लीड फ्रेम किंवा पॅकेज सब्सट्रेटची स्थिती चिकटतेने लेपित केली जाते आणि डायद्वारे चिपवर एक विशिष्ट डाय बाँडिंग फोर्स लागू केला जातो बाँडिंग मशीन हेड, चिप आणि लीड फ्रेम किंवा पॅकेज सब्सट्रेट दरम्यान एक चिकट थर तयार करते, जेणेकरून चिपचे बाँडिंग, स्थापित आणि निराकरण करण्याचा हेतू साध्य करता येईल. या डाय बाँडिंग प्रक्रियेला ग्लू बाँडिंग प्रक्रिया देखील म्हणतात कारण डाय बाँडिंग मशीनच्या समोर चिकटवता आवश्यक आहे.

 

सामान्यतः वापरल्या जाणाऱ्या चिकटांमध्ये सेमीकंडक्टर सामग्री जसे की इपॉक्सी राळ आणि प्रवाहकीय चांदीची पेस्ट समाविष्ट असते. ॲडहेसिव्ह बाँडिंग ही सर्वात मोठ्या प्रमाणावर वापरली जाणारी सेमीकंडक्टर चिप डाय बाँडिंग प्रक्रिया आहे कारण ही प्रक्रिया तुलनेने सोपी आहे, खर्च कमी आहे आणि विविध प्रकारचे साहित्य वापरले जाऊ शकते.

 

2.3 युटेक्टिक बाँडिंग प्रक्रिया

युटेक्टिक बाँडिंग दरम्यान, युटेक्टिक बाँडिंग सामग्री सामान्यतः चिपच्या तळाशी किंवा लीड फ्रेमवर पूर्व-लागू केली जाते. युटेक्टिक बाँडिंग उपकरणे चिप उचलतात आणि लीड फ्रेमच्या संबंधित बाँडिंग स्थितीवर चिप अचूकपणे ठेवण्यासाठी मशीन व्हिजन सिस्टमद्वारे मार्गदर्शन केले जाते. चिप आणि लीड फ्रेम हीटिंग आणि प्रेशरच्या एकत्रित कृती अंतर्गत चिप आणि पॅकेज सब्सट्रेट दरम्यान एक युटेक्टिक बाँडिंग इंटरफेस तयार करतात. युटेक्टिक बाँडिंग प्रक्रिया बहुतेक वेळा लीड फ्रेम आणि सिरेमिक सब्सट्रेट पॅकेजिंगमध्ये वापरली जाते.

 

युटेक्टिक बाँडिंग मटेरियल साधारणपणे एका विशिष्ट तापमानात दोन पदार्थांद्वारे मिसळले जाते. सामान्यतः वापरल्या जाणाऱ्या सामग्रीमध्ये सोने आणि कथील, सोने आणि सिलिकॉन इत्यादींचा समावेश होतो. युटेक्टिक बाँडिंग प्रक्रिया वापरताना, लीड फ्रेम असलेल्या ट्रॅक ट्रान्समिशन मॉड्यूल फ्रेमला पूर्व-उष्ण करेल. युटेक्टिक बाँडिंग प्रक्रियेच्या प्राप्तीची गुरुकिल्ली अशी आहे की युटेक्टिक बाँडिंग मटेरियल दोन घटक पदार्थांच्या वितळण्याच्या बिंदूपेक्षा खूप कमी तापमानात वितळू शकते आणि बॉन्ड तयार करू शकते. युटेक्टिक बाँडिंग प्रक्रियेदरम्यान फ्रेमचे ऑक्सिडायझेशन होण्यापासून रोखण्यासाठी, युटेक्टिक बाँडिंग प्रक्रियेमध्ये लीड फ्रेमचे संरक्षण करण्यासाठी ट्रॅकमध्ये इनपुट करण्यासाठी हायड्रोजन आणि नायट्रोजन मिश्रित वायू सारख्या संरक्षक वायूंचा देखील वापर केला जातो.

 

2. 4 सॉफ्ट सोल्डर बाँडिंग प्रक्रिया

सॉफ्ट सोल्डर बाँडिंग करताना, चिप ठेवण्यापूर्वी, लीड फ्रेमवरील बाँडिंगची स्थिती टिन आणि दाबली जाते किंवा दुहेरी टिन केली जाते आणि लीड फ्रेम ट्रॅकमध्ये गरम करणे आवश्यक आहे. सॉफ्ट सोल्डर बाँडिंग प्रक्रियेचा फायदा चांगला थर्मल चालकता आहे, आणि तोटा म्हणजे ते ऑक्सिडाइझ करणे सोपे आहे आणि प्रक्रिया तुलनेने क्लिष्ट आहे. हे ट्रान्झिस्टर बाह्यरेखा पॅकेजिंगसारख्या पॉवर उपकरणांच्या लीड फ्रेम पॅकेजिंगसाठी योग्य आहे.

 

2. 5 सिल्व्हर सिंटरिंग बाँडिंग प्रक्रिया

सध्याच्या तिसऱ्या पिढीच्या पॉवर सेमीकंडक्टर चिपसाठी सर्वात आशादायक बाँडिंग प्रक्रिया म्हणजे मेटल पार्टिकल सिंटरिंग तंत्रज्ञानाचा वापर, जे प्रवाहकीय गोंदमध्ये कनेक्शनसाठी जबाबदार असलेल्या इपॉक्सी रेजिन सारख्या पॉलिमरचे मिश्रण करते. यात उत्कृष्ट विद्युत चालकता, थर्मल चालकता आणि उच्च-तापमान सेवा वैशिष्ट्ये आहेत. अलिकडच्या वर्षांत तिसऱ्या पिढीतील सेमीकंडक्टर पॅकेजिंगमध्ये पुढील प्रगतीसाठी हे एक महत्त्वाचे तंत्रज्ञान आहे.

 

2.6 थर्मोकंप्रेशन बाँडिंग प्रक्रिया

उच्च-कार्यक्षमता असलेल्या त्रि-आयामी एकात्मिक सर्किट्सच्या पॅकेजिंग ऍप्लिकेशनमध्ये, चिप इंटरकनेक्ट इनपुट/आउटपुट पिच, बंप साइज आणि पिचमध्ये सतत घट झाल्यामुळे, सेमीकंडक्टर कंपनी इंटेलने प्रगत लहान पिच बाँडिंग ऍप्लिकेशन्ससाठी थर्मोकंप्रेशन बाँडिंग प्रक्रिया सुरू केली आहे. 40 ते 50 μm किंवा अगदी पिचसह बंप चिप्स 10 μm. थर्मोकंप्रेशन बाँडिंग प्रक्रिया चिप-टू-वेफर आणि चिप-टू-सबस्ट्रेट अनुप्रयोगांसाठी योग्य आहे. एक जलद मल्टी-स्टेप प्रक्रिया म्हणून, थर्मोकंप्रेशन बाँडिंग प्रक्रियेला प्रक्रिया नियंत्रण समस्यांमध्ये आव्हाने येतात, जसे की असमान तापमान आणि लहान आकाराच्या सोल्डरचे अनियंत्रित वितळणे. थर्मोकंप्रेशन बाँडिंग दरम्यान, तापमान, दाब, स्थिती इ.ने अचूक नियंत्रण आवश्यकता पूर्ण करणे आवश्यक आहे.

 

2.7 फ्लिप चिप बाँडिंग प्रक्रिया

फ्लिप चिप बाँडिंग प्रक्रियेचे तत्त्व आकृती 2 मध्ये दाखवले आहे. फ्लिप यंत्रणा वेफरमधून चिप उचलते आणि चिप हस्तांतरित करण्यासाठी 180° फ्लिप करते. सोल्डरिंग हेड नोजल फ्लिप मेकॅनिझममधून चिप उचलते आणि चिपची बंप दिशा खालच्या दिशेने असते. वेल्डिंग हेड नोजल पॅकेजिंग सब्सट्रेटच्या शीर्षस्थानी गेल्यानंतर, ते बॉन्डमध्ये खाली सरकते आणि पॅकेजिंग सब्सट्रेटवर चिप फिक्स करते.

 

फ्लिप चिप पॅकेजिंग हे प्रगत चिप इंटरकनेक्शन तंत्रज्ञान आहे आणि प्रगत पॅकेजिंग तंत्रज्ञानाची मुख्य विकास दिशा बनली आहे. यात उच्च घनता, उच्च कार्यक्षमता, पातळ आणि लहान अशी वैशिष्ट्ये आहेत आणि स्मार्टफोन आणि टॅब्लेट सारख्या ग्राहक इलेक्ट्रॉनिक उत्पादनांच्या विकास आवश्यकता पूर्ण करू शकतात. फ्लिप चिप बाँडिंग प्रक्रियेमुळे पॅकेजिंगची किंमत कमी होते आणि स्टॅक केलेल्या चिप्स आणि त्रिमितीय पॅकेजिंग लक्षात येऊ शकते. हे 2.5D/3D इंटिग्रेटेड पॅकेजिंग, वेफर-लेव्हल पॅकेजिंग आणि सिस्टम-लेव्हल पॅकेजिंग यासारख्या पॅकेजिंग तंत्रज्ञान क्षेत्रात मोठ्या प्रमाणावर वापरले जाते. फ्लिप चिप बाँडिंग प्रक्रिया ही प्रगत पॅकेजिंग तंत्रज्ञानामध्ये सर्वात मोठ्या प्रमाणावर वापरली जाणारी आणि मोठ्या प्रमाणावर वापरली जाणारी सॉलिड डाय बाँडिंग प्रक्रिया आहे.