ELÉTRICAS em SISTEMAS ELETRÔNICOS. FUNÇÕES BÁSICAS das INTER-CONEXÕES. ambiente, através de sensores e atuadores, para o

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1 FUNÇÕES BÁSICAS das INTER-CONEXÕES ELÉTRICAS em SISTEMAS ELETRÔNICOS 1. Permitir intercâmbio de informações em todos os níveis de Encapsulamento 2. Fornecer em todos níveis energia para o funcionamento adequado do sistema 3. Permitir outros tipos de interconexões com o meio ambiente, através de sensores e atuadores, para o encapsulamento de Micro-sistemas TEC-ENC 3-1

2 CLASSES de COMUNICAÇÃO FUNCIONAL em SISTEMAS ELETRÔNICOS 1. Comunicações ponto a ponto internas a nível do CHIP (Interconexões lógicas internas) 2. Comunicações ponto a ponto Externa Interna (Carregamento de programas em RAM) 3. Comunicações Globais Internas (Mensagens do tipo Broad-Cast ) 4. Comunicações Globais Externas Internas (Clock do sistema) TEC-ENC 3-2

3 TIPOS de INTERCONEXÕES TEC-ENC 3-3

4 PARÂMETROS BÁSICOS para CARACTERIZAÇÃO de uma INTERLIGAÇÃO FÍSICA 1. Número de Fios por Ligação (N L ) 2. Taxa de Informação por Fio (f L ) 3. Retardo do sinal na Interligação (τ L ) 4. Largura de Banda da Interligação BW L = Γ L * N L * f L Γ L < 1 Representa da razão informação líquida VS. Informação total recebida (Controle + Dados) TEC-ENC 3-4

5 CARACTERÍSTICAS da COMUNICAÇÃO FUNCIONAL em SISTEMAS ELETRÔNICOS 1. Comunicações ponto a ponto internas Deseja-se máxima comunicação entre células vizinhas As larguras de Banda podem ser diferentes nos diversos nós 2. Comunicações ponto a ponto Externa Interna Limitada pela largura de Banda do nó raiz da interconexão 3. Comunicações Globais Internas Geram-se retardos uniformes 4. Comunicações Globais Externas Internas Geram-se retardos constantes TEC-ENC 3-5

6 PARÂMETROS FÍSICOS que AFETAM as INTERCONEXÕES ELÉTRICAS 1. Dissipação de Potência 2. Taxa de Trabalho 3. Retardos Temporais 4. Produto Retardo - Potência 5. Densidade 6. Área TEC-ENC 3-6

7 PARÂMETROS ELÉTRICOS BÁSICOS das INTERCONEXÕES ELÉTRICAS R = ρ int int 1 W H int int C int = ε ox W t int ox R C = ρ ε int int int ox 1 t H ox int TEC-ENC 3-7

8 ENCAPSULAMENTO a NÍVEL de CHIP TEC-ENC 3-8

9 TÉCNICAS de ENCAPSULAMENTO a NÍVEL do CHIP O Encapsulamento do Die no nível do Chip constitui-se pelos seguintes processos: Corte da Lâmina Colocação do Die Colagem do Die Encapsulamento propriamente dito TEC-ENC 3-9

10 ENCAPSULAMENTO a NÍVEL do CHIP TEC-ENC 3-10

11 As LÂMINAS de SILÍCIO TEC-ENC 3-11

12 TÉCNICAS de CORTE de LÂMINAS de SILÍCIO 1.Corte com LASER de CO 2 2.Corte Mecânico usando serras Um disco abrasivo de diamante girando entre 30K 60K RPM realiza o corte, sobre fitas adesivas de PVC Problemas: Fenômeno de: Chipping TEC-ENC 3-12

13 DICING PARAMETROS do PROCESSO Taxa de alimentação ou velocidade de corte: é a velocidade na qual a lâmina é alimentada à serra, para lâminas (wafers) de 2,1 mil de espessura a velocidade de corte típica é de 2.5 a 3.5 in/sec. Rotação da serra: corresponde à rotação em RPM do eixo da serra que pode variar de 3,000 a 60,000 RPM. Velocidade de superfície: é definida como sendo a taxa linear de percurso no ponto de contato com a lâmina (wafer). Altura da lâmina da serra: se refere à altura da serra sobre um plano de referência ( wafer chuck table). Uma altura típica é de 1 a 1.5 mil que permite cortar a lâmina (wafer) completamente. Controle de temperatura da serra: realiza-se através de bicos injetores de fluído refrigerador, este controle melhora significativamente a precisão e vida da serra. Seleção da serra e recobrimento tomando em conta: tamanho, espessura, tipo de abrasivo, etc. TEC-ENC 3-13

14 OTIMIZAÇÃO DO PROCESSO DE CORTE Otimização do desgaste da Serra Otimização da qualidade de corte TEC-ENC 3-14

15 DIE ATTACH MÉTODOS PRINCIPAIS Com solda Eutêtica Através de Vidro Através de Vidro + Prata Com Solda Com Polímeros Uma máquina de Die Attach ou Die Bonder constitui-se por: Sistema de manejo de molduras Um módulo de Pick-up and Place Sistema de Dispensing Equipamento para Die Attach TEC-ENC 3-15

16 COLOCAÇÃO de DIES A colocação de Dies segue os seguintes passos, comandados pelo sistema de Pick and Place : Reconhecimento do substrato usando fiduciais, locais ou Globais Recolhimento do Die de forma individual ou conjunta Imageamento e correção de ângulo Theta Posicionamento do Die TEC-ENC 3-16

17 COLAGEM de Dies O processo como um todo apresenta os seguintes passos: Conjuntos de molduras ou substratos são colocadas no modulo de carregamentos do Die Bonder. Um sistema robotizado pega as molduras ou substratos e as carrega no equipamento para iniciar o processo. Grampos transportam as molduras ou substratos para a posição de entrada para a primeira fase do processo, colocação de cola epoxy ou solda dependendo do processo. Na posição de colocação de cola epoxy ou solda, cada Pad na moldura é alinhado usando óptica e sensores de precisão. Adesivo ou solda é colocado num padrão e volume apropriados com o tamanho do Die. Nas molduras ou substratos onde existem diversas posições de cola ou solda, o adesivo ou solada é colocado em cada posição seqüencialmente. Quando o processo de deposição de cola ou solda terminou na moldura ou substrato, este é transportado para a segunda etapa do processo, que é a colagem do Die Enquanto na moldura o substrato esta sendo realizada a deposição de cola ou solda, uma lâmina já cortada foi carregada no sistema e um Die esta sendo alinhado opticamente e preparado para ser posicionado pela máquina de Pick and Place na próxima moldura ou substrato no ponto. TEC-ENC 3-17

18 COLAGEM de Dies (cont.) A ferramenta do Pick and Place segura o Die já cortado através de um dispositivo usando vácuo, retirando o Die da fita onde se encontra aderido. Uma vez seguro o Die este é transferido para a posição de colagem, onde se encontra a cola ou solda já depositada na moldura ou substrato usados. Ao mesmo tempo que o Die é pego a posição de colagem é alinhada precisamente usando equipamentos ópticos adequados. O tempo de cola e a força aplicada resulta num Die colado de acordo com as especificações do processo. Cada pad ou substrato da moldura ou substrato é verificado antes de ser descarregado pelo sistema robotizado.. Após este processo, os dispositivos são levados para realização da cura definitiva. TEC-ENC 3-18

19 CONSIDERAÇÕES IMPORTANTES Na evaluação de um processo de Die Attach, é importante levar em conta fatores que podem impactar o desempenho do processo e a qualidade final do produto, como: Precisão: A precisão do Die Attach é muito importante já que permite a diminuição do tamanho global do encapsulamento. Dies Pequenos: A capacidade de pegar e posicionar pequenos Dies ( < 0,2 mm) é um problema complicado já que requer sistemas ópticos sofisticados para a realização da operação. Materiais Frageis: Materiais, como arseneto de galio (GaAs), podem ser difíceis de manusear devido a sua composição frágil. Tolerâncias nos Substratos: Manuseio de diversos tipos de substratos com diversas tolerâncias obrigam a usar sistemas de Placement muito sofisticados, encarecendo o produto. Controle do Dispensing de cola ou solda: No caso de Dies pequenos o controle do posicionamento e volume de cola é crítico. TEC-ENC 3-19

20 MÉTODO da COLAGEM ou SOLDA EUTÊTICA Solda Eutêtica: Die attach Eutêtico : Com este método não é necessário colocar nenhum adesivo no substrato. Isto é feito aquecendo a metalização do substrato, que colocada na metalização da parte inferior do Die formando uma cola intermetálica. A Colocação usando Solda Eutêtica permite: Ser usado em aplicações Militares e aero-espaciais Ser usado em sistemas MCM de multi-camadas Cerâmicos Usa a liga mais popular: Au-Si TEC-ENC 3-20

21 TÉCNICA da COLAGEM EUTÊTICA Aquecimento do 425 o C Aplicação de força e esfregada de Die O Si se difunde no Au até atingir a composição eutêtica e a fusão começa Uma frente líquida avança no Au e o Si continua difundindo-se Obtém-se então a soldagem completa É necessário prevenir a oxidação superficial do Si, de forma que é desejável realizar esta soldagem em ambiente de N 2 É necessário realizar uma excelente limpeza da superfície do Si, para a retirada do oxido nativo A espessura mínima de A u necessária para realizar a solda é de 150 nm TEC-ENC 3-21

22 USO de PRE-FORMAS USO DE PRE-FORMAS (A u -2S i ) PARA POUPAR A u Utiliza-se uma pré-forma que encontra-se perto da composição eutêtica A solda realiza-se de forma mais rápida A difusão do Si é menor A soldagem desta forma exige camadas de Au de somente 10 nm TEC-ENC 3-22

23 OUTRAS COLAGEM de DIES COLAGEM USANDO VIDRO Muitos encapsulamentos Cerâmicos usam vidro e não metalizações que são mais caras O vidro pode ser fundido a temperaturas maiores que 500 o C e o DIE colocado Alguns tipos de vidro tem coeficientes de expansão térmica similares ao silício É possível também a chamada Colagem anôdica Si-Vidro COLAGEM USANDO VIDRO-PRATA Método de baixo custo O sistema é de uma pasta de 81% de Ag carregado com vidro numa matriz orgânica Usa-se Dipping ou serigrafia para a deposição Coloca-se o T ambiente 375 oc no ar TEC-ENC 3-23

24 COLOCAÇÃO de DIES USANDO POLÍMEROS Este processo é muito usado atualmente devido ao desempenho dos materiais usados desde o ponto de vista de parâmetros do processo como tempo de Cura, tempo de ciclo e qualidade geral. Se usam para encapsulamentos do tipo: BGAs, quad flat packs (QFPs), plastic leaded chip carriers (PLCCs) e SOICs. Método de baixo custo Usam-se Poliimidas com Ag e Epoxies As temperaturas de cura são de aprox. 100 o C no ar Usa-se Dipping ou serigrafia para a deposição Em altas temperaturas estes materiais degradam-se Em ambientes úmidos estes materiais degradam-se TEC-ENC 3-24

25 COLOCAÇÃO de DIES USANDO SOLDA Die Attach com solda Soft : É um processo eutêtico onde se introduze a solda para obter a colagem. Utiliza-se solda tipo SOFT 95 Pb- 5 Sn A solda é introduzida através de pré-formas ou usando dispensing automático. É necessária uma camada de adesão O processo requer uma rampa de aquecimento e desaquecimento muito maior que a colagem eutêtica sem solda, porem a solda deve ser realizada rapidamente para não ultrapassar os limites de potência máximos do Die. Deve ser usada atmosfera redutora para evitar oxidação nas molduras. Componentes fabricados com este método são usados em aplicações automotivas e dispositivos de alta potência. TEC-ENC 3-25

26 PROBLEMAS ASSOCIADOS ao DIE ATTACH Problemas de Die Cracks ou rompimento da pastilha TEC-ENC 3-26

27 PROBLEMAS na COLOCAÇÃO do ADESIVO TEC-ENC 3-27