Мы все любим электронику и почти поклоняемся ей. Телефоны, компьютеры и пр. устройства очень сложные, и за то, что они не стоят баснословных денег, спасибо автоматизации и САПР, но мы все равно считаем, что она дорого стоит, и хотим дешевле, и даже не представляем сколько технологий в себе содержит микроэлектроника.
Одна из таких скрытых технологий, за которую мы платим покупая процессор, телефон, видеокарту и прочие девайсы — UBM (under bump formation) — формирование структур на кристалле под монтаж шариковых выводов.
Развитие микроэлектроники приводит к увеличению плотности интеграции компонентов как на кристалле ИМС, так и на текстолите. Если на кристалле выводов не слишком много, от одного до пары сотен и больше, то их проектируют под проволочную разварку. Примеров множество: flash память, чипы оперативной памяти, звуковые чипы и прочее. Здесь читатель может вспомнить как выглядят некоторые корпуса микросхем, и сказать, что корпуса припаяны на шариковые вывода, и будет прав. Только внутри этих корпусов кристаллы приклеены и разварены проволокой. Далее речь будет идти про шариковые вывода, располагающиеся между кристаллом и корпусом.
Рис. 1 Чип ОЗУ Hunix. Схематично показана разварка кристалла (белые черточки) и
сам кристалл (темный прямоугольник), хотя сам корпус припаян на шариках.
Если количество выводов у потенциального кристалла велико, от 600 до over 4000, то разработчик разрабатывает кристалл сразу под шариковые вывода, например, такие кристаллы, как CPU и GPU. Да и физически разварка проволокой такого количества выводов это длительный последовательный процесс, а про программирование машины вообще молчу.
Рис. 2 Графический чип AMD Fiji. На кристалле ИМС более 4000 припойных шариков, не на корпусе.
Итого, у нас есть кристаллы под проволочную разварку и под шариковые вывода. Контактные площадки (КП) для разварки представляют собой прямоугольники в основном из алюминия. КП под шариковые вывода изначально тоже должны быть из алюминия, но утверждать не могу.
Рис. 3 КП под проволочную разварку размером порядка 100 х 100 мкм
Шариковый вывод представляет собой шарик из припоя (может быть свинцосодержащий или без оного), который выполняет одновременно 3 функции:
1. Держит кристалл на текстолите или кремниевом интерпозере (как у AMD Fiji)
2. Служит для отвода тепла
3. Создает электрическое соединение кристалла с внешней средой
Напрямую подсоединить припойный шарик к КП невозможно: припой не может припаяться напрямую к алюминиевой площадке на кристалле. Чтобы все таки припаять шарик, применяют технологию UBM – это прослойка на основе металлов между алюминиевой площадкой и припойным шариком. Его задачей является адгезия с контактной площадкой, диффузионная защита и смачиваемость для припоя. UBM необходима для создания структур с шариковыми соединениями и она также позволяет создавать структуры для шариков и на ИМС, созданных для разварки.
Рис. 4 Местоположение UBM
Интерфейс UBM должен обеспечивать выполнение следующих условий:
1. Создавать надежную связь с алюминием контактной площадки и со слоем пассивации на кристалле. Важно, чтобы сам слой пассивации был без мелких отверстий, потому что это может привести к замыканию при создании проводящих слоев UBM.
2. Иметь низкое сопротивление с контактной площадкой. Для выполнения этого требования оксид алюминия удаляется с поверхности КП перед нанесением первого слоя UBM.
3. Обеспечивать барьер для диффузии материала припойного шарика и материала КП.
4. Внешний слой UBM должен быть смачиваемым для припоя.
5. Иметь защиту от образования окисного слоя на открытой поверхности.
6. Оказывать как можно меньшее напряжение на кристалл.
UBM представляет собой в основном 3 втравленных слоя тонких пленок металлов.
1. Слой адгезии к КП. Служит для формирования связи между металлом КП и слоем пассивации ИМС и защищает от диффузии между КП и припойным шариком. Обычно используемые для этого материалы: Хром (Cr), титан (Ti), титан/вольфрам (Ti/W), никель (Ni), молибден Mo. Толщина этого слоя порядка 0.15 – 0.2 мкм.
2. Слой, смачиваемый для припоя. Для создания паяного соединения с припойным шариком. Используются металлы: Медь (Cu), Никель (Ni), Палладий (Pd). Обычная толщина слоя ~1 – 5 мкм.
3. Слой защиты от окисления. Для этого используется золото (Au). Толщина ~0.05 – 0.1 мкм.
Можно составить много комбинаций слоев UBM, например, Ti/Cu/Au, Ti/Cu, Ti/Cu/Ni, TiW/Cu/Au, Cr/Cu/Au, Ni/Au, Ti/Ni/Pd, Mo/Pd. Однако разные структуры UBM имеют разные свойства и разную надежность. Например, Ti/Cu/Ni имеет лучшую адгезию, чем Ti/Cu. Комбинации материалов UBM сказываются на надежности соединения к площадке кристалла, так и к шарику припоя. UBM должена быть совместима с материалом припойного шарика. Внешний слой UBM, который хорошо работает со свинцовыми припоями, может плохо подходить для бессвинцовых припоев. Например, Cu дает хорошее паяное соединение со свинцовыми припоями, и плохое с бессвинцовыми, потому что чистое олово образует интерметаллическое соединение с медью Sn-Cu. Если медь полностью поглотиться припоем, то контакт разорвется.
Автор сталкивался с микросхемой, которая была изначально разработана для проволочной разварки, а затем доработана под шариковые вывода, причем без изменения топологии кристалла. И правда, если работает, зачем лезть? Это микросхема WL1271L – микросхема Wi-Fi и Bluetooth от Texas Instruments. На фото её фрагмент:
Рис 5. Фрагмент кристалла WL1271L
Для кристалла 250 мкм это большой шар (четверть миллиметра!). У процессоров и видеокарт используются шарики много меньшего диаметра. А чем меньше, тем ненадежнее.
Рис. 6 Контакты для припойных шариков с остатками припоя
На левой площадке (на рис 6), где убран припой, видно, что площадка представляет собой не плоскость, а имеет внешнее выступающее кольцо. К площадкам подходят провода, подключающие площадку к кристаллу. На ИМС, разрабатываемых сразу под шарики таких проводков не должно быть, потому что подключение к кристаллу формируется сразу под UBM.
Уважаемый читатель наверное сталкивался с так называемой проблемой “отвала чипа”, когда видеокарты артефачат. Так вот, это отваливается / отвалился шарик не между подложкой и платой устройства, а между кристаллом и подложкой. И не сам шарик треснул, а с большой долей вероятности отслоение шарика произошло от слоя UBM или в смежных слоях UBM из-за многочисленных циклов нагрева/остывания кристалла. А видеокарты греются неслабо, что приводит к механическому напряжению. Поэтому справедливо правило, чем лучше охлаждение и “холоднее” система, тем дольше она прослужит.
Как утверждают на просторах интернета, можно засунуть видеокарту с артефактами в духовку / микроволновку / мультиварку и прогреть, и любимая видеокарта снова заработает.
Рис. 8 Починилась
Этого делать не нужно ни под каким предлогом, потому что можно отравиться парами от пластмассы/текстолита и это не отремонтирует видеокарту. На некоторое время работоспособность может восстановиться, но на чуть-чуть, пока процесс коррозии/теплового расширения опять не разорвет контакт, а это случится быстро. Единственное для чего есть смысл греть видеокарту, и то паяльным феном – это для диагностики, чтобы точно определить отвал. Производители знают об этих проблемах, и стараются бороться с ними, чтобы устройство не вышло из строя до окончания гарантийного срока по этой причине.
Автор: RomanSansay
