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Flip chip , también conocido como conexión de chip de colapso controlado o su abreviatura, C4 , [1] es un método para interconectar matrices como dispositivos semiconductores , chips IC , dispositivos pasivos integrados y sistemas microelectromecánicos (MEMS), a circuitos externos con protuberancias de soldadura que se han depositado en las almohadillas de chip. La técnica fue desarrollada por el Departamento de Electrónica Militar Ligera de General Electric , Utica, Nueva York . [2] Las protuberancias de soldadura se depositan en las almohadillas del chip en la parte superior de la oblea durante el paso final de procesamiento de la oblea . Para montar el chip en un circuito externo (por ejemplo, una placa de circuito u otro chip u oblea), se le da la vuelta para que su lado superior mire hacia abajo y se alinea de manera que sus almohadillas se alineen con las almohadillas correspondientes en el circuito externo, y luego se vuelve a hacer fluir la soldadura para completar la interconexión. Esto contrasta con la unión de cables , en la que el chip se monta en posición vertical y se sueldan cables finos a las almohadillas del chip y a los contactos del marco de cables para interconectar las almohadillas del chip a los circuitos externos. [3]
En los sistemas típicos de fabricación de semiconductores , los chips se construyen en grandes cantidades en una única oblea grande de material semiconductor, normalmente silicio. Los chips individuales están decorados con pequeñas almohadillas de metal cerca de sus bordes que sirven como conexiones a un eventual soporte mecánico. Luego, los chips se cortan de la oblea y se unen a sus soportes, generalmente mediante unión de cables , como la unión termosónica . Estos cables eventualmente conducen a pines en el exterior de los soportes, que están conectados al resto de los circuitos que componen el sistema electrónico.
El procesamiento de un chip invertido es similar a la fabricación de circuitos integrados convencionales, con algunos pasos adicionales. [8] Cerca del final del proceso de fabricación, las almohadillas de fijación se metalizan para hacerlas más receptivas a la soldadura. Por lo general, esto consta de varios tratamientos. Luego se deposita un pequeño punto de soldadura en cada almohadilla metalizada. A continuación, se cortan los chips de la oblea como de costumbre.
Para conectar el chip invertido a un circuito, el chip se invierte para colocar los puntos de soldadura en los conectores de la placa de circuito o electrónica subyacente . Luego, la soldadura se vuelve a fundir para producir una conexión eléctrica, generalmente mediante una unión termosónica o, alternativamente, un proceso de soldadura por reflujo . [9]
Esto también deja un pequeño espacio entre los circuitos del chip y el montaje subyacente. En muchos casos, un adhesivo eléctricamente aislante se "llena insuficientemente" para proporcionar una conexión mecánica más fuerte, proporcionar un puente térmico y garantizar que las uniones de soldadura no se esfuercen debido al calentamiento diferencial del chip y el resto del sistema. El relleno inferior distribuye el desajuste de expansión térmica entre el chip y la placa, evitando la concentración de tensión en las uniones de soldadura, lo que conduciría a fallas prematuras. [10]
Las bolas de soldadura se pueden montar en los chips fabricando las bolas por separado y luego uniéndolas a los chips usando un dispositivo de recogida por vacío para recoger las bolas y luego colocándolas en un chip con fundente aplicado en las almohadillas de contacto para las bolas, o mediante galvanoplastia, en la que primero se depositan los metales semilla en una oblea y se golpean las virutas. Esto permite que la soldadura se adhiera a las almohadillas de contacto de los chips durante el proceso de galvanoplastia. Los metales semilla son aleaciones y se depositan mediante pulverización catódica sobre la oblea junto con las virutas que se van a golpear. Se utiliza una máscara fotorresistente para depositar únicamente el metal semilla encima de las almohadillas de contacto de los chips. Luego, la oblea se somete a galvanoplastia y se retira o pela la capa fotorresistente. Luego, la soldadura de los chips se somete a reflujo de soldadura para darle a las protuberancias su forma final. Todo este proceso se conoce como choque de obleas. Las bolas de soldadura suelen tener entre 75 y 500 micrones de diámetro. [11] [12]
En 2008, los métodos de montaje de alta velocidad evolucionaron gracias a la cooperación entre Reel Service Ltd. y Siemens AG en el desarrollo de una cinta de montaje de alta velocidad conocida como 'MicroTape'[1]. Al agregar un proceso de cinta y carrete a la metodología de ensamblaje , es posible la colocación a alta velocidad, logrando una tasa de recolección del 99,90 % y una tasa de colocación de 21 000 cph (componentes por hora), utilizando equipos de ensamblaje de PCB estándar.
La unión automatizada con cinta (TAB) se desarrolló para conectar matrices con termocompresión o unión termosónica a un sustrato flexible que incluye de una a tres capas conductoras. También con TAB es posible conectar pines de matriz todos al mismo tiempo que con el montaje de chip flip basado en soldadura. Originalmente, TAB podía producir interconexiones de paso más fino en comparación con el chip flip, pero con el desarrollo del chip flip esta ventaja ha disminuido y ha mantenido a TAB como una técnica de interconexión especializada de controladores de pantalla o similares que requieren un rollo a rollo específico compatible con TAB (R2R). , carrete a carrete) como sistema de ensamblaje.
El conjunto de chip invertido resultante es mucho más pequeño que un sistema tradicional basado en portador; El chip se asienta directamente sobre la placa de circuito y es mucho más pequeño que el soporte tanto en área como en altura. Los cables cortos reducen en gran medida la inductancia , lo que permite señales de mayor velocidad y también conducen mejor el calor.
Los flip chips tienen varias desventajas.
La falta de un soporte significa que no son adecuados para un reemplazo fácil o una instalación manual sin ayuda. También requieren superficies de montaje muy planas, lo que no siempre es fácil de disponer o, a veces, difícil de mantener ya que las placas se calientan y enfrían. Esto limita el tamaño máximo del dispositivo.
Además, las conexiones cortas son muy rígidas, por lo que la expansión térmica del chip debe adaptarse a la placa de soporte o las conexiones pueden agrietarse. [13] El material de relleno actúa como intermediario entre la diferencia en CTE del chip y la placa.
El proceso fue introducido comercialmente originalmente por IBM en la década de 1960 para transistores y diodos individuales empaquetados para su uso en sus sistemas mainframe . [14]
Desde la introducción del chip invertido se han introducido una serie de alternativas a los golpes de soldadura, incluidas bolas de oro o pernos moldeados, polímero eléctricamente conductor y el proceso de "golpe plateado" que elimina un revestimiento aislante por medios químicos. Los chips Flip han ganado popularidad recientemente entre los fabricantes de teléfonos móviles y otros dispositivos electrónicos pequeños, donde el ahorro de tamaño es valioso. [ cita necesaria ]
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