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 metallization) — металлизация площадки 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 кристалл можно проектировать 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.

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

Если кристалл изготовлен под шариковые вывода, то контактные площадки из меди формируются по всей поверхности кристалла в виде некоторой матрицы, и представляют собой по сути продолжение топологии кристалла. Затем на медь, где это нужно, наносится защитный слой пассивации, и не наносится там, где будет располагаться шарик. Открытой участок меди покрывается слоем UBM и после этого он готов к нанесению шарика. Часть слоя UBM ложится на пассивацию, тем самым полностью закрывая медь и создавая выступ по периметру площадки.

Рис. 3 КП под шариковый вывод. Желтый цвет – медь под пассивацией, серый – покрытие UBM.

Если кристалл изготовлен под проволочную разварку, то контактные площадки (КП) для разварки представляют собой прямоугольники с покрытием в основном из алюминия, и располагаются по периметру кристалла.
Рис. 4 КП под проволочную разварку размером порядка 100 х 100 мкм

Напрямую подсоединить припойный шарик к такой КП тоже невозможно: припой не может припаяться к алюминиевой площадке. Чтобы это сделать припаять шарик, также применяют технологию UBM.
И так, UBM это прослойка между припойным шариком и металлом контактной площадки на кристалле. Её 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. 5 Месторасположение 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 как минимум 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.

Посмотрим, как это выглядит на примере микросхемы, которая была изначально разработана для проволочной разварки, а затем доработана под шариковые вывода. Причем топология кристалла никак не менялась для шариков. И правда, если кристалл работает, зачем лезть? Это микросхема WL1271L – микросхема Wi-Fi и Bluetooth от Texas Instruments. На фото её фрагмент:

Рис. 6 Фрагмент кристалла WL1271L.

Вот тут привлекает момент, что есть возможность, не прибегая к изменению топологии кристалла адаптировать его под шариковые вывода с помощью формирования слоев поверх кристалла. Для этого требуются дополнительные операции над пластиной с кристаллами, операции формирования шариков, но это дает преимущество в экономии места на плате, ведь при размерах шарика в 200 — 250 мкм ему не нужна плата переходник, то есть можно производить монтаж кристалла прямо на плату. Насколько мне известно, в России такого не делают, хотя микросхемы есть, которые подходят для этого, зато некоторые импортные ИМС так делают. По-хорошему такая технология должна удешевлять стоимость конечного продукта. Для военных она может не подойти из-за требований надежности, а вот для домашнего использования, при достижении приемлемой цены, вполне.

Теперь посмотрим на пример ИМС, которая разработана специально для шариковых выводов. Берем видеокарту, и взламываем кристалл, зачищаем, протравливаем смесью персульфата аммония и медного купороса.

Рис. 7 Контактная площадка до (слева) и после травления (справа).

При травлении олова (а шарики должны быть бессинцовые) олово вытесняет медь из медного купороса, а потом эту медь в виде металла поглощает персульфат аммония. Таким образом площадка очищается от олова. Под микроскопом при изменении фокуса видно углубление после удаления олова, на фото это не так хорошо видно. Медные провода, расходящиеся от контактной площадки не подверглись травлению, потому что защищены пассивацией. Медь под самой контактной площадкой также осталась не тронутой, потому что верхний слой UBM не вступил в реакцию ни с персульфатом аммония, ни с купоросом, тем самым обнажив себя и по этому его свойству можно погадать, что это за металл.

Теперь о проблеме шариковых выводов. При проволочной разварке кристалл соединяет с корпусом алюминиевой / золотой проволокой и даже если её деформировать, соединение останется, потому что проволока пластична. А вот шариковый вывод жесткий, мало пластичный, не тянется и при определенных условиях он может отстать от контактной площадки (потому что в этом месте толщина металла минимальна => нагрузки больше). Разрушение / отслоение приводит к росту сопротивления и разрыву цепи.

Рис. 8 Расположение слоя UBM и шарика (вид сверху).

UBM располагается непосредственно под шариковым выводом (если смотреть на кристалл со стороны шариков). При расположении друг на друге шарик оказывает напряжение на UBM и может отсоединиться со слоем металла UBM или от самого UBM.

Некоторые отсоединения шарика не скажутся на работе устройства, например, при наличии большого количества шариков по питанию, подключенных параллельно, отсоединение одного из них не приведет к сбою в работе устройства. А вот если отсоединение происходит на линии, по которой идут данные… Такая проблема называемой “отвалом чипа” и приводит к сбоям в работу устройства. Так вот, это отваливается / отвалился шарик не между подложкой и платой (хотя и такое может быть), а между кристаллом и подложкой. С большой долей вероятности разрушение контакта шарика произошло в месте припайки к UBM из-за многочисленных циклов нагрева/остывания кристалла. А видеокарты разогреваются быстро и до больших температур, что приводит к механическому напряжению. Поэтому справедливо правило, чем лучше охлаждение и “холоднее” система, тем дольше она прослужит. У процессоров интеловских критическая температура до 65 С, после которой начинает срабатывать защита от перегрева, а у видеокарт температура может доходить до 80-90 градусов.

Как утверждают на просторах интернета, можно засунуть видеокарту с отвалившимся кристаллом! (а не с другой проблемой, а потом кричать, что все починилось и автор не прав) в духовку и прогреть, и видеокарта снова заработает. Этого делать не нужно, потому что можно отравиться парами от пластмассы/текстолита и это не отремонтирует видеокарту. На некоторое время работоспособность может восстановиться, потому что из-за теплового расширения может пробиться окисный слой, но на долго, пока процесс коррозии/теплового расширения опять не отсоединит контакт, а это случится. Единственное для чего есть смысл греть видеокарту – это для диагностики, чтобы точно определить отвал.