Puolijohdekomponenttien valmistus

Nykyajan integroidut piirit (IC, Integrated Circuit) valmistetaan yksikiteisille piikiekoille. Piikiekot ovat suurista yksikiteisistä piitangoista timanttisahalla leikattuja ohuita, pyöreitä kiekkoja. Tarvittava pii saadaan yksinkertaisesti hiekasta, joka sisältää paljon piioksidia (SiO₂), mutta tavallisimmin käytetään puhdasta kvartsihiekkaa.

Yleisesti on käytössä kolme metodia, joiden avulla muodostetaan yksittäisistä piikiteistä juuri oikeanlainen piitanko:

• Czochralski (CZ) -menetelmä
• Liquid-encapsulated Czochralski (LEC) -menetelmä
• Float-zone (FZ) -menetelmä

Leikattujen kiekkojen koko vaihtelee suuresti: halkaisijaltaan ne voivat olla esim. 150, 200 tai 300 mm.Yleisenä suuntauksena on kasvattaa kiekon halkaisijaa, jolloin yksittäisten piirien yksikkökustannukset pienenevät ja yhdelle kiekolle voi valmistaa suuria määriä yksittäisiä komponentteja tai piirejä. Timanttisahan jäljiltä oleva kiekon rosoinen pinta kiillotetaan ja tasoitetaan. Tuloksena saadaan peilimäinen pinta, jonka päälle piiri rakennetaan.

Valmiit piirit testataan ja sahataan irti kiekosta timanttisahalla. Seuraavaksi toimivat piirit bondataan ja pakataan.

Kuva piikiekon pinnalta ennen yksittäisten lastujen irtisahausta. Kuva - Intel.

Suurennos muistipiirin "piilastusta".

Bondaus

Piirien liittäminen kotelossa olevaan johdotukseen, eli bondaus voidaan toteuttaa monella eri tavalla. Ylivoimaisesti suosituin menetelmä on nykyään lankabondaus (wirebonding). Lankabondauksessa käytetään yleensä alumiini- tai kultalankaa.

Lankabondauksessa alumiini- tai kultalanka liitetään piirin bondausaukkoon, josta sitten toinen pää vedetään puolijohdetta ympäröivään raamiin (Lead Frame), jossa on johtimet rakennealustaan ja kotelossa oleviin komponentin (ulkoapäin) näkyviin jalkoihin. Lankojen bondaus tehdään käyttämällä ultraääntä tai lämpökompressiota. Bondauksen jälkeen piiri suojataan koteloimalla.

Suurennos mikropiirin bondauksesta. Piilastun johtimet on yhdistetty ohuilla langoilla varsinaisessa kotelossa olevaan johdotukseen, ja sitä kautta komponenttikotelon jalkoihin.

Komponentin kotelo

Komponenttien koteloinnille asetetaan monia vaatimuksia, mm.:

• muodostaa yhteys mikrosirun ja piirilevyn välille
• suojata puolijohdetta fyysisiltä vaurioilta
• suojata piiriä myös ympäristön vaikutuksilta, kuten kemikaaleilta ja kosteudelta
• lisäksi kotelon pitää usein olla lämmönjohtavaa materiaalia, jolloin se voi siirtää mikrosirussa syntyvän lämpöenergian ulkoilmaan

Mikrosirun kotelot voidaan jakaa kahteen tyyppiin: hermeettiseen ja ei-hermeettiseen. Hermeettinen (suljettu) kotelo on tehty muovista, metallista tai keraamista ja se suojaa sirua kosteudelta ja haitallisilta kaasuilta ja se soveltuu vaativiin olosuhteisiin. Ei-hermeettisiä koteloita käytetään mm. kodinelektroniikassa. Ne takaavat riittävän suojan ympäristön vaikutuksia vastaan tällaisissa olosuhteissa. Ei-hermeettiset kotelot ovat valmistettu yleensä epoksihartseista ja erilaisista muoveista.

Mikropiirin liittäminen suoraan piirilevylle ilman varsinaista koteloa

COB

Puolijohdepiirit voidaan liittää myös suoraan piirilevylle tai keraamiselle rakennusalustalle käyttämällä perinteistä lankabondausta. Tällöin puhutaan COB-tekniikasta (Chip-On-Board). Liittämisprosessin jälkeen piiri suojataan ympäristöltä käyttämällä orgaanisia yhdisteitä kuten esim. epoksia, myös silikonia on aikoinaan käytetty. COB on halpa massavalmistuksessa, mutta vaatii kalliit laitteet ja tilat puolijohteiden käsittelyä varten.

COB:n käytöllä on muutamia olennaisia hyötynäkökulmia. Ensinnäkin se säästää alustatilaa ja lisäksi, koska kotelointia ei tarvita, kustannukset pienenevät ja varastotilaa tarvitaan vähemmän. Liitettäviä piirejä täytyy olla riittävästi, jotta COB on taloudellisesti kannattavaa. Lisäksi on muistettava, että liitettävillä komponenteilla on myös tehorajoituksia.

Nystytys

Toinen uudempi menetelmä piirin liittämiseksi suoraan piirilevylle on ns. nystytys. Nystyjä voidaan tehdä monista materiaaleista kuten kullasta, kuparista ja tinalyijystä. Nykyään tekniikan kehityksen myötä ovat yleistyneet polymeerinystyt, joissa johtavana aineena toimii metallipartikkeleilla täytetty epoksi tai muu johtava muovi.

Nystytyksessä voidaan käyttää kahta liitostapaa, joko TAB (Tape Automated Bonding) tai Flip-chip -liitosta. TAB-tekniikassa nystytetyt piirit liitetään teipissä olevaan johtavaan raamiin, joten lopputulos muistuttaa perinteisten IC-piirien johdotusta. Teipin johtava pinta voidaan tehdä mm. polyamidista. Sitten piiri johtimineen liitetään alustalle ja suojataan lopuksi epoksilla tai silikonilla.

Flip-chip -tekniikalla saadaan aikaiseksi kaikkein tiheintä pakkaustekniikkaa, myös tuotannon nopeus saadaan pidettyä korkealla. Liitos voidaan tehdä normaalisti juottamalla tai käyttämällä erilaisia liimoja (johtavat tai anisotrooppiset liimat). Liitos voidaan muodostaa myös käyttämällä termokompressiota, jossa kultaiset pinnat liitetään toisiinsa lämmön ja paineen avulla. Koska liitoksessa ei ole mitään ulkonevia osia, kuten johtimia, tilansäästö on huomattavaa. Nykyisin pakkaustiheys on luokkaa 50 liitosta/cm². Pakkaustiheyden kasvattaminen vaikuttaa suoraan verrannollisesti toimintojen määrän lisääntymiseen piirillä.

Flip-chipejä voidaan liittää monenlaisille alustoille, kuten keraamisille ja orgaanisille. Kun käytetään MCM-levyjä (Multi Chip Module) eli alustassa on useita puolijohteita liitettynä, flip-chip -tekniikka on kätevä ratkaisu.