RU154339U1

RU154339U1 - SILICON SWITCHBOARD

Info

Publication number: RU154339U1
Application number: RU2014148449/07U
Authority: RU
Inventors: Николай Александрович Брюхно; Владимир Иванович Громов; Вячеслав Васильевич Огнев; Юрий Николаевич Севастьянов; Виктория Викторовна Стрекалова; Алина Юрьевна Фроликова
Original assignee: Зао "Группа Кремний Эл"
Priority date: 2014-12-01
Filing date: 2014-12-01
Publication date: 2015-08-20

Abstract

Кремниевая коммутационная плата, состоящая из кремниевой подложки, слоев диэлектриков и слоев металлической разводки с межсоединениями и контактными площадками для монтажа микросхем методом перевернутого кристалла, отличающаяся тем, что контактные площадки выполнены во впадинах кремниевой коммутационной платы глубиной 15-25 мкм, а в качестве верхнего слоя диэлектрика используют нитрид кремния.Silicon patch board, consisting of a silicon substrate, layers of dielectrics and layers of metal wiring with interconnects and contact pads for mounting microcircuits by the inverted crystal method, characterized in that the contact pads are made in the depressions of the silicon patch board with a depth of 15-25 μm, and as an upper layer dielectric use silicon nitride.

Description

Областью применения данной полезной модели является сборочное производство многофункциональных многокристальных модулей и сверхбольших интегральных схем (СБИС) на их основе.The scope of this utility model is the assembly production of multifunctional multi-chip modules and ultra-large integrated circuits (VLSI) based on them.

Известны кремниевые коммутационные платы, состоящие из кремниевой подложки, слоев диэлектриков и слоев металлической разводки для монтажа микросхем методом перевернутого кристалла (см., например, патент США US6359790 B1, класс H05K 1/11 от 19 марта 2002 г.; статья на русском языке «Многокристальные модули - высокоэффективное средство сборки новых поколений СБИС» в журнале «Электроника» №6, 1989 г., стр. 10-12).Known silicon patch boards, consisting of a silicon substrate, layers of dielectrics and layers of metal wiring for mounting chips by the inverted crystal method (see, for example, US patent US6359790 B1, class H05K 1/11 dated March 19, 2002; article in Russian " Multi-chip modules are a highly efficient means of assembling new generations of VLSIs ”in the journal“ Electronics ”No. 6, 1989, pp. 10-12).

Коммутационные платы на основе кремния позволяют идеально согласовать термические коэффициенты расширения (ТКР) платы и кремниевых кристаллов, монтируемых на них, что позволяет уменьшить допуски на компенсации ТКР между кристаллом и платой, а при использовании монтажа кристаллов методом перевернутого кристалла существенного увеличить плотность монтажа.Silicon-based patch cards allow you to perfectly match the thermal expansion coefficients (TCR) of the board and silicon crystals mounted on them, which allows you to reduce the tolerances for TCR compensation between the crystal and the board, and when using crystal mounting using the inverted crystal method, significantly increase the mounting density.

Наиболее близкой к предлагаемой является кремниевая коммутационная плата, состоящая из кремниевой подложки, слоев диэлектриков и слоев металлической разводки с межсоединениями и контактными площадками для монтажа микросхем методом перевернутого кристалла (см., например, справочник С.F. Coombs «Printed circuits handbook», 2008, p. 3.17).Closest to the proposed is a silicon patch board, consisting of a silicon substrate, layers of dielectrics and layers of metal wiring with interconnects and pads for mounting microcircuits using the inverted crystal method (see, for example, C.F. Coombs Handbook “Printed circuits handbook”, 2008 , p. 3.17).

Недостатком данного устройства является то, что при уменьшении размеров контактных площадок менее, чем 150 мкм и шага менее, чем 250 мкм при монтаже методом перевернутого кристалла часто наблюдается замыкание соседних шариков или столбиков излишками припоя, особенно при небольшом рассовмещении шариков или столбиков монтируемого кристалла с контактными площадками кремниевой платы, что не позволяет увеличить плотность монтажа.The disadvantage of this device is that when the size of the contact pads is less than 150 microns and the pitch is less than 250 microns during installation by the inverted crystal method, often closes adjacent balls or columns with excess solder, especially with a small misregistration of the balls or columns of the mounted crystal with contact silicon board pads, which does not allow to increase the density of installation.

Целью предполагаемой полезной модели является увеличение плотности монтажа за счет уменьшения замыканий соседних шариков или столбиков излишками припоя.The purpose of the proposed utility model is to increase the mounting density by reducing the closure of adjacent balls or columns with excess solder.

Указанная цель достигается тем, что в отличие от известной, в предлагаемой кремниевой коммутационной плате, состоящей из кремниевой подложки, слоев диэлектриков и слоев металлической разводки с межсоединениями и контактными площадками для монтажа микросхем методом перевернутого кристалла, контактные площадки выполнены во впадинах кремниевой коммутационной платы глубиной 15-25 мкм, а в качестве верхнего слоя диэлектрика используют нитрид кремния.This goal is achieved by the fact that, in contrast to the known, in the proposed silicon patch plate, consisting of a silicon substrate, layers of dielectrics and layers of metal wiring with interconnects and contact pads for mounting microcircuits by the inverted crystal method, the contact pads are made in the depressions of the silicon patch card with a depth of 15 -25 μm, and silicon nitride is used as the upper layer of the dielectric.

Наличие впадин позволяет осуществлять самосовмещение шариков или столбиков монтируемого кристалла с контактными площадками кремниевой платы и, таким образом, исключается рассовмещение выводов кристалла с контактными площадками платы. В качестве верхнего слоя диэлектрика используют слой нитрида кремния, который не смачивается применяемыми в промышленности припоями. Поэтому излишки припоя будут удерживаться силами поверхностного натяжения припоя и не переходить на соседние шарики или столбики.The presence of depressions allows self-alignment of the balls or columns of the mounted crystal with the contact pads of the silicon board and, thus, the misalignment of the crystal leads with the contact pads of the board. As the upper dielectric layer, a silicon nitride layer is used, which is not wetted by solders used in industry. Therefore, excess solder will be retained by the surface tension of the solder and not pass to adjacent balls or posts.

Минимальная глубина - 15 мкм - обусловлена тем, что, начиная с этой глубины, проявляется эффект самосовмещения шариков или столбиков монтируемого кристалла с контактными площадками кремниевой платы. Максимальная глубина - 25 мкм - обусловлена тем, что при больших глубинах впадин увеличивается трудоемкость изготовления и может уменьшиться прочность кремниевой платы.The minimum depth - 15 microns - is due to the fact that, starting from this depth, the effect of self-alignment of the balls or columns of the mounted crystal with the contact pads of the silicon board is manifested. The maximum depth of 25 μm is due to the fact that at large depths of depressions, the complexity of manufacturing increases and the strength of the silicon board can decrease.

Сущность предлагаемой полезной модели поясняется рисунками. На фиг. 1 изображена конструкция предлагаемой платы, на фиг. 2 коммутационная плата, со смонтированным на ней кристаллом микросхемы с шариковыми выводами (условно показан один шарик).The essence of the proposed utility model is illustrated by drawings. In FIG. 1 shows the design of the proposed board, in FIG. 2 patch board, with a chip of ball-mounted microcircuit mounted on it (one ball is conventionally shown).

Позициями на фиг. 1, 2 обозначены:With reference to FIG. 1, 2 are indicated:

1 - кремниевая подложка;1 - silicon substrate;

2 - слои диэлектриков;2 - layers of dielectrics;

3 - слой нитрида кремния;3 - a layer of silicon nitride;

4 - слой металлической разводки с межсоединениями;4 - a layer of metal wiring with interconnects;

5 - контактные площадки;5 - contact pads;

6 - впадина кремниевой коммутационной платы;6 - the cavity of the silicon patch board;

7 - кристалл микросхемы с шариковыми выводами;7 - chip microcircuit with ball terminals;

8 - контактная площадка микросхемы с шариковыми выводами;8 - contact pad microcircuit with ball terminals;

9 - шариковый вывод после расплава припоя;9 - ball output after the melt of solder;

H - глубина впадины кремниевой коммутационной платы.H is the cavity depth of the silicon patch board.

На фиг. 1 приведена конструкция предлагаемой платы. Наиболее целесообразным является использование кремниевых подложек ориентации (100), т.к. при травлении получаются впадины, угол наклона стороны которых к вертикали составляет 54°74′, что исключает разрывы металлизации и позволяет применять конформные методы напыления (магнетронное, планетарное и т.п.). На кремниевую монокристаллическую подложку 1 ориентации (100) нанесены слои диэлектриков 2, слой металлической разводки с межсоединениями 4 и контактными площадками 5, выполненными во впадинах кремниевой коммутационной платы 6 глубиной Н, составляющей 15-25 мкм, а в качестве верхнего слоя диэлектрика 3 используют нитрид кремния.In FIG. 1 shows the design of the proposed board. The most appropriate is the use of silicon substrates orientation (100), because during etching, depressions are obtained, the angle of inclination of the side of which to the vertical is 54 ° 74 ′, which eliminates metallization breaks and allows the use of conformal spraying methods (magnetron, planetary, etc.). Layers of dielectrics 2, a layer of metal wiring with interconnects 4 and contact pads 5 made in the depressions of a silicon patch plate 6 with a depth H of 15-25 μm, and nitride 3 are used as the top layer of the dielectric 3, on a silicon single-crystal substrate of orientation (100): 1 (100) silicon.

Указанную плату можно изготовить следующим образом: в кремниевой монокристаллической подложке 1 ориентации (100) анизотропным травлением вытравливают впадины 6 глубиной Н, составляющей 15-25 мкм, угол наклона сторон которых к вертикали составляет 54°74′, что исключает разрывы металлизации, причем, расположение впадин зеркально расположению шариков или столбиков монтируемого на данном месте кремниевой платы кристалла; далее выращивают слой термического оксида кремния 2, толщиной 0,6 мкм; затем методом магнетронного напыления наносят слой алюминия 4, толщиной 1 мкм, формируют методом фотолитографии первый уровень металлизации; далее наращивают слой оксида кремния 2, полученный в плазме при пониженном давлении, толщиной 0,6 мкм и вытравливают отверстия для контактных окон ко второму уровню металлизации, формируют второй уровень металлизации 5 методом магнетронного напыления алюминия и фотолитографии; затем наращивается слой нитрида кремния 3, полученный в плазме при пониженном давлении, толщиной 0,27 мкм, в слое нитрида кремния методом фотолитографии формируют окна в местах расположения контактных площадок до верхнего слоя алюминия, далее последовательно наносят методом электронно-лучевого распыления слой титана, толщиной 0,05 мкм, слой никеля, толщиной 0,4-0,5 мкм, слой серебра или золота, толщиной 0,7 мкм и формируют методом фотолитографии контактные площадки 5.The specified board can be made as follows: in a silicon single crystal substrate of orientation (100), an depression is made by anisotropic etching of a depression 6 of depth H of 15-25 μm, the angle of inclination of the sides of which to the vertical is 54 ° 74 ′, which eliminates the metallization breaks, moreover, the location troughs are mirrored to the arrangement of balls or columns of a silicon crystal board mounted at a given place; then grow a layer of thermal silicon oxide 2, a thickness of 0.6 μm; then, by magnetron sputtering, a layer of aluminum 4, 1 μm thick, is applied, the first metallization level is formed by photolithography; next, a layer of silicon oxide 2 obtained in the plasma under reduced pressure, with a thickness of 0.6 μm, is expanded and the holes for contact windows are etched to the second metallization level, the second metallization level 5 is formed by magnetron sputtering of aluminum and photolithography; then a layer of silicon nitride 3 is obtained, obtained in plasma under reduced pressure, 0.27 μm thick, in the silicon nitride layer by the method of photolithography, windows are formed at the locations of the contact pads to the upper aluminum layer, then a titanium layer of thickness is successively applied by electron beam spraying 0.05 μm, a nickel layer, 0.4-0.5 μm thick, a silver or gold layer, 0.7 μm thick and form pads 5 by photolithography.

При пайке мягкими припоями микросхемы с шариковыми выводами шарики 9, попадая в зеркально расположенные им впадины 6 самосовмещаются. При расплавлении припоя припой не смачивает поверхность нитрида кремния 3 кремниевой платы и за счет сил поверхностного натяжения удерживается в пространстве между контактной площадкой кристалла микросхемы 8 и контактной площадкой кремниевой платы 5, что исключает замыкание соседних контактных площадок (см. фиг. 2).When soldering soft solders, microcircuits with ball terminals, balls 9, falling into the mirrors located 6, are self-aligned. When melting the solder, the solder does not wet the surface of silicon nitride 3 of the silicon board and, due to surface tension forces, is held in the space between the contact area of the chip chip 8 and the contact area of the silicon board 5, which eliminates the closure of adjacent contact areas (see Fig. 2).

Claims

Silicon patch board, consisting of a silicon substrate, layers of dielectrics and layers of metal wiring with interconnects and contact pads for mounting microcircuits by the inverted crystal method, characterized in that the contact pads are made in the depressions of the silicon patch board with a depth of 15-25 μm, and as an upper layer dielectric use silicon nitride.