CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT IC (28/12/2009)
 
Hiện nay, mạch điện tích hợp hay còn gọi là IC phát triển mạnh mẽ. Các loại IC chuyên dụng được sản xuất với mục đích phục vụ trong đời sống và sản xuất. Dưới đây là bài báo giới thiệu về công nghệ sản xuất IC.

Hiện nay trên thế giới tùy theo giá thành sản phẩm, phạm vi công việc, mà các hãng đã đưa ra các sản phẩm IC có cùng tính năng như giá thành và cấu chúc khác nhau, theo kết quả nghiên cứu của đề tài cho thấy trên thị trường thế giới nói trung và thị trường Việt nam nói riêng đã xuất hiện một số loại IC như sau:

  1. IC có chân cắm xuyên lỗ
  2. IC có chân nhưng hàn dán
  3. IC giọt nước, loại này chân được nối trực tiếp lên trên bảng mạch.

 

Có thể tạm chia việc sản xuất IC thành 3 công đoạn như sau:

  1. Công đoạn chế tạo phôi bán dẫn.
  2. Công đoạn đóng vỏ, kỹ thuật hàn chân chip
  3. Công đoạn viết chương trình ứng dụng

 

Đối với chúng ta tại thời điểm hiện tại và trong những năm tiếp theo chỉ có thể thực hiện được công đoạn 2 và 3 “đây là công đoạn không đòi hỏi sử dụng kỹ thuật cao”

 

Các bước thực hiện có thể là:

  • Nhập phôi bán dẫn
  • Chế tạo chân IC trên bảng mạch in
  • Gá phôi bán dẫn lên bảng mạch in
  • Sử dụng máy chuyên dụng mối chân của phôi bán dẫn với bảng mạch in
  • Sử dụng keo đặc biệt phủ kín lên phôi IC và vùng chân đã nối trên bảng mạch
  • Sấy khô keo
  • Tùy theo từng loại IC có thể mạp chương trình hoặc không để đưa lên bàn test kiểm tra chất lượng 
  • In ấn, đóng gói sản phẩn đưa ra thị trường 

 

Các bước thực hiện chế tạo IC hàn dán cũng  giống như chế tạo IC có chân hàn xuyên lỗ, nhưng IC hàn dán có một số ưu và nhược điểm như sau:

 

Ưu điểm của công nghệ này là:

-         Giá thành rẻ

-         Cấu tạo gá lắp bền vững, không bị ảnh hưởng nhiều khi va đập

-         Chất lượng tốt

-         Kích thước nhỏ gọn

 

Nhược điểm của công nghệ này là:

-         Không chịu được nhiệt độ cao khi hàn

-         Lắp ráp và sửa chữa khó khăn

-         Sản xuất phức tạp

Đóng vỏ, kỹ thuật hàn dây và hàn chip

Như đã nói ở trên IC sau khi được chế tạo nằm trên tấm silion, gắn lên trên các thành phần mạch tích hợp, một cấu trúc transistor rất phổ biến trong chế tạo vi mạch điện tử, (nguồn www.vlsi.uwaterloo.ca) – các chân chíp bằng Au hoặc Al màu sáng ở phía ngoài. Rõ ràng những thiết kế rất nhỏ với mỗi chiều khoảng 1 mm đến vài trăm micrô-mét, việc nối dây cho các chíp này để lấy tín hiệu ra là điều không dễ dàng chút nào. Để có thể nối dây, cấp nguồn cho chíp hoạt động (nghĩa là có chíp thành phẩm) chúng ta phải đi qua các công đoạn sau:

  1. Hàn chíp trần (die attach);
  2. Hàn dây (wire bonding);
  3. Kiểm tra chất lượng của mối hàn (pull test).

Như vậy có thể hiểu đây là ba bước cơ bản để chúng ta có thể "giao tiếp được với chip một cách dễ dàng".

Hàn chíp trên đế (Die attach)

Chíp trần, sau khi cắt rời khỏi tấm silicon, được xếp vào trong các khay và sau đó được hàn hoặc được gắn trên các khung hay các mạch in chế tạo sẵn,. Ở công đoạn này mỗi nhà sản xuất sẽ lựa chọn cho mình những dây truyền công nghệ phù hợp với công suất sản xuất cũng như khả năng kinh tế. Trừ những nhà chế tạo lớn, phần lớn các công ty nhỏ và vừa thường lựa chọn các thiết bị hàn die nhân công (manual) hoặc bán tự động. Ở công đoạn này, chíp trần được gắp bằng bút chân không hoặc kẹp chân không, kỹ thuật này cho phép giữ chíp một cách chắc chắn đồng thời không làm tổn hại đến bề mặt chíp.

Hai kỹ thuật thường được sử dụng để gắn die lên trên Leadframe đó là kỹ thuật Eutectic và kỹ thuật dùng keo dính.

Kỹ thuật hàn dùng chất keo dính

Ở kỹ thuật này người ta hay sử dụng các hợp chất có tính chất bám dính tốt như Polyimide, epoxy hoặc keo bạc làm vật liệu hàn khi gắn chíp lên leadframe. Sau khi xác định được vị trí tương thích giữa die và cấu hình trên leadframe, die sẽ được đẩy ra khỏi bút chân không, nén lên trên bề mặt của epoxy và quá trình hàn kết thúc.

Kỹ thuật hàn eutectic, thường được ứng dụng trong đóng gói kín, sử dụng hợp kim cùng tinh để gắp die lên trên leadframe. Kỹ thuật hàn tiên tiến này dựa trên việc sử dụng vật liệu hàn tạo ra hợp kim cùng tính chất ở một nền nhiệt độ đặc biệt nào đó, và điểm nóng chảy của hợp kim thường thấp hơn khi nó ở dạng kim loại đơn lẻ. Hợp kim Au-Si, Au-Sn hoặc Pd-Si thường được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật này. Để gắn được die lên leadframe đầu tiên người ta phủ một lớp vàng với độ dầy phù hợp lên trên bề mặt leadframe hoặc die).


Hình 1

H2.jpg H3.jpg


Trong quá trình hàn, nhiệt độ cao sẽ làm khuếch tán các phân tử silic từ bề mặt die lên lớp vàng của leadframe, tạo ra cùng tinh Au-Si (ví dụ, hợp kim Au-Si với 2.85% Au có điểm nóng chày ở 3630C). Khi hàn người ta sẽ nâng nhiệt độ cao hơn Tm một chút, thường là cỡ 10°C so với nhiệt độ eutectic dẫn đến sự liên khuếch tán giữa chất rắn và chất lỏng ở bề mặt phân cách. Hợp kim eutectic sau đó hoá rắn và được làm lạnh. Hợp phần, điểm cùng tinh của một một số hợp kim được liệt kê trong bảng dưới đây.

Bảng 1 – Hợp phần và điểm nỏng chảy của một số hợp kim được gắn sẵn trên leadframe

Hợp phần

Nhiệt độ (C)

Thể lỏng

Thể rắn

80% Au, 20% Sn

280

280

92.5% Pb, 2.5% Ag, 5% In

300

-

97.5% Pb, 1.5% Ag, 1% Sn

309

309

95% Pb, 5% Sn

314

310

88% Au, 12% Ge

356

356

98% Au, 2% Si

800

370

100% Au

1063

1063

Để tối ưu hoá việc hàn chíp, người ta đưa thêm vào chế độ mài được thực hiện bởi một bộ phát siêu âm, tác dụng lên trên cần hàn, dao động với biên độ cỡ vài micrô-mét.

H4.jpg


Điều này làm tăng độ cọ xát giữa chíp với lớp vàng trên leadframe làm cho quá trình tạo cùng tinh diễn ra dễ dàng hơn. Đến đây, chip đã được gắn chắc chắn trên bề mặt của leadframe, điều chúng ta cần làm hiện nay là nối dây từ chân các chíp này ra chân của leadframe.

 

Kỹ thuật hàn dây (wire bonding)

Kỹ thuật hàn dùng nhiệt (Eutectic Technique)

Kỹ thuật hàn tiên tiến này dựa trên việc sử dụng vật liệu hàn tạo ra hợp kim cùng tinh ở một điều nhiệt độ đặc biệt nào đó. Các hệ như Au-Si, Au-Sn hoặc Pd-Si thường được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật này. Ví dụ, hỗn hợp Au-Si, đầu tiên người ta phủ một lớp vàng với độ dầy phù hợp lên trên một trong hai phiến cần hàn. Lớp Si có thể nhận từ phiến silíc hoặc bằng cách tạo màng. Ở nhiệt độ eutectic 3630C, hợp kim lỏng Au-Si (3%-97%) được hình thành. Nhiệt độ hàn thực chất cao hơn cỡ 10°C so với nhiệt độ eutectic dẫn đến sự liên khuếch tán giữa chất rắn và chất lỏng ở bề mặt phân cách. Hợp kim eutectic sau đó hoá rắn và được làm lạnh.

Kỹ thuật hàn dây Dẹt-Dẹt (Wedge-Wedge Wire Bonding)

Dưới tác dụng của xung siêu âm và lực nén, dây hàn bị nén Dẹt và dính vào điểm hàn (hình  

H5.jpg

Hình a. Kỹ thuật hàn dây Dẹt – Dẹt

2.2.5 Kỹ thuật hàn Tròn – Dẹt (Ball-Wedge Wire Bonding)

Trong kỹ thuật này, một đầu mối hàn được cố định, dây hàn được làm nóng chảy và tạo hình dưới dạng cầu. Mối hàn thứ hai được ép và tạo hình dưới dạng dẹt (hình b).

H6.jpg

Hình b. Kỹ thuật hàn tròn – dẹt


Không giống như hàn dây thiếc trên các linh kiện điện tử, hàn dây chíp là một việc làm đòi hỏi tính kiên nhẫn và sự hiểu biết về cấu trúc IC. Vật liệu hàn ở đây thường là hợp kim Au hoặc Al có đường kính mặt cắt ngang tiêu chuẩn cỡ 25 micromét, Có hai phương pháp gắn sợi dây lên những mối hàn vô cùng nhỏ bé đó là: phương pháp hàn ép nhiệt

2.2.6 Kỹ thuật hàn dùng siêu âm (Ultrasonic Technique)

H7.jpg

Mối hàn, trong phương pháp này, nhận được nhờ tương tác của các yếu tố: lực chân không, áp suất, nhiệt độ và thời gian. Khi hàn, dây hàn được đặt lên trên mối hàn (bonding pad). Tần số siêu âm cộng, lực nén cộng với sự cọ sát ở điểm đầu hàn tiếp xúc với mối hàn đầu tiên làm sạch điểm tiếp xúc giữa hai vật liệu cần hàn (tẩy bỏ lớp oxít bề mặt) sau là làm tăng nhiệt độ ở khu vực đó dẫn đến có sự khuếch tán vào nhau giữa các vật liệu. Ví dụ máy hàn của công ty WESTBOND sử dụng một bộ phát siêu âm kênh đôi, hoạt động ở tần số 63 KHz được điều khiển bởi vi xử lý Motorola 68000 cho các loại máy hàn nhân công (hay vi xử lý Intel Pentium IV theo hệ điều hành Microsoft Windows® XP Professional cho các loại máy hàn tự động), thời gian phát xung và công suất xung có thể thay đổi một cách đơn giản, biên độ dao động ở chế độ cọ sát (scrubs mode) cỡ vài chục micromet xung quanh vị trí cần hàn. Trong kỹ thuật hàn dùng siêu âm, hình dạng mối hàn sẽ quy định cấu hình của đầu hàn – đó là các phép hàn tròn (ball bonding – mối hàn có dạng cầu) và phép hàn dẹt (wedge bonding – mốt hàn có dạng dẹt). Dưới tác dụng của xung siêu âm và lực nén, dây hàn bị nén dẹt và dính vào điểm hàn.


   h8.jpg               h9.jpg                   

Mối hàn dẹt                                                                        Mối hàn tròn

Trong kỹ thuật hàn tròn, trước tiên người ta phải tạo ra đầu dây hàn thành dạng hình cầu bằng cách đưa qua bên dưới đầu dây một thanh quệt, độ chênh lệch cao về điện thế giữa thanh quệt này với đầu dây sẽ tạo ra một tia lửa điện một đầu mối hàn được cố định, dây hàn được làm nóng chảy và tạo hình dưới dạng cầu. Sau đó kim hàn được mang đến bề mặt hàn được gia nhiệt tạo ra mối hàn thứ nhất. Mối hàn thứ hai được hoàn thành giống như ở kỹ thuật hàn dẹt. Kỹ thuật hàn tròn có ưu điểm là cho phép hàn trên những IC có kiến trúc phức tạp, nhiều lớp vì sau mối hàn thứ nhất, người kỹ sư có thể quay sợi dây hàn theo hướng anh ta muốn mà không sợ làm đứt dây hàn, đồng thời phương pháp đi dây ở kỹ thuật hàn tròn là theo chiều thẳng đứng (90°) sẽ tránh được hiện tượng đứt dây khi hàn.

Ngoài hai kỹ thuật trên còn có nhiều kỹ thuật khác như Flip-Chip (hàn lật), hoặc TAB (Tape-automated bonding - thuật ngữ mà kỹ sư Việt Nam hay dùng là: chíp dán). Chúng tôi hy vọng sẽ được giới thiệu vào một dịp khác.

2.2.7 Kiểm tra mối hàn (Pull Test)

Để đảm bảo chất lượng mối hàn người kỹ sư luôn phải kiểm tra xem tiếp xúc giữa dây hàn và mối hàn có tốt hay không. Phương pháp kiểm tra mối hàn thông dụng nhất là phương pháp kéo dãn (Pull Test). Một móc được đưa vào dưới sợi dây hàn giữa hai mối hàn, môtơ – dưới điều khiển của vi xử lý – sẽ kéo móc câu này lên với lực tác dụng có thể thay đổi được. Dữ liệu lối ra trên máy tính hiển thị sẽ cho người kỹ sư biết được mối hàn có tốt hay không.

Hai chế độ kiểm tra có thể sử dụng ở đây là chế độ phá huỷ (còn gọi là destruct) và không phá huỷ (còn gọi là non-destruct) mẫu. Ở chế độ kiểm tra không phá huỷ mẫu, dựa vào lực liên kết mối hàn trên những vật liệu biết trước như Au hoặc Al, người ta sẽ đặt lực kéo vào móc câu với giá trị nhỏ hơn lực làm đứt mối liên kết đó.

2.3 Công nghệ đóng vỏ

Đóng vỏ đối với IC dọt nước thật đơn giản chung ta sử dụng một loại nhựa như  polyimide hòa loãng dưới dạng keo đặc, bơn phủ kím lên phôi đã được hàn chân và các mối hàn trên gá đỡ chip, lớp nhựa phủ qua mối hàn lớn hơm 3mm và độ dầy trên bề mặt 4 mm

Công nghệ hàn dây - Những điều cần chú ý

Đầu hàn

Vị trí
Lực kẹp
Tính chất
Khả năng hàn
Điều kiện bề mặt hàn
Bề mặt địa lý
Diện tích bề mặt hàn

Đế hàn

Nhiệt độ
Khả năng truyền nhiệt
Độ cứng
Môi trường hàn
Độ ổn định
Độ chính xác của phép định vị
Sự đồng hoá

Dây hàn

Kích thước dây
Loại dây
Chịu tải của dây (tải làm đứt dây)
Sự kéo dài
Độ tinh khiết (vật liệu làm dây)
Độ đồng đều
Vặn/Xoắn
Điều kiện bề mặt
Khả năng hàn

Mối hàn

Sự hình thành mối hàn tròn
Sự hoàn tinh của dây hàn
Tiếp xúc Đầu hàn/Dây hàn
Hình thái bề mặt
Quy trình hàn tối ưu
Vị trí hàn
Độ xoắn dây
Tiếp xúc liên kim loại
Thời gian/ Nhiệt độ làm việc
Điều kiện bề mặt tiếp xúc của mối hàn
Hiệu suất hàn

Máy hàn

Sự chuẩn hoá máy
Quy trình hàn tối ưu
Kỹ năng của người vận hành
Hiệu suất hàn
Thời gian
Nhiệt độ
Năng lượng siêu âm
Sự đồng bộ hoá
Khả năng hàn
Áp suất lúc hàn

Bề mặt hàn

Độ sạch của kim loại
Độ đồng đều của kim loại
Bề dầy của lớp kim loại
Độ sạch bề mặt
Hình thái bề mặt
Khả năng hàn kim loại
Thời gian sau khi hàn kim loại/Nhiệt độ hàn

III. LỰA CHỌN SẢN PHẨM ĐỂ SỬ DỤNG IC CỦA ĐỀ TÀI

Đề tài sản xuất IC để nâng cao khả năng chủ động động trong việc sản xuất thiết bị điện, điện tử chính vì vậy chúng Tôi muốn áp dụng công nghệ đơn giản nhưng hiệu quả cao, trong lĩnh vực chế tạo các linh kiện IC chuyên dụng và ứng dụng các phầm mềm đơn giản để hỗ trợ cho các công ty đang sản xuất các sản phẩm điện thoại cố định trong nước, nhằm giảm giá thành cho các bộ linh kiện, mặt khác các nhà sản xuất trong nước chủ động trong việc mua các linh kiện trực tiếp qua từ các nhà sản xuất linh kiện, mà không phải thông qua các nhà lắp ráp của Trung quốc.


Ở đây chúng tôi thử nghiệm một số loại IC như HC 2101  hay HC2102 để tạo ra các sản phẩm như máy điện thoại cố định và một số các sản phẩm khác về điện thoại.

 

Cấu trúc của IC.


 

h10.jpg


Từ phôi IC chuyên dụng với 66 chân có các chức năng chuyên dụng phù hợp với từng sản phẩm, đặc biệt với định hướng sản xuất các thiết bị giá rẻ cạnh tranh được  với các sản phẩm của Trung Quốc, chính vì vậy chúng tôi đã lựa chọn loại phôi IC có chức năng Thu phát “DTMF VÀ FSK” tích hợp sẵn trong phôi, đồng thời để giả giá thành nên bộ nhớ của IC HC2102A chủ yếu là bộ ROM = 4K, “chương trình nạp cho IC chỉ một lần, không nạp lại được” tuy nhiên vẫn có Ram 128by và EFROM 256By, để lưu các số điện thoại gọi đi và đến, ngày giờ…

Với phôi IC trên chúng tôi sẽ tự chủ động thiết kế các mạch đáp ứng các tính năng kỹ thuật của IC nhằm đáp ứng đầy đủ các tính năng kỹ thuật của sản phẩm điện thoại mang thương hiệu Việt với các tính năng ưu việt nhất cùng với giá thành hợp lý và đủ điều kiện cạnh tranh với các sản phẩm nhập ngoại.

 


Tin mới
Đăng ký môn học trực tuyến