Công nghệ vi điện tử - Kỹ thuật hàn dây và hàn chíp (Phần II)

Như đã nói ở phần trước, IC sau khi được chế tạo nằm trên tấm silion, được cắt ra và gắn lên trên các thành phần mạch tích hợp. Lúc này mỗi chíp đơn được gọi là DIE (tạm gọi là chíp trần). Trong ảnh là một chíp trần của một cấu trúc MOS (Metal-Oxide-Semiconductor), một cấu trúc transistor rât 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 hiểu thêm về phần này chúng tôi xin trình bày một chút hiểu biết của mình để bạn đọc chia sẻ. Công nghệ thay đổi hàng tháng, hàng tuần thậm chí hàng ngày, mô tả toàn bộ quá trình đóng vỏ trong một vài trang giấy là điều không thể. Ở bài này chúng tôi chỉ mạn phép được đưa ra những thông tin đơn giản nhất trong quá trình đóng vỏ chíp đó là hàn chíp và hàn dây. 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: 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 trên các khung chế tạo sẵn (leadframe-ảnh bên là Leadframe của Alcatel Microelectronics) mà thông qua đó chúng ta có thể tháo lắp chíp trên các mạch điện tử một cách dễ dàng . 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 (ảnh). Kỹ thuật này cho phép giữ chíp một cách chắc chắn đồng thời không làm tổn hại đến bề mặt chíp.

Ở một số thiết bị (như của hãng WESTBOND), kỹ sư chế tạo máy đã tích hợp thêm một động cơ vào đầu gắp chân không, cho phép đặt chíp vào đúng vị trí của leadframe bằng cách chỉnh méo dưới kính hiển vi quang học hoặc CCD camêra. Hai kỹ thuật thường được sử dụng để gắn die lên trên leadframe đó là kỹ thuật eutectic và kỹ thuật dùng keo dính.

(Ảnh bên: Quá trình gắn chíp bao gồm – nhặt chíp lên bằng bút chân không, định vị và hàn)

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 tinh ở một điều 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).

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 T_m 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. 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)

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 (thermocompression bonding - TC) và phương pháp hàn dùng diêu âm (ultrasonic bonding- US).

Phương pháp TC được phát triển tại phòng thí nghiệm Bell (Hoa Kỳ) phục vụ cho ngành vi điện tử từ 1957, và mãi đến những năm 1960 mới được thay thế bằng phương pháp hàn dùng siêu âm. Phương pháp hàn TC dùng lực nén khi hàn, nhiệt độ cao trong điều kiện chân không hoặc khí trơ (N₂, hoặc Ar) để tạo ra mối hàn.

Kỹ thuật hàn dùng siêu âm (Ultrasonic Technique)

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 tyWESTBOND 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.

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.

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 (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 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.

Những công đoạn tiếp theo là đóng vỏ trong môi trường chân không hoặc khí hiếm (trong giai đoạn này, chúng ta có thể sử dụng các sản phẩm như của công ty Polaris), kiểm tra độ ổn định của chíp và một số công đoạn thử nghiệm khác trước khi đưa vào sử dụng.

Thay cho lời kết

Với hai bài viết ngắn ngủi tác giả hy vọng sẽ mang đến cho quý độc giả một cái nhìn tương đối tổng quan về công nghệ chế tạo chíp – từ phiến silicon đến việc hàn dây đóng vỏ. Công nghệ cao này không phải là điều mơ ước mà đã trở thành hiện thực tại Việt Nam, trước kia là nhà máy Z181, nay là sự hiện diện của những công ty khổng lồ trong lĩnh vực này như Intel, HonHai – Foxconn…. Sự xuất hiện của rất nhiều nhà phân phối trong lĩnh vực này như công ty ACROSEMI (www.acrosemi.com), WESTBOND, SEMICONDUCTOR EQUIPMENT, AMI-PRESCO, POLARIS, hoặc NEUTRONIX-QUINTEL cho thấy nghành công nghiệp này đang là ngành mang lại nhiều lợi ích cho tất cả các bên tham gia. Chúng tôi cũng hy vọng nhận được sự chia sẻ của quý bạn đọc.

Mai Tuỳ Phong