Derin Okuma — Flip Chip

Yüzü aşağı dönük bir çip

Bir yarı iletken fabrikasının son test hattında, işlemcinin üst yüzeyi değil alt yüzeyi kameraya bakar. Silisyumun içine kazınmış milyarlarca transistör, karta bakan taraftadır. Çip ters çevrilmiştir. Tek hareket, son otuz yılın en sessiz ama en belirleyici ambalaj kararıdır.

Geleneksel yöntemde çip yüzü yukarı bakar, kenarlardaki temas pedlerinden ince altın tellerle karta bağlanır. Teller çipin çevresini dolaşır, sinyal bu dolambaçlı yolu kat eder. Flip chip'te ise temas noktaları çipin alt yüzeyine dağıtılır ve doğrudan kart üzerindeki karşılıklarına oturur. Yol kısalır, çevre kısıtı ortadan kalkar.

Peki bu kadar basit bir geometri değişikliği neden on yıllar aldı?

Lehim topu neden küçülür

Çipin alt yüzeyine dizilen temas noktalarına "lehim topu" denir. Her top, kabaca 20 ile 100 mikrometre çapında bir kurşunsuz alaşım damlasıdır. Kalay-gümüş-bakır üçlüsü en yaygın tercihtir. Toplar çip üzerine dizildikten sonra yaklaşık 240-260 santigrat derecede eritilir ve kartla birleşir.

Sıcaklık aralığı tesadüf değil. Alaşımın erime noktası 217 santigrat civarındadır, süreç penceresi dar tutulur ki hem lehim aksın hem de altındaki polimer katman yanmasın. Yeniden akış fırınında çip 60 ile 90 saniye arasında bu sıcaklıkta tutulur. Fazla kalırsa intermetalik bileşik büyür ve bağlantı kırılganlaşır.

Top sayısı çipe göre değişir. Basit bir sensörde birkaç yüz, modern bir yapay zeka hızlandırıcısında on binlerce top bulunur. Her top hem elektrik hem mekanik hem de ısı yolu işlevi görür. Bir tanesinin çatlaması, tüm çipin ölümü demektir.

Topların dizilimi rastgele değildir. Merkez bölgeye sinyal topları, çevreye güç ve toprak topları yerleştirilir. Güç topları daha büyük tutulur, çünkü akım taşırlar ve düşük direnç isterler. Sinyal topları küçülür, çünkü hız ve empedans kontrolü öne çıkar. Bir hızlandırıcıda güç-toprak topları toplam sayının yarısına kadar çıkabilir.

Top çapı küçüldükçe dizme hassasiyeti artar. 60 mikrometre çapında bir top, kart üzerindeki karşılığına 10 mikrometre toleransla oturmalıdır. Tolerans, dizme makinesinin görüntü işleme çözünürlüğüne bağlıdır. Makine bir topu yanlış yere bırakırsa, çip yeniden akışta köprü kurar ve kısa devre olur.

Bir sınır da "top çökmesi" denen şeydir. Yeniden akış sırasında top erir, yüzey gerilimi onu küreye çeker, kart ile çip arasında kalan mesafe topun yüksekliğini belirler. 60 mikrometre çaplı bir top tipik olarak 40-45 mikrometre yükseklikte oturur. Daha ince bir ara mesafe istenirse top çapı da küçülmek zorundadır, çünkü yükseklik çapla doğru orantılıdır. Bu, alt dolgu boşluğunun alt sınırını da çizer.

Dizme makineleri saatte 100 binden fazla top yerleştirebilir. Ama hız arttıkça konumlama hatası da büyür. O yüzden üretim hattı genelde iki kademede çalışır. Yüksek hızlı kaba dizme, ardından düşük hızlı hassas düzeltme. İkinci kademe, ilk kademenin bıraktığı birkaç mikrometrelik sapmayı geri toplar.

Alt dolgu neden zorunlu

Lehim topları çip ile kart arasında küçük bir boşluk bırakır. Boşluk hava ile dolarsa, ısınma-soğuma döngülerinde lehim yorulur ve çatlar. Çözüm "alt dolgu" adı verilen bir reçine enjeksiyonudur. Sıvı epoksi kılcal etkiyle boşluğa çekilir, sonra kürlenir.

Kılcal akış hızı, boşluğun yüksekliğine ve reçinenin viskozitesine bağlıdır. Tipik bir flip chip alt dolgusunda boşluk 30 ile 80 mikrometre arasındadır. Reçine bu mesafeyi dakikalar içinde doldurur. Kürleme ise 150 santigrat civarında bir ile iki saat sürer.

Alt dolgu kalitesi doğrudan güvenilirliği belirler. Boşlukta kalan hava kabarcığı, ısıl döngü testinde ilk çatlağın çıktığı yerdir. O yüzden enjeksiyon sonrası X-ışını veya akustik mikroskopla tarama yapılır. Görünmeyen bir kabarcık, sahada görünen bir arıza olur.

Reçinenin ısıl genleşme katsayısı lehimle silisyum arasında bir yere ayarlanır. Silisyum kabaca 2,6 ppm/derece genleşir, tipik kart malzemesi 15-17 ppm/derece. Reçine bu iki uç arasında bir köprü kurar, gerilimi kademeli dağıtır. Dolgu viskozitesi düşük tutulursa akış hızlanır ama kabarcık riski artar. Yüksek viskozite kabarcığı azaltır ama boşluğu tam doldurmaz.

Bir başka sınır, çip boyutudur. 20 milimetre kenarlı bir çipin altına reçineyi tek noktadan doldurmak zordur. O yüzden büyük çiplerde çok noktalı enjeksiyon veya "ön dağıtım" yöntemi kullanılır. Reçine çipin bir kenarından verilir, karşı kenardan çıkması beklenir. Çıkış görülmezse dolgu eksik demektir.

Kürleme profili de ince bir iştir. Sıcaklık çok hızlı yükselirse reçine içindeki çözücü aniden buharlaşır ve kabarcık oluşur. Çok yavaş yükselirse hat süresi uzar, verim düşer. Tipik profil 30 dakikada 90 dereceye, ardından 60 dakikada 150 dereceye çıkar. Rampa, reçinenin viskozitesini düşürüp akışı kolaylaştırır, sonra sertleştirir. Rampa atlanırsa, çip içinde kalan boşluklar ısıl döngüde çatlağa dönüşür.

Bir başka gizli sınır, "filler" boyutudur. Reçinenin içine ısıl genleşmeyi düşürmek için silika tozu katılır. Tozun tane boyutu, alt dolgu boşluğundan küçük olmak zorundadır. 30 mikrometrelik bir boşluğa 5 mikrometrelik filler sığar, 20 mikrometrelik filler sığmaz. Boşluk küçüldükçe filler da küçülmek zorundadır, bu da reçinenin ısıl özelliklerini zorlar. Ambalaj mühendisliğinin görünmeyen bir sıkışma noktası buradadır.

Isı neden artık çipin içinden çıkar

Flip chip'in en az konuşulan kazancı ısı yoludur. Tel bağlamada ısı, çipin üst yüzeyinden yayılır ve ince teller üzerinden sınırlı miktarda taşınır. Flip chip'te ise ısı, lehim toplarından doğrudan karta akar. Kart bir soğutucuya bağlıysa, yol kısalır ve termal direnç düşer.

Fark, yüksek güçlü yapay zeka çiplerinde belirleyici hale gelir. Bir hızlandırıcı 700 watt'a kadar güç çekebilir. Gücün tamamı ısıya dönüşür. Isıyı çipin içinden çıkarmak için lehim topu dizisi, bir tür mikro radyatör gibi çalışır. Topların yoğunluğu arttıkça ısı yolu da genişler.

Termal genleşme katsayısı farkı burada devreye girer. Silisyum az genleşir, kart çok genleşir. Sıcaklık değişince ikisi farklı oranlarda büyür ve lehim toplarına makaslama gerilimi biner. Alt dolgu bu gerilimi dağıtır. Dolgu olmadan, büyük çipler birkaç bin döngüde çatlar.

Termal direnç, ambalajın en kritik ölçüsüdür. Bir flip chip'in bağlantıdan karta termal direnci tipik olarak 0,1 ile 0,3 santigrat/watt arasındadır. Tel bağlamada bu değer iki üç katına çıkar. 700 watt'lık bir çipte 0,1 derece/watt farkı, 70 derecelik sıcaklık farkına dönüşür. Fark, çipin çalışma ömrünü doğrudan belirler.

Isı yolu tek başına yetmez. Çipin arka yüzeyi de soğutucuya bağlanır, çoğu zaman termal macun veya faz değişim malzemesiyle. Yani ısı iki yoldan çıkar. Birincisi lehim toplarından karta, ikincisi çipin üst yüzeyinden soğutucuya. İki yolun dengesi, çipin güç dağılımına göre ayarlanır.

Bir ayrıntı daha var. Topların altındaki bakır pedler, ısıyı yatay yönde yayar. Pedlerin kalınlığı ve alanı, ısı direncini doğrudan etkiler. Tipik bir hızlandırıcıda ped kalınlığı 5 ile 10 mikrometre arasındadır. Daha kalın ped ısıyı daha iyi yayar ama çipin altındaki yönlendirme katmanını sıkıştırır. Bu, ambalaj tasarımının sessiz bir denge noktasıdır.

Kritik sıcaklık eşiği de var. Silisyumun güvenilir çalışma sınırı kabaca 105-110 santigrat'tır. Eşiğin üstünde çipin ömrü logaritmik olarak kısalır. 10 derecelik sıcaklık artışı, güvenilirliği yaklaşık yarıya indirir. Flip chip'in termal kazancı, doğrudan bu eşiğin altında kalma süresini uzatır.

Neden her çip flip chip olmuyor

Flip chip pahalı bir ambalajdır. Top dizme, alt dolgu, X-ışını taraması ve yeniden akış adımları tel bağlamaya göre daha fazla ekipman ister. Düşük güçlü, düşük hızlı bir mikrodenetleyici için bu maliyet gereksizdir. Tel bağlama hala ucuz çiplerin standardıdır.

Karar eşiği kabaca şuradadır. Çip 5 watt'ın altında çalışıyorsa ve sinyal hızı birkaç yüz megahertz'i geçmiyorsa, tel bağlama yeterlidir. Güç 20 watt'ı aşarsa veya sinyal hızı gigahertz'e çıkarsa, flip chip kaçınılmaz hale gelir. Aradaki bölge, uygulamaya göre değişen gri alandır.

Bir başka sınır, çipin çevre uzunluğudur. Tel bağlama pedleri yalnızca çipin kenarlarına dizilebilir. 10 milimetre kenarlı bir çipin çevresi 40 milimetredir. Ped aralığı 50 mikrometre ise, en fazla 800 tel bağlanabilir. Flip chip'te ise tüm alt yüzey kullanılabilir, aynı çipe on binlerce top sığar. Bu, giriş-çıkış sayısında yüz kat fark demektir.

Yapay zeka hızlandırıcıları bu yüzden flip chip'e mahkumdur. Bir hızlandırıcının bellek bant genişliği, saniyede terabaytlarla ölçülür. Bant genişliği, çip ile bellek arasındaki binlerce paralel bağlantıdan geçer. Tel bağlama bu sayıyı taşıyamaz. Geometri, mimariyi belirler.

Bir sınır daha var. Tel bağlamada altın telin endüktansı yüksektir. Uzun tel, yüksek frekansta empedans oluşturur ve sinyal bozulur. Flip chip'te yol kısaldığı için endüktans düşer, sinyal daha temiz kalır.

Ama kısa yol aynı zamanda empedans uyumsuzluğuna da açıktır. Top ile ped arasındaki geçiş, bir yansıma noktası yaratır. O yüzden yüksek hızlı tasarımlarda top geometrisi empedans modellemesiyle birlikte çalışılır.

Son sınır, test edilebilirlik. Flip chip'te toplar çipin altındadır, test probları zor erişir. O yüzden toplar dizilmeden önce çip geçici temas noktalarıyla test edilir. Test sonrası hasarlı çip atılır. Bu, toplar dizildikten sonra çipin atılmasından çok daha ucuzdur. Test sırası, ambalaj ekonomisinin görünmeyen bir kalemidir.

Piyasa Hafızası

2006 yılında Intel, "Presler" kod adlı Pentium D işlemcisinde flip chip ambalajı ana akım masaüstü segmentine taşıdı. O dönemde tel bağlama hala ucuz çiplerin standardıydı. Intel'in 65 nanometre sürecinde ürettiği bu çift çekirdekli işlemci, lehim topu dizisiyle karta oturuyordu. Karar, ambalaj maliyetini artırdı ama sinyal gecikmesini ve ısı direncini düşürdü.

Aynı yıllarda AMD, Athlon 64 serisinde benzer geçişi yaptı. İki büyük üreticinin aynı yöne gitmesi, tedarik zincirinde alt dolgu reçinesi ve lehim topu tedarikçilerini büyüttü. Ambalaj artık çipin arkasında görünmez bir detay değil, performansın ön koşuluydu. Ders şuydu. Geometri değişince tedarik zinciri de değişir.

Küçük Bir Hesap

Aşağıdaki tablo, temsili bir yapay zeka hızlandırıcısının ambalaj ekonomisini gösterir. Sayılar temsili, mantık gerçek.

Topların toplam lehim maliyeti 16 doları bulur. Reçine ise yalnızca 1,8 dolar tutar. Yani maliyetin neredeyse tamamı lehimden gelir, dolgu neredeyse bedavadır. Verim %97'den %95'e düşerse, çip başına maliyet yaklaşık 0,4 dolar artar. Küçük görünen bu fark, milyonlarca çipte milyonlarca dolara dönüşür.

Duyarlılık burada yatar. Lehim topu sayısı iki katına çıkarsa maliyet iki katına çıkmaz, çünkü dizme süresi ve hat verimi sabit kalır. Asıl sıçrama, top çapı küçüldükçe dizme hassasiyetinin artmasıyla gelir. 60 mikrometreden 40 mikrometreye inmek, aynı alana daha çok top sığdırır ama hattın yeniden kalibrasyonunu gerektirir.

Üç katmanlı okuma

Birincisi, flip chip bir ambalaj tercihi değil, bir performans zorunluluğudur. Tel bağlama çevresel kısıtı, yüksek bant genişliği ve yüksek güçte tıkanır. Geometri değişmeden hız artmaz.

İkincisi, kazanç yalnızca elektriksel değildir. Isı yolu, mekanik dayanıklılık ve tedarik zinciri aynı kararla birlikte değişir. Alt dolgu reçinesi gibi görünmez bir malzeme, çipin ömrünü belirler.

Üçüncüsü, maliyetin ağırlığı lehimdedir, dolguda değil. O yüzden ambalaj mühendisliği, top sayısı ve çapı etrafında döner. Küçük bir mikrometre farkı, milyonlarca dolarlık verim farkına dönüşür.

Çipin yüzü aşağı döndüğünde, yalnızca temas noktaları değil, tüm ekonomisi de yer değiştirdi.