Кристалл (Die) — это базовый элемент микроэлектроники, представляющий собой отдельный полупроводниковый чип, содержащий законченную функциональную схему (интегральную микросхему, диод, транзистор) или пассивный элемент (резистор, конденсатор). Кристалл получают путём разрезания (dicing или sawing) обработанной кремниевой пластины (Wafer) на отдельные прямоугольные или квадратные фрагменты. Он является «ядром» любого корпусного электронного компонента и предназначен для последующего монтажа в корпус (packaging) или непосредственно на подложку (в технологии корпусирования «чип-на-плате» — Chip-on-Board, COB).
Конструкция и этапы производства
Кристалл является результатом завершающего этапа фронт-энд (front-end) производства полупроводников.
-
Пластина (Wafer). На монокристаллической кремниевой пластине диаметром 150, 200 или 300 мм методами фотолитографии, эпитаксии, ионного легирования и напыления формируются сотни или тысячи идентичных схем.
-
Тестирование на пластине (Wafer Testing). С помощью контактных щупов (probe card) проверяется электрическая работоспособность каждой схемы на пластине. Негодные кристаллы отмечаются (ink dot или электронная карта).
-
Нарезка (Dicing). Пластина разрезается алмазным пильным диском (dicing saw) или лазером по специальным промежуткам (scribe lines) на отдельные кристаллы. Типичные размеры кристалла составляют от долей миллиметра до нескольких сантиметров.
-
Сортировка и транспортировка. Исправные кристаллы извлекаются и помещаются в специальные лотки (waffle packs) или на клейкую ленту (blue tape) для передачи на этап сборки (back-end).
Типы и применение
Кристаллы делятся на категории в зависимости от сложности схемы:
Активные кристаллы содержат транзисторы и формируют логические схемы, процессоры, память, микроконтроллеры, аналоговые ИМС.
Пассивные кристаллы представляют собой, например, тонкоплёночные резисторы или конденсаторы, изготовленные на отдельной полупроводниковой подложке.
Дискретные кристаллы содержат один элемент, например, силовой MOSFET или диод Шоттки.
Бескорпусные кристаллы используются в нескольких технологиях продвинутого монтажа:
-
Корпусирование (Packaging). Кристалл приклеивается или припаивается к основанию корпуса (leadframe, substrate), после чего соединяется с выводами корпуса тонкими проволочными перемычками (wire bonding) или флип-чип методом.
-
Непосредственный монтаж на плату (Chip-on-Board, COB). Кристалл приклеивается непосредственно на печатную плату и соединяется с ней проволочными перемычками, после чего заливается компаундом (glob top).
-
Сборки типа SiP и 3D-интеграции. Несколько кристаллов (Dice) монтируются на общую межсоединительную подложку (interposer) для создания системы в корпусе (System-in-Package, SiP).
Контроль качества
Контроль кристаллов включает проверку геометрических размеров (по ГОСТ Р 57441-2017), электрических параметров и визуальный осмотр на наличие сколов (chipping) по краям или трещин. Работа с кристаллами требует условий чистого помещения (cleanroom) и защиты от электростатических разрядов (ESD) в соответствии с ГОСТ IEC 61340-5-1-2019.
Источники: IPC-T-50M (defines Die), JEDEC стандарты на терминологию и испытания (например, JESD22, JESD78), ГОСТ Р 57441-2017 «Микросхемы интегральные. Термины, определения и буквенные обозначения электрических параметров», ГОСТ IEC 61340-5-1-2019 «Электростатика. Часть 5-1. Защита электронных устройств от электростатических явлений. Общие требования».