Retos y avances en la colocación de chips semiconductores
Imagen 1: Colocación de chips semiconductores
Este artículo ofrece una visión general de los procesos y equipos de fabricación de chips semiconductores, seguida de ejemplos de productos cotidianos que dependen de estos chips. A continuación, se presentan los principales desafíos en la manipulación y colocación de chips semiconductores, e introduce métodos para minimizar daños. Basándose en casos de uso prácticos, se expone la aplicación del Robot Pick-and-Place (PPR) de THK.
Esperamos que este artículo sea de utilidad práctica tanto para jóvenes ingenieros que se inician en la industria de semiconductores, como para profesionales experimentados que ya se enfrentan a los desafíos del proceso de Pick-and-Place de chips.
Los semiconductores como la tecnología fundamental de la industria
Los semiconductores suelen describirse como el negocio “fundamental” de la industria
Su importancia se refleja en una amplia variedad de aplicaciones. Las unidades centrales de procesamiento (CPUs) están integradas en casi todos los teléfonos inteligentes y ordenadores, y los sistemas modernos suelen utilizar múltiples procesadores o arquitecturas multicore para procesar datos de manera eficiente. En aplicaciones complejas, como en los vehículos, también se emplean numerosas CPUs, cada una desempeñando una función específica.
Además de los procesadores, los componentes de memoria son esenciales, ya que almacenan datos temporal o permanentemente durante el procesamiento. Los sensores constituyen otra área de aplicación clave: los sensores de imagen, fotográficos, de aceleración y de presión capturan magnitudes físicas y las convierten en información digital utilizada en numerosos productos de consumo e industriales.
Los semiconductores también han influido de manera significativa en la tecnología de la iluminación. Gracias a su eficiencia, larga vida útil y diseño compacto, los LEDs han reemplazado en gran medida a las fuentes de luz convencionales y ahora se utilizan ampliamente en vehículos, infraestructuras y pantallas.
En general, estos ejemplos ilustran el papel central que los semiconductores desempeñan en la vida cotidiana.
Imagen 2: Aplicaciones de los semiconductores
Chips semiconductores y su fabricación
Los semiconductores se fabrican inicialmente a partir de materiales a base de silicio¹. Los bloques de silicio monocristalino, llamados lingotes, se cortan en obleas delgadas. Estas obleas luego se someten a procesos de pretratamiento, como el estampado de patrones y la singulación de dados, donde la oblea se divide en microchips funcionales individuales.
Estos microchips reciben el nombre de chips semiconductores o dados. El término chip hace referencia a que son pequeñas piezas o fragmentos del lingote de silicio más grande, mientras que dado (die) describe una pieza de material de forma cuadrada o cúbica, similar a un dado de juego, de ahí el nombre de die singulation.
En esta fase, los dados están separados, pero aún no pueden incorporarse directamente a un circuito². Primero deben montarse sobre un marco de conexión polarizado o dentro de un paquete semiconductor que actúe como interfaz con el circuito. Este paso se conoce como die bonding, durante el cual el dado se fija mediante soldadura o adhesivo. Posteriormente, en el proceso de wire bonding, el dado se conecta eléctricamente al marco de conexión o al paquete utilizando finos hilos metálicos. En este punto, tanto los hilos como la superficie del chip quedan expuestos y requieren un manejo cuidadoso. Para garantizar protección mecánica y estabilidad, en la siguiente etapa se aplica una resina en el proceso denominado molding, formando así una encapsulación protectora.
(1) También se utilizan otros materiales.
(2) Al momento de redactarse este artículo, también existía la técnica conocida como flip-chip bonding.
Imagen 3: Proceso de fabricación de semiconductores
Entre las diversas máquinas utilizadas en estas etapas de procesamiento se encuentran los dicers, para la singulación de los dados; los die bonders, para colocar los dados (microchips); los sorters³, para preseleccionar los dados antes del die bonding; y los wire bonders, para el proceso de wire bonding.
(3) Los sorters pueden retirar aquellos chips que se identifiquen como defectuosos durante las pruebas.
Desafíos en la manipulación de chips semiconductores
Volvamos a los procesos en los que las obleas se separan en chips individuales y estos chips son posteriormente recogidos. Durante la singulación de dados, las obleas se fijan a una cinta adhesiva para evitar que los chips se dispersen durante el corte. Tras el proceso de corte, los chips separados de la oblea son sujetos por una herramienta de pick y levantados de la cinta adhesiva.
Debido a las propiedades físicas del silicio, el material puede fracturarse o desarrollar grietas incluso con impactos leves. Esto genera un riesgo de dañar chips que ya han superado exitosamente las etapas de procesamiento anteriores. Para reducir este riesgo, la cinta adhesiva adherida a la oblea se estira (tape expansion) y unos pines expulsores elevan ligeramente los chips desde abajo, uno a la vez. Esto permite que las herramientas de pick separen los chips de la cinta adhesiva de manera más fácil y delicada.
Imagen 4: Expansión de la cinta y elevación de los chips semiconductores mediante una herramienta de pick
El levantamiento de los chips mediante pines expulsores facilita la separación de la cinta adhesiva; sin embargo, requiere una implementación altamente precisa y tecnológicamente exigente. Los siguientes factores complican este proceso:
1. Los chips tienen un espesor muy pequeño y son altamente sensibles al estrés mecánico.
2. Los pines expulsores y las herramientas de pick-up deben estar sincronizados con precisión tanto en tiempo como en espacio.
3. El desgaste puede provocar desalineación de los pines expulsores y los collets⁴ en relación con los chips.
4. En la industria de semiconductores y componentes electrónicos, una boquilla de succión se denomina collet. A continuación, se examinan con más detalle los factores individuales que complican el proceso.
1. Chips delgados y extremadamente sensibles
Como se mencionó anteriormente, los lingotes se cortan en láminas delgadas para producir las obleas semiconductoras. Cuanto más delgadas sean estas obleas, más obleas se pueden obtener de un solo lingote, lo que reduce el coste por oblea. Además, los componentes semiconductores más pequeños y delgados requieren menos área y volumen cuando se montan en una placa de circuito impreso. Todo esto contribuye a que el dispositivo electrónico terminado sea más compacto y que el producto final sea más fácil de usar.
Mientras que muchos chips se adelgazan hasta un grosor de 0,5 a 1,0 mm por razones de resistencia mecánica y para facilitar su manipulación, algunos chips de última generación pueden tener un grosor de apenas unos 20 µm.
2. Movimiento sincronizado del pin expulsor y la herramienta de pick
El pin expulsor se mueve hacia arriba desde la parte inferior de una oblea semiconductor mediante un motor servo u otro mecanismo de accionamiento. El collet de la unidad de pick, de manera similar, es accionado por un motor servo u otro actuador, pero se mueve hacia abajo. La secuencia para recoger un chip semiconductor es la siguiente:
1. El collet se baja hasta el chip mientras se aplica el vacío.
2. El pin expulsor se eleva.
3. El pin expulsor y el collet se levantan simultáneamente.
4. El collet continúa su movimiento ascendente y recoge el chip.
Durante este proceso, el chip está sometido tanto a esfuerzos provocados por el contacto con el collet y el pin expulsor, como a fuerzas resultantes de quedar aprisionado entre ambos. Para reducir el riesgo de daño a estos chips semiconductores delgados, se requiere un control de posición y velocidad altamente preciso, así como un movimiento sincronizado a lo largo del eje vertical.
Según nuestras investigaciones, incluso un apriete de solo unas pocas decenas de micrómetros genera cargas de varios cientos de gramos, lo que hace imprescindible un control de posición estricto.
3. El desgaste puede alterar la posición relativa del pin expulsor y del collet respecto al chip
Los pines expulsores y los collets entran en contacto con los chips miles, si no decenas de miles, de veces cada día, lo que provoca un desgaste gradual con el tiempo. Para contrarrestar este desgaste, se utilizan metales duros e incluso diamantes en estos componentes. No obstante, las puntas de estas piezas pueden deformarse, alterando su posición relativa respecto a los chips. Esto puede provocar tanto errores en la expulsión como daños a los chips manipulados.
Imagen 5: Cargas por impacto provocadas por atascos debido a la falta de capacidad de ajuste durante el levantamiento con el pin expulsor
Beneficios del Robot Pick-and-Place (PPR)
Como sistema integrado, el PPR está equipado con un motor lineal y un codificador para el eje Z, así como con un sensor de fuerza, lo que lo hace ideal para una amplia gama de procesos de recogida de chips semiconductores.
Con una función de contact-stop que se activa en cuanto el collet toca el chip semiconductor, el PPR reduce la carga de impacto sobre el chip. La misma función también puede prevenir fluctuaciones en la intensidad de esta carga de impacto, como las que pueden producirse debido a desplazamientos del collet provocados por desgaste. Dado que el PPR puede capturar información posicional con precisión de rango micrométrico, además es capaz de detectar dicho desgaste del collet verificando su posición en el momento en que entra en contacto con el chip.
En esta página se puede consultar un estudio de caso sobre una solución propuesta en la que la determinación de altura se realiza utilizando información posicional.
Usando la función de control de fuerza de presión del PPR para sincronizarse con los pines expulsores, se puede mantener constante una carga predefinida sobre los chips recogidos. Esto permite evitar cargas de impacto durante el levantamiento de los chips que excedan la carga establecida, incluso si el movimiento a lo largo del eje vertical no está sincronizado con alta precisión.
En esta página también se puede consultar un estudio de caso sobre una solución propuesta que demuestra el comportamiento de los sensores de fuerza utilizados para el control de la fuerza de presión.
Imagen 6: Amortiguación de impactos evitando fuerzas superpuestas durante el levantado de chips
Imagen 7: Estructura del Robot Pick-and-Place (PPR)
Impulsando un mayor rendimiento en la producción de semiconductores
En esta ocasión, el enfoque se centró en cómo se recogen los chips semiconductores durante el procesamiento. Se examinaron tanto los desafíos relacionados con la prevención de daños como las mejoras de proceso habilitadas por el Robot Pick-and-Place (PPR). Como se describió en la primera parte de este artículo, los semiconductores son un componente clave de las tecnologías modernas. A medida que las exigencias funcionales de dispositivos como los teléfonos inteligentes continúan aumentando, surge la necesidad correspondiente de que los semiconductores sean cada vez más pequeños y delgados. Sin embargo, los comentarios de los usuarios indican que muchos fabricantes de equipos y maquinaria se enfrentan a desafíos significativos en este sentido.
Se asume que el PPR, junto con otras tecnologías de THK, puede ayudar a abordar estos desafíos y apoyar el desarrollo futuro de los procesos en la industria de semiconductores.
Para obtener más información o soporte técnico, por favor contacte con THK.
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