Yarı İletken Çiplerin Al-Yerleştir (Pick-and-Place) Süreçlerindeki Zorluklar ve Gelişmeler
Resim 1: Yarı iletken çiplerin al-yerleştir işlemi
Bu makale, yarı iletken çip üretim süreçleri ve ekipmanları hakkında bir genel bakış sunmakta, ardından bu çiplere dayanan günlük ürünlerden örnekler vermektedir. Daha sonra yarı iletken çiplerin al-yerleştir (pick-and-place) işlemlerinde karşılaşılan temel zorlukları özetlemekte ve hasarı en aza indirme yöntemlerini tanıtmaktadır. Pratik kullanım örneklerine dayanarak, THK’nın Al-Yerleştir Robotu’nun (PPR) uygulaması sunulmaktadır.
Umarız bu makale, hem yarı iletken endüstrisine giriş yapan genç mühendisler için hem de çip al-yerleştir süreçlerinin zorluklarıyla hâlihazırda ilgilenen deneyimli uzmanlar için pratik bir fayda sağlar.
Yarı İletkenler: Endüstrinin Temel ve Vazgeçilmez Teknolojisi
Yarı iletkenler sıklıkla endüstrinin “temel geçim kaynağı” işi olarak tanımlanır. Önemi, çok çeşitli uygulamalarda kendini gösterir. Merkezi işlem birimleri (CPU’lar) neredeyse tüm akıllı telefonlar ve bilgisayarlara entegre edilmiştir; modern sistemlerde veri işlemenin verimli gerçekleşmesi için sıklıkla birden fazla işlemci veya çok çekirdekli mimariler kullanılır. Araçlar gibi karmaşık uygulamalarda ise, her biri belirli bir işlevi yerine getiren çok sayıda CPU da kullanılmaktadır.
İşlemcilerin yanı sıra, bellek bileşenleri de çok önemlidir; çünkü veri işlenirken geçici veya kalıcı olarak depolanır. Sensörler ise bir diğer önemli uygulama alanını temsil eder: görüntü, fotoğraf, ivme ve basınç sensörleri, fiziksel büyüklükleri algılar ve bunları birçok tüketici ve endüstriyel üründe kullanılan dijital bilgilere dönüştürür.
Yarı iletkenler, aydınlatma teknolojisini de önemli ölçüde etkilemiştir. Verimlilikleri, uzun kullanım ömürleri ve kompakt tasarımları sayesinde, LED’ler büyük ölçüde geleneksel ışık kaynaklarının yerini almış ve günümüzde araçlarda, altyapıda ve ekranlarda yaygın olarak kullanılmaktadır.
Genel olarak, bu örnekler yarı iletkenlerin günlük yaşamda oynadığı merkezi rolü gözler önüne sermektedir.
Resim 2: Yarı iletkenlerin uygulama alanları
Yarı iletken çipler ve üretim süreçleri
Yarı iletkenler, öncelikle silikon bazlı malzemelerden üretilir. Tek kristal silikon blokları (ingotlar) ince wafer’lar hâline dilimlenir. Bu wafer’lar, desenleme (patterning) ve die ayırma (die singulation) gibi ön işleme adımlarından geçirilir; bu süreçte wafer, bireysel işlevsel mikroçiplere ayrılır. Bu mikroçiplere yarı iletken çipler veya die’lar denir. “Çip” terimi, bunların daha büyük silikon ingotunun küçük parçaları olduğunu ifade ederken, “die” terimi, malzemenin kare veya küp benzeri şekline atıfta bulunur; bu şekil oyun zarına (gaming die) benzediği için, die ayırma sürecine “die singulation” denir.
Bu aşamada die’lar ayrılmış olsa da henüz doğrudan bir devrede kullanılamazlar. Öncelikle, die’ların devre ile bağlantı kurabilen bir polarize lead frame’e veya bir yarı iletken pakete monte edilmesi gerekir. Bu işleme die bağlama (die bonding) denir ve süreç boyunca die, lehimleme veya yapıştırıcı ile bağlanır.
Takip eden wire bonding (tel bağlama) sürecinde, die, ince metal teller kullanılarak lead frame’e veya pakete elektriksel olarak bağlanır. Bu noktada hem teller hem de yarı iletken çipin yüzeyi açıkta olup, özenli bir şekilde işlenmesi gerekir. Mekanik koruma ve stabilite sağlamak amacıyla, bir sonraki adımda reçine uygulanır; bu işleme molding (kalıplama) denir ve çipi koruyucu bir kapsülleme ile kaplar.
(1) Diğer malzemeler de kullanılmaktadır.
(2) Bu makale yazılırken, flip-chip bonding olarak bilinen bir teknik de mevcuttu.
Resim 3: Yarı iletken üretim süreci
Bu işleme adımlarında kullanılan çeşitli makineler arasında, die ayırma (die singulation) için dicer’lar, die’ları (mikroçipleri) yerleştirmek için die bonder’lar, die bağlama öncesinde die’ları önceden sınıflandırmak için sorter’lar³ ve tel bağlama işlemi için wire bonder’lar yer alır.
(3) Sorter’lar, test sırasında hatalı olduğu tespit edilen çipleri ayırabilir.
Yarı İletken Çiplerin Taşınmasında ve İşlenmesinde Karşılaşılan Zorluklar
Şimdi wafer’ların bireysel çiplere ayrıldığı ve bu çiplerin daha sonra alındığı süreçlere geri dönelim. Die ayırma (die singulation) sırasında, wafer’lar kesim sırasında çiplerin dağılmasını önlemek amacıyla yapışkan bant üzerine sabitlenir. Kesim işleminden sonra wafer’dan ayrılan çipler, bir alma aracı (pick tool) tarafından kavranır ve yapışkan bant üzerinden kaldırılır.
Silikonun fiziksel özellikleri nedeniyle, malzeme küçük darbeler altında bile çatlayabilir veya kırılabilir. Bu durum, daha önceki işlem adımlarını başarıyla geçmiş çiplerin hasar görme riskini ortaya çıkarır. Bu riski azaltmak için, wafer’a yapışkan bant uygulanırken bant gerilerek (tape expansion) esnetilir ve ejector pin’ler çipleri alttan hafifçe tek tek kaldırır. Bu yöntem, alma araçlarının çipleri yapışkan banttan daha kolay ve nazik bir şekilde ayırmasını sağlar.
Resim 4: Yapışkan bant gerilmesi ve çiplerin alma aracı ile kaldırılması
Ejector pin’ler aracılığıyla çiplerin kaldırılması, yapışkan bantın çıkarılmasını kolaylaştırır; ancak bu işlem, son derece hassas ve teknolojik olarak zorlu bir uygulama gerektirir. Süreci zorlaştıran faktörler şunlardır:
1. Çipler çok ince olup, mekanik gerilmeye karşı son derece hassastır.
2. Ejector pin’ler ve alma araçları (pick-up tools) zaman ve mekânda tam olarak senkronize edilmelidir.
3. Aşınma, ejector pin’lerin ve collet’lerin⁴ çiplere göre hizasının bozulmasına neden olabilir.
4. Yarı iletken ve elektronik bileşen endüstrisinde, vakumlu emme ucuna collet denir.
Aşağıda, bu bireysel zorlaştırıcı faktörler daha ayrıntılı olarak incelenmektedir.
1. İnce ve son derece hassas çipler
Yukarıda belirtildiği gibi, ingotlar ince dilimler hâline kesilerek yarı iletken wafer’lar üretilir. Wafer’lar ne kadar ince olursa, tek bir ingottan o kadar çok wafer elde edilebilir ve bu da wafer başına maliyeti düşürür. Ayrıca, daha küçük ve ince yarı iletken bileşenler, baskılı devre kartına monte edildiklerinde daha az alan ve hacim kaplar. Tüm bunlar, bitmiş elektronik cihazın daha kompakt olmasına ve nihai ürünün kullanıcı dostu hâle gelmesine katkı sağlar.
Çoğu çip, mekanik dayanıklılık ve daha kolay işlenebilirlik açısından 0,5 mm ile 1,0 mm kalınlığa inceltilirken, bazı en gelişmiş çipler yalnızca yaklaşık 20 µm kalınlığında olabilir.
2. Ejector pin ve alma aracının (pick tool) eşzamanlı hareketi
Ejector pin, bir servo motor veya başka bir tahrik mekanizması ile yarı iletken wafer’ın alt tarafından yukarı doğru hareket ettirilir. Alma ünitesindeki collet de benzer şekilde bir servo motor veya başka bir aktüatör tarafından tahrik edilir, ancak aşağı doğru hareket eder. Yarı iletken çipin alınma sırası şu şekildedir:
1. Collet, vakum uygulanırken çipe doğru indirilir.
2. Ejector pin yukarı doğru kaldırılır.
3. Ejector pin ve collet eşzamanlı olarak yukarı kaldırılır.
4. Collet yukarı doğru hareket etmeye devam eder ve çipi alır.
Bu süreçte çip, hem collet ve ejector pin ile temas nedeniyle oluşan gerilmelere hem de bunlar arasında sıkıştırılmasından kaynaklanan kuvvetlere maruz kalır. Bu ince yarı iletken çiplere zarar gelmesini önlemek için, dikey eksende son derece hassas pozisyon kontrolü, hız kontrolü ve eşzamanlı hareket gereklidir.
Yaptığımız araştırmalara göre, yalnızca birkaç on mikrometre sıkıştırma bile yüzlerce gramlık yükler oluşturmakta ve bu da sıkı pozisyon kontrolünü zorunlu kılmaktadır.
3. Aşınma, ejector pin ve collet’in çipe göre göreceli konumunu değiştirebilir
Ejector pin’ler ve collet’ler, çiplerle her gün binlerce, hatta on binlerce kez temas eder; bu da zamanla kademeli aşınmaya yol açar. Bu aşınmayı önlemek amacıyla, bu bileşenlerde sert metaller ve hatta elmaslar kullanılmaktadır. Yine de, bu parçaların uçları deformasyona uğrayabilir ve çiplere göre göreceli konumlarını değiştirebilir. Bu durum hem çiplerin yanlış fırlatılmasına (ejection hataları) hem de taşınan çiplerin hasar görmesine yol açabilir.
Resim 5: Ejector pin ile kaldırma sırasında ayar eksikliği nedeniyle sıkışmadan kaynaklanan darbe yükleri
Al-Yerleştir Robotu (PPR) Kullanımının Avantajları
Entegre bir sistem olarak PPR, Z ekseni için bir lineer motor ve enkoder ile birlikte bir kuvvet sensörü ile donatılmıştır ve bu sayede yarı iletken çiplerin alınmasına yönelik çok çeşitli süreçler için ideal bir çözüm sunar.
Collet, yarı iletken çipe temas ettiği anda devreye giren bir temas-dur (contact-stop) fonksiyonu sayesinde, PPR çipe uygulanan darbe yükünü azaltır. Aynı fonksiyon, collet’in aşınmaya bağlı kaymaları nedeniyle oluşabilecek darbe yükü dalgalanmalarını da önleyebilir. PPR, konum bilgisini mikrometre düzeyinde algılayabildiği için, collet’in çipe temas ettiği anda konumunu kontrol ederek bu tür aşınmaları tespit edebilir.
Yükseklik belirlemenin konum bilgisi kullanılarak yapıldığı önerilen bir çözümle ilgili vaka çalışması bu sayfada incelenebilir.
PPR’nin basma kuvveti kontrol fonksiyonu, ejector pin’lerle senkronize edilerek, alınan çiplere uygulanan önceden belirlenmiş yükün sabit tutulmasını sağlar. Bu sayede, dikey eksendeki hareket yüksek hassasiyetle senkronize olmasa bile, çip kaldırma sırasında belirlenen yükü aşacak darbe yükleri önlenebilir.
Basma kuvveti kontrolü için kullanılan kuvvet sensörlerinin davranışını gösteren bir önerilen çözümle ilgili vaka çalışması bu sayfada bulunabilir.
Resim 6: Çip kaldırma sırasında üst üste binen kuvvetlerden kaçınarak darbe emilimi
Resim 7: Al-Yerleştir Robotu (PPR) Bileşen ve Yapı Dizilimi
Yarı iletken üretiminde ürün verimliliğinin artırılması
Bu kez odak, yarı iletken çiplerin işleme sırasında nasıl alındığı üzerinde olmuştur. Hem çiplere zarar gelmesini önlemeye ilişkin zorluklar hem de Pick-and-Place Robotu (PPR) ile sağlanan süreç iyileştirmeleri incelenmiştir. Makalenin ilk bölümünde açıklandığı gibi, yarı iletkenler modern teknolojilerin temel bileşenlerindendir. Akıllı telefonlar gibi cihazlara yönelik fonksiyonel talepler artmaya devam ettikçe, yarı iletkenlerin giderek daha küçük ve ince üretilmesi ihtiyacı da ortaya çıkmaktadır. Ancak kullanıcı geri bildirimleri, birçok ekipman ve makine üreticisinin bu konuda ciddi zorluklarla karşılaştığını göstermektedir.
PPR’nin, diğer THK teknolojileri ile birlikte, bu zorlukların üstesinden gelinmesine yardımcı olabileceği ve yarı iletken endüstrisindeki süreçlerin daha da geliştirilmesini destekleyebileceği öngörülmektedir.
Daha fazla bilgi veya teknik destek için lütfen THK ile iletişime geçiniz.
THK GmbH
PR Group
Kaiserswerther Strasse 115,
40880 Ratingen, Germany
Tel: +49 2102 7425 555
E-mail: press@thk.eu
www.thk.com
