Page 43 - SHY2012

Basic HTML Version

6/2007
[ www.shy-hitsaus.net ]
41
Piisirun pintaan tehty mikropiiri eli integroitu
piiri (IC) voi sisältää miljoonia transistorei-
ta, jotka on liitetty toisiinsa alle mikrometrin
levyisillä sirun pintaan valmistetuilla alumii-
nijohtimilla. Tämä piisirulle rakennettu integ-
roitu piiri voi toimia vaikkapa kotitietokoneen
tai matkapuhelimen aivoina tai muistina.
Nopea kehitys jatkuu. Maailman suurin puo-
lijohdevalmistaja Intel nimittäin julkisti mar-
raskuussa 2007 uudenlaisen suorittimen eli
mikropiirin, jossa transistoreihin käytetään
myös hafnium (Hf) -nimistä ainetta. Tällaisen
transistorin koko on 45 nanometriä aiemman
65 nanometrin sijasta. Transistoreja saadaan
mahtumaan piisirulle 40% enemmän 25% pie-
nempään tilaan kuin nykyisin. Samalla suo-
rittimen nopeus kasvaa 20% ja virrankulutus
pienenee 30%. Intelin mukaan kyseessä on
suurin edistysaskel alalla 40 vuoteen.
Piisiru on yleensä koteloitu niin, että sitä ei
voi nähdä ulospäin. Kuvan 2 koteloinnissa
on kuitenkin ikkuna, josta nähdään itse pii-
siru ja siitä lähtevät kultajohdot. Noin 0.03
mm vahvuiset kultalangat, jotka yhdistävät
sirun sähköisesti mustan kotelon johtimiin,
liitetään usein ultraäänihitsauksella sirun
pinnassa oleviin metallisiin kontaktialus-
toihin. Tätä hitsausmenetelmää kutsutaan
elektroniikka-alalla usein bondaukseksi (wire
bonding).
Vaikka kultajohdot ovatkin hyvin ohuita ja
lyhyitä, kultaa kuluu paljon yksin tähän tar-
koitukseen: vuonna 2004 määrä oli noin
150 tonnia, mikä on kolminker tainen määrä
verrattuna kymmenen vuotta aiempaan kulu-
tustasoon [1]. Vuoden 2004 kulutuksen arvo
kullan nykyisillä maailmanmarkkinahinnoilla
on luokkaa 3 miljardia euroa (600 eur/oz eli
noin 20.000 eur/kg).
Pieniä piisiruja integroituine piireineen ei teh-
dä yksin kappalein, vaan niitä valmistetaan
lukuisia yhdellä ker taa niin sanotuista piikie-
koista, joiden läpimitta on noin 100-300 mm
ja paksuus noin puoli millimetriä. Piikiekot on
ensin leikattu timanttisahalla sylinterimäi-
sestä piierilliskiteestä (kuva 3), jonka pituus
voi olla vaikkapa puoli metriä. Piikiekkojen
kiillotus ja puhdistus ovat erittäin vaativia
ja aikaa vieviä prosesseja. Piikiteiden val-
mistukseen käytetään lähtöraaka-aineena
korkealaatuista hiekkaa, josta suurin osa
tulee Australian rannikolta.
Yhdestä piierilliskiteestä saadaan satoja pii-
kiekkoja, ja kustakin piikiekosta puolestaan
satoja piisiruja. Piikiekon pintaan valmiste-
taan yhtaikaa monimutkaisella ja monivai-
heisella prosessilla halutut integroidut piirit
(IC), yksi per tuleva piisiru. Tämän jälkeen
testataan kaikkien piikiekolla olevien piirien
sähköinen toimivuus testauskoneella. Vasta
tämän jälkeen ohut piikiekko paloitellaan eril-
lisiksi piisiruiksi, jotka jalostetaan edelleen
käytettäviksi elektroniikan aktiivisina kom-
ponentteina (ks. kuvat 1 ja 2).
Integroitujen piirien valmistuksessa puhtaus
on paljon enemmän kuin puoli ruokaa. Il-
massa lentävät pienet epäpuhtaushiukkaset
voivat olla suurempia kuin piisirun pinnassa
olevat transistorit. Joutuessaan piikiekko-
jen ja -sirujen pinnoille ne saattavat tehdä
integroidusta piiristä käyttökelvottoman.
Jotta piikiekkojen ja -sirujen pinnat pysyisi-
vät prosessoinnin aikana mahdollisimman
puhtaina, työskentely tapahtuu puhdastilois-
sa. Sen ilmassa saa olla epäpuhtauspar tik-
keleita korkeintaan kymmenestuhannesosa
siitä, mitä on jonkun modernin, hygieenisen
sairaalan ilmassa. Puhdastiloissa työsken-
televät ihmiset pukeutuvat erikoisvaatteisiin
ja -naamareihin.
Juotosliitokset polttopisteessä
Sekä elektroniikkateollisuudessa että kone-
pajoissa valtaosa liitoksista tehdään sulame-
netelmillä. Selkeänä erona on kuitenkin se,
että elektroniikkatuotteiden sulasta metal-
lista syntyvät liitokset valmistetaan yleensä
juottamalla, kun taas konepajatuotteiden
liitokset tehdään pääosin sulahitsaamalla
käyttäen melko suuria hitsausenergioita.
Lisäksi metallien hitsaus konepajassa teh-
dään yleensä yksi liitos kerrallaan, kun taas
elektroniikan komponenttien liittämisessä
syntyy suuri määrä pieniä juotosliitoksia yh-
dellä ker taa.
Juottamisella eli juotolla tarkoitetaan elekt-
roniikan valmistuksessa metallisten pinto-
jen liittämistä toisiinsa sulalla tinapitoisella
metalliseoksella eli juotteella. Elektroniikan
liittämistä sanotaan pehmyt/pehmeäjuotta-
miseksi, koska juotteen sulamislämpötila on
alle 450 °C. Juotettavien pintojen materiaalit
kuten kupari (Cu), hopea (Ag) tai nikkeli (Ni)
eivät sula juotettaessa, koska niiden sula-
mislämpötilat ovat korkeita, suuruusluokkaa
1000 °C, ja sulan tinajuotteen lämpötila on
noin 230-260 °C.
Nykyisin käytettävien lyijyttömien tinajuottei-
den sulamispisteet ovat hieman yli 200 °C.
Muutama vuosi sitten, kun lyijypitoisten juot-
teiden käyttö kulutuselektroniikassa oli vielä
sallittua, tina-lyijy -juotteiden sulamipisteet
olivat jonkin verran alle 200 °C. Lainsäädän-
nön pakottamana lyijyttömän juottamisen ja
juotosliitoksen tutkimiseen on panostettu
todella voimakkaasti tällä vuosikymmenellä
kaikkialla maailmassa, esimerkiksi Japanis-
sa [2].
Elektroniikassa juotosliitoksen pääasiallinen
tarkoitus on liittää pinnat sähköisesti toisiin-
sa. Vaikka liitettävät materiaalit eivät sula-
kaan juotettaessa, juotosliitos on mikroskoo-
Kuva 3. Piikide.
Kuva 2. Koteloituja IC-komponentteja. Komponenttikotelon kes-
kellä olevasta ikkunasta näkyvät piisiru ja ohuet kultajohtimet.