Шумахер У. Полупроводниковая электроника

При разработке систем всё большее значение приобретают технологии корпусирования ИС и организации межсоединений.

14.1.Разработка корпусов ИС: от физики — к инновациям

Триумф систем мобильной связи стандарта GSM во всём мире был воспринят как успех совместных усилий европейских производителей в области разработки систем. Однако создание систем, подобных GSM, стало возможным, прежде всего, вследствие выдающихся достижений в микроэлектронике.

Помимо развития телекоммуникационных технологий, процесс создания подобных систем включает в себя проведение фундаментальных физических исследований в области материаловедения и полупроводниковых технологий, проектирование интегральных схем (ИС) и разработку корпусов для них. Приведённая на Рис. 14.1 диаграмма иллюстрирует основные направления развития инновационных техноло-

гий, связанных с внедрением результатов фундаментальных исследований в разработку систем и их приложений. Проектирование и технология изготовления корпусов ИС приобретают здесь тем большее значение, чем теснее оказываются связаны между собой звенья в «цепи инноваций». В этой связи необходимо заметить, что в настоящее время в качестве разработчиков и исследователей весьма востребованы разносторонние специалисты, обладающие обширными знаниями в области физики, материаловедения, полупроводниковых технологий и технологий корпусирования ИС, системного проектирования (от физики транзисторов до систем связи). В то же время, однако, требуются и «узкие» специалисты в тех или иных технических областях.

Корпус ИС, который содержит два интерфейса — кристалл/корпус (межсоединения 1-го уровня) и корпус/печатная плата (межсоединения 2-го уровня), — является одним из основных факторов, ограничивающих производительность полупроводни-

На уровне пользователя: габариты и интерфейсы устройств практически не меняются

ковых микросхем и, следовательно, систем

вцелом (это ограничение проявляется в таких приложениях, где от ИС требуется работа на высоких частотах или при большой рассеиваемой мощности). С одной стороны, технологические нормы при изготовлении кристаллов становятся всё меньше в соответствии с законом Мура (т.е. с развитием полупроводниковых технологий количество транзисторов на единицу площади кристалла удваивается каждые 18 месяцев); с другой стороны, габариты электронных устройств определяются удобством для пользователя, и потому практически не меняются (Рис. 14.2). Таким образом, разница

вразмерах между полупроводниковыми кристаллами и готовыми устройствами постоянно увеличивается. Соответственно, повышаются и требования к технологиям производства корпусов ИС и организации межсоединений, которые представляют собой своего рода «мост», связывающий между собой интерфейсы на уровне чипа и на уровне пользователя. Из всего этого следует, что наибольшими возможностями на рынке электронных компонентов обладают ИС, разработанные на базе новейших полупроводниковых технологий и выполненные с использованием передовых технологий корпусирования.

14.2.Обзор корпусов полупроводниковых ИС

В технологии корпусирования различают межсоединения 1-го уровня (интерфейс кристалл/корпус) и 2-го уровня (интер-

фейс корпус/печатная плата). При организации межсоединений 1-го уровня до сих пор наибольшей популярностью пользуются проволочные соединения (Рис. 14.3, а). Однако с увеличением рабочей частоты и количества соединений внутри ИС, всё чаще используется технология «перевёрнутого кристалла» (flip-chip, см. Рис. 14.3, б).

Рис. 14.3. Полупроводниковый кристалл в современном корпусе типа BGA (матрица шариковых выводов). Крепление кристалла:

а— с помощью проволочных соединений;

б— методом «перевёрнутого кристалла».

Интерфейсы корпус/печатная плата (межсоединения 2-го уровня) могут быть выполнены по одной из четырёх основных технологий. На Рис. 14.4 показаны примеры этих интерфейсов и указаны типичные значения шага выводов ИС (стандартного расстояния между центральными осями выводов). Здесь следует различать корпуса для поверхностного монтажа (SMD, или технология поверхностного монтажа — SMT) и корпуса для монтажа в сквозные отверстия на печатной плате (THD/THT). В настоящее время предпочтение отдаётся использованию компонентов в корпусах для поверхностного монтажа (SMD).

Ассортимент выпускаемых ИС становится всё разнообразнее, что вызвано быстрой

сменой используемых технологий и внедрением технологических новинок наряду со снижением срока службы ИС. Поэтому при их производстве существует настоятельная необходимость сконцентрировать усилия на разработке стратегически важных семейств корпусов и технологий межсоединений.

В компании Infineon Technologies AG хорошо понимают, сколь большое значение имеют технология корпусирования и пользовательский интерфейс ИС. Поэтому при их разработке основные усилия по-прежне- му сфокусированы на постепенном расширении возможностей стандартных семейств корпусов. При этом, как видно из Рис. 14.5…14.6, доля корпусов, предназначенных для монтажа в сквозные отверстия (технология THT) продолжает снижаться. Однако Infineon также уделяет большое внимание разработке инновационных решений в области корпусирования и технологии межсоединений, что даёт ей возможность «держать руку на пульсе» современных тенденций развития рынка ИС. Примерами таких решений являются так называемые безвыводные корпуса TSLP, технология корпусирования на уровне пластины WLP (Wafer Level Packaging) или технология «система-в-корпусе» (System- in-Package — SiP).

Ныне, даже в большей степени, чем ког- да-либо раньше, от производителей полупроводниковых компонентов и их потребителей, как и от конечных пользователей, требуется координация усилий с тем, чтобы определить наилучший путь развития технологии корпусирования. Это, в свою очередь, позволит выработать наиболее эффективные с экономической точки зрения и, следовательно, наиболее конкурентоспособные системные решения.

Рис. 14.5. Семейство корпусов для поверхностного монтажа.

Рис. 14.6. Семейство корпусов для монтажа в сквозные отверстия на печатной плате.

Более всего новые технологии корпусирования ИС востребованы в таких основных секторах рынка электронных компонентов, как производство микросхем памяти, микропроцессоров и их периферийных устройств, ИС для систем связи, а также специализированных микросхем (ASIC). Например, технология производства сверхтонких корпусов первоначально была разработана для корпусирования модулей памяти, в первую очередь, DRAM, и лишь затем стала применяться и для других ИС.

14.4.Состояние дел на мировом рынке корпусов ИС

14.4.1. Стандартизация

Процесс стандартизации играет важную роль в развитии технологий производства корпусов ИС. Он осуществляется в тесном сотрудничестве между ведущими национальными ассоциациями заинтересованных производителей электроники, которые путём взаимных компромиссов выработали определённые стандарты корпусов ИС, соответствующие основным тенденциям в области стандартизации. В число этих организаций входят американская JEDEC (Joint Electronic Device Engineering Council — Объединённый технический совет по электронным устройствам), японская JEITA (Japan Electronics and Information Technology industries Association — Японская ассоциация производителей электроники и информационных технологий) и международная IEC (International Electrotechnical Commission — Международная электротехническая комиссия). С точки зрения технологичности проектирования печатных плат, например при размещении ИС на печатной плате, особенно важно стандартизировать геометрические размеры корпусов. В первую очередь, речь идёт об использовании метрической системы мер, что позволяет точно задавать шаг выводов, уменьшать их длину, снижать высоту просвета при установке ИС на печатную плату и определять геометрические размеры корпуса.

14.4.2.Мировые тенденции: корпуса микросхем памяти

С соответствии с генеральной тенденцией развития технологий производства ИС, при разработке корпусов для микросхем па-

мяти (DRAM) первоочередное внимание уделяется уменьшению их габаритов (толщины корпуса и высоты ИС при установке на печатную плату) и массы. В настоящее время наиболее передовые образцы микросхем памяти имеют сверхтонкий корпус, высота которого при установке на печатную плату не превышает 1 мм; ведутся работы по созданию корпусов толщиной 0.7…0.8 мм. Тем не менее, для современных микросхем DRAM объёмом памяти до 256 Мбит общепринятым до сих пор является корпус P-TSOP (здесь символ P означает «пластиковый»). Исходя из тенденций развития ИС памяти, можно предполагать, что в будущем, в особенности из-за повышения тактовой частоты и соответствующего усиления влияния паразитных эффектов, при производстве микросхем памяти объёмом 256 Мбит и DRAM нового поколения объёмом 512 Мбит и 1 Гбит заметно возрастёт процент использования корпусов типа CSP (Chip Size Package — корпус размером с кристалл), а также многоярусных (stacked) «трёхмерных» интегральных сборок, т.е. нескольких кристаллов, собранных в одном корпусе (Рис. 14.9). Кроме того, во всём мире широко обсуждается возможность использования корпусов типа WLP.

3D-корпуса

FBGA μMGA™, BOC, BSP

TSOP

LOC

2000 2002 2004 2005+ Разработка на основе существующей технологии

Требуется разработка новых технологий

Рис. 14.9. Тенденции развития корпусов для микросхем памяти DRAM.

Большая мощность Многокристальный/3D-корпус Корпусирование на уровне пластины

характеризуется средним расстоянием между шариковыми выводами (шагом) 0.8/0.65/0.5 мм и высотой 1.2…1.7 мм; высота корпуса TFBGA (FBGA уменьшенной толщины) составляет 1.0…1.2 мм. Новейшие плоские корпуса BGA позволяют наилучшим образом реализовать возможности высокопроизводительных ИС. В тех случаях, когда полупроводниковые микросхемы должны иметь большое количество выводов, особый интерес представляет использование корпусов семейства FBGA.

Помимо ИС, выполненных с использованием двух основных, «классических» типов корпусов (THT и SMD), существуют также бескорпусные ИС, выполненные по так называемым технологиям с высокой плотностью межсоединений (High Density Interconnect — HDI). К ним относятся технологии автоматической сборки на ленте (Tape Automated Bonding — TAB), «кристал- ла-на-плате» (Chip on Board — CoB) и «перевёрнутого кристалла» (Flip Chip), которые обеспечивают гораздо большую плотность «упаковки» на плоском модуле ИС, чем стандартные технологии, в которых соединения кристалла и выводов осуществляются с помощью тонкой проволоки. На Рис. 14.11 показаны сравнительные размеры областей, занимаемых полупроводниковыми кристаллами в различных типах корпусов ИС при размещении их на печатной плате. В отличие от стандартной технологии корпусирования, когда кристалл с помощью проволочных соединений крепится на металлической выводной рамке и затем вся эта конструкция заливается защитным компаундом (по такому принципу выполнен, например, изображённый на Рис. 14.11 корпус типа QFP), другие технологии обеспечиваю экономию места на печатной плате. Так, технологии CoB или Flip Chip позволяют получить в 2…3 раза б=ольшую плотность размещения компонентов на печатной плате. Ещё более высокой плотности можно достичь за счёт непосредственного размещения кристалла ИС на печатной плате, используя технологию FCoB (Flip Cip on Board — перевёрнутый кристалл на плате).

Когда речь идёт о технологии Flip Chip, следует понимать различия между её модификациями FCoB (Flip Chip на плате, см. Рис. 14.11) и FCiP (Flip Chip в корпусе, см. Рис. 14.3). Если первая уже широко применяется в специализированных устройствах,

22 мм

QFP

13 мм

BGA

FCoB

9.34 мм

Рис. 14.11. Размеры области печатной платы, требуемой для размещения на ней одного

итого же полупроводникового кристалла

вразличных корпусах.

то вторая (сочетающая технологию перевёрнутого кристалла и использование корпусов P-BGA или P-FBGA) лишь начинает развиваться, но имеет большие перспективы. Несколько лет назад на основании экспертных исследований рынка прогнозировалось, что область применения технологии FCoB значительно расширится. Однако эти прогнозы оказались чересчур оптимистичными. С появлением корпусов CSP, площадь основания которых всего лишь в 1.2 раза больше, чем площадь самого кристалла, технология FCiP приобрела особую привлекательность. При её применении можно получить полностью проверенную ИС, процесс производства которой не будет отличаться от стандартного технологического процесса производства SMT-компонентов. Благодаря отсутствию внутренних проволочных соединений, эффективная длина выводов такой ИС оказывается значительно меньше, поэтому её электрические характеристики будут близки к характеристикам, обеспечиваемым технологией перевёрнутого кристалла (Flip Chip). Дополнительным преимуществом с точки зрения пользователя является ремонтопригодность компонентов, выполненных по технологии FCiP. В отличие от неё, технология FCoB обычно предполагает использование специального герметика (Underfill) для прикрепления бескорпусного кристалла ИС к поверхности печатной платы. Это не позволяет в случае необходимости выпаивать полупроводниковый компонент из платы и заменять его на исправный. Хотя технологии непосредственного соединения кристалла с печатной платой

тельности. По этой причине в последние годы всё большее внимание уделяется сверхплоским (с плоскими выводами) и безвыводным корпусам. Так, компанией Infineon Technologies был разработан корпус TSLP (Thin Small Leadless Package — тонкий малогабаритный безвыводной корпус), который в дальнейшем будет модернизирован с целью увеличения количества выводов и возможности работы на очень высоких частотах. В среде разработчиков дискретных компонентов также активно дискутируется вопрос о перспективах использования так называемой технологии корпусирования на уровне пластины (Wafer Level Packaging — WLP). Корпуса данного типа, скорее всего, будут применяться в микросхемах с интегрированными пассивными компонентами. Такие ИС в будущем составят основу для реализации системных решений.

14.4.4.Общемировые тенденции развития пассивных модулей

Первыми пассивными компонентами, которые стали размещать в корпусах для поверхностного монтажа, были полупроводниковые резисторы и керамические конденсаторы. В Европе наиболее передовыми считаются корпуса типоразмеров 0805 (2.0 1.2 мм) и 0603 (1.6 0.8 мм); начат также выпуск корпусов 0402 (1.0 0.5 мм), производство которых, как и корпусов BGA с уменьшенным шагом выводов, связано с решением сложных технологических проблем. В Японии корпуса типоразмеров 0402 и даже 0201 (0.5 0.25 мм) уже широко применяются.

В настоящее время основной импульс разработке интегральных пассивных компонентов даёт развитие беспроводных систем связи. Современная тенденция, которая полностью соответствует тенденциям развития ИС (см. Рис. 14.14 далее), состоит в том, что дискретные пассивные компоненты «убираются» с печатной платы устройства и интегрируются в едином корпусе или, более того, непосредственно на полупроводниковом кристалле (на конечном этапе производства — BEOL). Компания Infineon также следует этой тенденции к прямой интеграции компонентов, которая позволяет обеспечить высокий уровень системной интеграции и минимизировать габариты устройств.

14.5.Корпуса с уплотнённым расположением выводов: оценка с точки зрения пользователя и альтернативные решения

Сроки выхода на рынок новых корпусов на базе многовыводной рамки (например, типа QFP) или на основе семейства корпусов BGA непосредственно зависят от того, насколько быстро пользователи смогут уяснить для себя, как следует правильно применять эти новые конструкции. Дело в том, что количество выводов корпуса и плотность их расположения постоянно возрастают, при этом особенно большое значение приобретает надёжность соединений корпус/печатная плата.

Применение корпусов с уменьшенным шагом выводов ставит непростые задачи перед производителями системных плат. Сборочное оборудование должно размещать компоненты на печатной плате с очень высокой точностью и работать под управлением программного пакета Visio. При использовании технологии трафаретной печати, к соответствующему оборудованию и к характеристикам паяльной пасты предъявляются жёсткие требования по качеству. Это увеличивает стоимость оборудования и, следовательно, стоимость продукции.

Основная проблема, возникающая при работе с корпусами, шаг выводов которых составляет всего лишь 0.5 мм, состоит в опасности сгибания очень тонких контактов (выводов) при неосторожном обращении с ними. Это может произойти как в процессе производства полупроводникового компонента, так и при последующей установке его на печатную плату. Ещё более жёсткие требования предъявляются к тому, чтобы все выводы находились в одной плоскости. Любой изгиб контакта может привести к возникновению неисправности в электрической цепи. Поэтому немалое значение имеет также и качество поверхности печатной платы в месте установки компонента.

В этой связи растущий интерес вызывает использование корпусов типа BGA. Их выводы «утоплены» в основании корпуса и расположены по всей его площади, чем обеспечивается большее количество соединений. Достоинство технологии BGA со-