37 Лекция №36. Монтаж интегральных микросхем в корпуса и на платы микросборок. Типы корпусов
Продолжительность: 2 часа (90 мин.)
37.1 Основные вопросы
- виды электрического монтажа ИМС;
- достоинства и недостатки проволочного монтажа;
- достоинства и недостатки ленточного монтажа;
- достоинства и недостатки монтажа жесткими объемными выводами;
- новые тенденции развития методов монтажа МС.
37.2 Текст лекции
37.2.1 Виды электрического монтажа МС – до 25 мин
Электромонтаж бескорпусных кристаллов ИМС заключается в электрическом соединении контактных монтажных площадок на поверхности кристалла с контактными монтажными площадками на поверхности коммутационной платы или основания корпуса. Обычно кристалл предварительно фиксируют на плате клеем или припоем. Во втором случае групповая пластина до разделения ее на отдельные кристаллы должна быть металлизирована со стороны, противоположной структурам, металлом, который хорошо смачивается припоем. Облуженными должны быть также площадки на плате, на которые устанавливаются кристаллы.
Метод крепления подложек и кристаллов на основании корпуса, кристаллов и других компонентов на подложках зависит от выбора материала присоединительного слоя — клея, стекла, припоя и т. д. В свою очередь, материал присоединительного слоя должен обеспечивать эффективный отвод теплоты в подложку или корпус в зависимости от выделяемой мощности, согласование температурных коэффициентов расширения (ТКР) соединяемых элементов в широком диапазоне рабочих температур (обычно -60...+125 °С), стойкость к динамическим воздействиям (с ускорением до 150g) в условиях воздействия вибраций и ударов. В отдельных случаях присоединительный слой должен быть электропроводным. Отвод теплоты от кристалла (компонента) в полых корпусах осуществляется главным образом через присоединительный слой за счет механизма теплопроводности. Эффективность отвода теплоты зависит прежде всего от удельной теплопроводности материала присоединительного слоя, а также его геометрии — толщины и площади. Достаточно малые тепловые сопротивления имеют присоединительные слои на основе металлических припоев. Наибольшим сопротивлением обладают клеевые соединения (вследствие малого коэффициента теплопроводности). Различие температурных коэффициентов расширения кристалла (подложки) и основания в условиях нагрева или охлаждения вызывает в них внутренние напряжения. Температурные деформации на границах присоединительного слоя уменьшаются, если ТКР слоя имеет промежуточное значение между ТКР материалов соединяемых деталей. В этом случае слой выполняет роль своеобразного буфера. Наилучшие условия согласования ТКР создаются при плавном изменении состава (а следовательно, и ТКР) присоединительного слоя.
Процесс крепления подложек и кристаллов к основанию можно условно разделить на три этапа:
1) подготовка поверхности основания и нанесение присоединительного материала (клея, стекла, припоя);
2) ориентированная установка кристалла (подложки) на основание;
3) собственно присоединение (в общем случае выполняется под давлением и с нагревом).
В производстве нашли применение несколько способов электромонтажа: гибкими проволочными перемычками круглого сечения (проволочный монтаж), гибкими ленточными перемычками прямоугольного сечения (ленточный монтаж) и жесткими объемными выводами, предварительно выращенными на кристалле. Проволочный и ленточный монтаж выполняется микросваркой, монтаж жесткими объемными выводами – пайкой.
37.2.2 Проволочный и ленточный монтаж – до 35 мин
При проволочном монтаже перемычка формируется в процессе монтажа (рис. 37.1): после совмещения свободного конца проволоки с площадкой на кристалле проводится сварка, далее изделие (коммутационная плата) перемещается так. чтобы под сварочный инструмент пришла соответствующая площадка коммутационной платы; после совмещения инструмента с площадкой проводится сварка и обрезка проволоки Далее формируется перемычка для следующей пары контактов.
Рисунок 37.1 – Проволочный монтаж кристалла на коммутационную плату.
При перемещении платы с приваренным концом проволоки последняя сматывается с катушки неподвижной сварочной головки так, чтобы образовался небольшой избыток по длине. В результате упругости проволоки перемычка получает плавный изгиб вверх, который при температурных изменениях длины перемычки предотвращает замыкание ее на кристалл.
В современных установках для микросварки рабочий цикл сварки автоматизирован (контролируется давление инструмента, нагрев, время выдержки). Что касается вспомогательных приемов (перемещения, совмещения), то существуют установки с ручным перемещением изделия и визуа1ьным совмещением с помощью микроскопа, а также установки с автоматическими программируемыми перемещениями в сочетании с системой «машинного зрения», освобождающей оператора от зрительного напряжения.
Достоинством проволочного монтажа является возможность размещения перемычек при произвольном расположении любого количества монтажных площадок на коммутационной плате, т. е. гибкость в процессе ее конструирования. Недостаток этого способа состоит в высокой трудоемкости монтажа, так как сварные соединения можно получать только последовательно, индивидуально.
Ленточный монтаж – отказ от проволоки и переход к плоским ленточным перемычкам позволяет изготовить их заранее и одновременно вне кристалла методом избирательного травления (фотолитографии) ленты, взаимное расположение перемычек должно быть жестко предопределено расположением монтажных площадок на кристалле и плате (рис. 37.2).
Рисунок 37.2 – Ленточный монтаж кристалла на коммутационную плату
Ленточные перемычки толщиной 70 мкм являются гибкими, поэтому для сохранения их взаимной ориентации они удерживаются в заданном положении изолирующими перемычками из полиимида. Таким образом, исходная лента для изготовления системы перемычек должна быть двухслойной: алюминий или медь (70 мкм) и полиимид (40 мкм). Для исключения замыкания перемычек на кристалл их специально формуют перед монтажом.
Использование ориентированных ленточных перемычек позволяет существенно снизить трудоемкость монтажа. Во-первых, для совмещения всей системы перемычек с кристаллом достаточно совместить две пары «перемычка—площадка», расположенных по диагонали. После приварки всех перемычек на кристалле последний с системой перемычек переносится на плату и аналогично проводится совмещение свободных концов с площадками платы и их приварка. Во-вторых, появляется возможность одновременной (групповой) приварки всех перемычек, расположенных в одном ряду.
К недостатку ленточного монтажа следует отнести ограничения, накладываемые на конструкцию коммутационной платы и самого кристалла по числу и характеру расположения монтажных площадок. Для «смягчения» этого недостатка приходится разрабатывать и изготавливать стандартный ряд систем перемычек, отличающихся числом и шагом расположения.
37.2.3 Монтаж перевернутым кристаллом – до 30 мин
Монтаж жесткими объемными выводами относится к технологии монтажа перевернутым кристаллом. Жесткие объемные выводы формируют на кристаллах заранее до разделения групповой пластины. В первом приближении они представляют собой выступы полусферической формы высотой порядка 60 мкм и покрыты припоем. Облуженными должны быть и соответствующие монтажные площадки на коммутационной плате. В отличие от проволочного и ленточного монтажа объемные выводы соединяют с площадками платы пайкой, кристалл при этом оказывается в перевернутом положении, т. е. структурами вниз (рис. 37.3).
Рисунок 37.3 – Монтаж кристалла на коммутационной плате с помощью объемных выводов.
Последовательность проведения операции монтажа следующая. Кристалл, находящийся в кассете в ориентированном положении, забирается вакуумным присосом («пинцетом») и переносится в позицию монтажа с определенным зазором. В зазор вводится полупрозрачное зеркало, позволяющее оператору через микроскоп наблюдать одновременно площадки на плате и выводы на кристалле. После совмещения зеркало удаляется из зазора, а присос опускает кристалл на плату и прижимает его. Далее из миниатюрного сопла подается горячий инертный газ, выполняющий одновременно функции и нагревательной, и защитной среды, а затем холодный инертный газ, на этом цикл монтажа заканчивается.
К достоинствам монтажа жесткими объемными выводами относится: сокращение числа соединений вдвое, что повышает надежность изделия при эксплуатации; сокращение трудоемкости за счет одновременного присоединения всех выводов; уменьшение монтажной площади до площади, занимаемой кристаллом; отсутствие необходимости предварительного механического крепления кристалла.
Ограничением для использования данного метода является необходимость применения коммутационных плат на основе тонких пленок с использованием фотолитографии, т. е. высокого разрешения, так как размеры площадок и шаг их расположения на плате и кристалле должны совпадать.
Современная процессорная упаковка FCPGA и внедряемая BBULтакже использует монтаж перевернутым кристаллом (рис. 37.4).
Рисунок 37.4 – Виды процессорных упаковок.
Что представляет из себя FCPGA? Чип крепится сверху основного корпуса, соединяясь с ним посредством предназначенных специально для этой цели контактных площадок из органического материала - solder bumps. От контактных площадок сигнал идет к слоям металлических соединений, расположенных в верхней части корпуса, а дальше, через каналы в нем, в нужном порядке добирается до нижних слоев проводников, подсоединенных уже к выводам процессора.
Технология Bumpless Build-Up Layer (BBUL) от компании Intel. В основе этого метода упаковки лежит размещение чипа непосредственно в корпусе, в специально предназначенной для этого нише. В результате, как минимум становится вдвое меньше высота, и легче сам корпус. Все слои металлических соединений теперь находятся внизу, между чипом и ножками процессора, так что органики больше нет - на всем пути следования сигнала находится медь, что соответствующим образом отражается на его надежности. Вдобавок, отсутствие контактных площадок позволяет легче развести большее количество соединений.