7.6 Примеры решений проектирования мкм
В этом параграфе описаны пять видов проектов МКМ произведённых по технологии широко использованной в индустрии.
7.6.1 Пластмассовые корпуса (Premolded Plastic MCM Packages) .
Расплавляемые пластмассовые корпуса характеризуются низкой стоимостью и простотой производства. Они могут быть построены просто как основа с окружающими её выводами на одной подложке,как плоский корпус с периферийными выводами либо как BGA-корпус.Рис.7.25а показывает поперечный разрез,а рис.7.26б – фотографию представителя данного типа корпуса.
7.6.2 Пластмассовые корпуса(Postmolded Plastic MCM Packages).
Заливные пластмассовые корпуса в основном создали для высоковольтных приборов,поэтому их используют для закрытия мощных МСХ. Рис.7.26 показывает разрез данного корпуса (а) и модуля памяти (б).Сотни миллионов МСХ данного типа были корпусированы таким образом за последние несколько лет.
7.6.3 Герметичные корпуса(Chip-on-Board MCM Packages)
Удобная комбинация защиты кристалла с помощью слоистого материала MCM-L показана на рис.7.27.Этот корпус в основном используют для создания прототипов новых конфигураций и комбинаций бескорпусной элементной базы и технологией поверхностного монтажа в этом же МКМ.
7.6.4 Металлические корпуса(Metal Hermetic MCM Packages)
Металлические корпуса оставались основным видом на протяжении 3-х десятилетий.При правильной герметизации, этот корпус представляется наиболее прочным и надёжным.Типичный пример приведён на рис.7.28.
7.6.5 Керамические корпуса(Ceramic Hermetic MCM Packages)
Керамическая упаковка широко используется различными отраслями промышленности и представлена окисью аллюминия и нитридом аллюминия. Используя соответствующию технологию изготовления керамического корпуса можно исключить все паразитные межсоединения,что показано на рис.7.29а.
МКМ, показанный на рис.7.29б в основном используется в сложной военной авиационной технике. Этот большой корпус(2х4 дюйма) защищает многослойную плату от короткого замыкания. На рис.7.29с показан аллюминево-нитридный корпус такого же размера, который использует технологию кремниевой подложки для соединения 33-х ИС. На рис.7.29d показан первый МКМ,используемый на компьютерной рабочей станции. Пять ИС соединены между собой в керамическом корпусе с 220 выводами. На рис.7.29d показан SPARC модуль второго поколения. Шесть ИС соединены между собой в керамическом корпусе со 134 выводами.
Рис.7.26 Пластмассовый корпус(postmolded plastic package MCM)
Рис.7.27 Герметичный корпус(Chip-on-Board MCM Packages)
Рис.7.28 Металлический корпус(Metal Hermetic MCM Packages)
Рис.7.29 Высокотехнологичные керамические корпуса(Ceramic Hermetic MCM Packages)
7.7 Анализ стоимости мкм.
Великое множество разновидностей МКМ приводит к тому, что проектировщику необходимо учитывать такую характеристику как стоимость корпуса. Использование уже отработанной технологии очевидно позволяет избежать лишних расходов. Однако, точно также как и рассмотрение оптимизации характеристик(как было показано в параграфе 7.2), анализ стоимости очень важен при комплексном рассмотрении производства МКМ. Было показано,что 40-80% окончательной стоимости изделия определяются в первых 10-20% проектировочного цикла. Было бы очень полезно включать проектирование корпусной базы в производственный процесс, влияя тем самым на окончательную стоимость продукта. Очень полезное программное обеспечение, которое позволяет найти компромисс между различными технологическими вариантами, было представлено недавно(System Design Advisor Tool from Savantage Company(SDAT)).
Цены на конечные МКМ в производстве колеблются от единиц до многих тысяч долларов, в зависимости от числа ИС,их стоимости и требуемой долговечноти корпуса. В конечном итоге цена складывается из 3-х примерно равных компонентов: цена устройства, цена корпусирования и цена тестирования. Выбор способа корпусирования может повлиять на все эти элементы.
Первым элементом влияющим на конечную стоимость продукта, является стоимость самого устройства. В то время как стоимость подложки на начальном этапе изготовления всегда остаётся почти постоянной(менее 1$/ дюйм2 для кремния и 30$/дюйм2 для арсенида галлия),стоимость законченной ИС колеблется от нескольких десятков до сотен $/дюйм2 в зависимости от минимальных размеров,кол-ва тех. процессов, размеров вафель,коэффициента выхода годных,объёма производства и рыночного спроса.Производителям иногда выгодно(а иногда и нет) продавать бескорпусную элементную базу по цене более низкой, чем их корпусные аналоги. Специальные операции присоединения выводов могут привести к добавочной стоимости в несколько долларов на кристалл, а производственные операции при осуществлении корпусирования могут повысить стоимость в несколько тысяч долларов. Проблема соотношения надёжность\цена должна быть решена очень внимательно.
Вторым элементом вносящим вклад в стоимость конечной МСХ является стоимость корпусирования. Цена корпусирования включает в себя стоимость присоединения выводов и стоимость помещения ИС в корпус для защиты от внешней среды и удобства использования с другими электронными устройствами. Довольно интересный способ измерения стоимости высокомощных МСХ – измерение стоимости приходящиейся на один вывод. Стоимость пластмассовых корпусов обычно составляет $0.01 за вывод,но производственные затраты на корпуса с большим количеством выводов могут достигать сотен и тысяч долларов. Стоимость керамических корпусов составляет $0.03-.05 за вывод для плоского корпуса с периферийными выводами и $0.05-0.10 за вывод для PGA корпусов при затратах на производство в несколько десятков тысяч долларов. Стоимость МКМ в негерметичном металлическом корпусе составляет $0.03-0.05 за вывод, в то время как за герметичный металлический корпус придётся выложить от 0.20 до 0.80 долларов.
Вся эта стоимость может увеличиться на несколько порядков величины, если объёмы производства будут малы,как показано на рис.7.30. Здесь можно увидеть, что для того чтобы погасить затраты на производство, стоимость отдельной единицы продукции должна быть по крайней мере в 10 раз больше, чем стоимость её изготовления.
Стоимость корпусирования возможно в большей степени зависит от долговечности, которую необходимо обеспечить в каждом конкретном случае. Жесткие условия эксплуатации или военные приборы как правило требуют более высокой степени защиты от воздействий окружающей среды(отсюда и более высокая стоимость), чем для приборов широкого потребления. Однако, в то время как производители коммерческой продукции продолжают совершенствовать своё производство и продукцию,появляется возможность использования этих устройств в высоконадёжном оборудовании. Задача проектировщика МКМ состоит в том, чтобы представить эту продукцию и показать,что она может быть использована в различных сферах деятельности.
И наконец третья составляющая конечной стоимости МКМ – это стоимость тестирования. Новый МКМ, внедряемый в производство, может потребовать всеобъемлещего тестирования до тех пор, пока проект не “созреет“ окончательно. После того, как технология производства и проектирование будут отработаны, будет полезно провести статистический анализ, по результатам которого степень проверки может быть снижена. Однако полностью контроль МКМ никогда не исчезнет, снижена может быть только частота проверок. Этот принцип проектировщик всегда должен учитывать и выполнять проверку, соблюдая правило: каждый МКМ должен быть спроектирован с расчётом на тестирование и содержать сопутствующее недорогое гнездо для проверки МСХ(или другое недорогое средство для тестирования).