Элементная база и ее влияние на конструкцию мэа
Одним из главных факторов достижения высокого быстродействия, а значит, и высокой производительности МЭА является построение ее на новейшей элементной базе. Смена поколений МЭА в значительной степени связана с переходами на новые поколения элементной базы, знаменующие достижения новых частотных диапазонов работы схем в рамках доступных технологий. Успехи в создании новой элементной базы определяются передовыми научными и техническими достижениями целого ряда наук (физики, химии, оптики, механики и др.). Качество элементной базы является показателем технического прогресса.
В условиях высокоплотного монтажа МЭУ проблемы элементной базы связаны преимущественно со сборкой и монтажом многовыводных кристаллов сверхбольших интегральных схем (СБИС) с гарантированной аттестацией (КГА). При этом:
применение многовыводных кристаллов потребовало разработки автоматизированных процессов сборки СБИС с организованными выводами; потребовалась такая технология сборки, которая обеспечивала бы высокоплотный монтаж СБИС КГА с монтажной зоной соизмеримой с размерами кристалла;
условия универсальности монтажа СБИС при создании МЭУ и возможность использования практически кристаллов любой номенклатуры потребовали такой технологии сборки, которая обеспечивала бы обработку СБИС КГА с любыми выводами, предполагающими как пайку, так и микросварку;
необходимость получения кристаллов с гарантированной аттестацией до монтажа, например в МКМ, потребовала таких конструкторско-технологических решений по сборке кристаллов, которые обеспечивали бы измерение статических и динамических параметров, а также электротермотренировку (ЭТТ).
Таким образом, одной из важнейших проблем технологии высокоплотного монтажа МКМ (или микросборок) является насущная необходимость получения и использования кристаллов СБИС с гарантированной аттестацией. Это продиктовано прежде всего возросшими требованиями к качеству и надежности МЭУ, ремонт которой слишком дорог, а иногда и невозможен. Поэтому проведение полных электрических испытаний, ЭТТ СБИС перед установкой в МКМ не только технологически необходимо, но и техникоэкономически целесообразно.
Корпусированная элементная база
Увеличение функциональной сложности, степени интеграции и быстродействия СБИС, а также числа выводов и рассеиваемой мощности при высоком уровне требований к изделиям активизировало работы по созданию разнообразных конструкций корпусов, отвечающих технико-экономическим требованиям микроминиатюризации.
Динамика развития основных исходных конструкторских параметров кристаллов СБИС представлена в табл.1.
Уменьшение размеров элементов в кристаллах снизило их устойчивость к деградационным процессам, инициируемым влияниями материалов корпусов.
Рост числа выводов потребовал увеличения габаритов корпуса, что находится в противоречии с требованием обеспечения быстродействия.
Таблица 1
Динамика развития основных исходных конструкторских
параметров кристаллов по годам
Параметр |
1980 |
1990 |
2000 |
2005 |
Размер элементов, мкм |
3,0-2,0 |
0,75-0,50 |
0,50-0,13 |
0,13-0,05 |
Площадь кристалла, мм2 |
50-60 |
100 |
300 |
450 |
Число выводов, шт |
64 |
300 |
1000 |
1500 |
Максимальная рассеи-ваемая мощность, Вт |
2-3 |
10-12 |
20 - 30 |
30-50 |
Увеличение рассеиваемой кристаллом мощности усложнило обеспечение эффективного теплоотвода. Ряд проблем корпусирования вытекает из задач автоматизации их сборки и сокращения стоимости корпусов.
Обычно корпуса делят на керамические (металлокерамические), металлостеклянные, металлополимерные, стеклокерамические и пластмассовые в зависимости от материалов, используемых в конструкции корпуса (например, материала основания, крышки, изоляции выводов и др.), а также от расположения выводов или выводных площадок. Каждому типу корпусов присущи свои достоинства и недостатки, однако принято считать, что наиболее надежными являются керамические корпуса. Герметизация пластмассой не обеспечивает надежной защиты кристалла в условиях эксплуатации при повышенных значениях влажности и температуры, а низкая теплопроводность пластмассы затрудняет отвод тепла. Вместе с тем большинство керамических корпусов (особенно многовыводных) имеют недостаточную электропроводность разводки, изготавливаемой по толстопленочной технологии, что отрицательно сказывается на быстродействии. К тому же эти корпуса характеризуются повышенной стоимостью, обусловленной применением драгметаллов.
Из определенных ГОСТом 17467-88 шести типов корпусов, в производстве высокоплотного монтажа МКМ находят применение два типа: плоские прямоугольные с параллельным расположением выводов по двум или четырем сторонам основания (тип 4) и плоские прямоугольные безвыводные (тип 5).
По сравнению с корпусами типов 1, 2 и 3, являющихся традиционными для штырькового монтажа (традиционного монтажа выводов в отверстиях плат), корпуса типов 4 и 5, а также разрабатываемые матричные (с матрично расположенными выводами), принципиально выигрывают по большинству показателей, и в первую очередь, по массогабаритным, обеспечивая возможность высокоплотного поверхностного монтажа и перспективу перехода к монтажу МКМ на БК. Действительно, объемы корпусов типа 2 (зарубежные аналоги DIP и QUIP) более чем на два порядка превышают объем самого кристалла. Поэтому техника корпусирования претерпела принципиальные изменения. Появились микрокорпуса, которые в несколько раз меньше своих аналогов, и имеющие специальную форму выводов (L-, J-, I-образную и др.) при значительно уменьшенных их размерах и с шагом выводов менее 1,25 мм. С увеличением степени интеграции были разработаны безвыводные либо с выводами кристаллодержатели – специальные корпуса с четырехсторонней либо матричной разводкой контактных площадок или выводов, отличающихся малым шагом (менее 1,0 мм) и большим их количеством (преимущественно от 64 до 500 и более).
Применение микрокорпусов типа SO взамен DIP дает 60% экономии монтажной площади. Микрокорпус типа SOIC напоминает уменьшенный вариант традиционного корпуса типа DIP с двухсторонним расположением ленточных выводов, имеющих форму “ крыла чайки” (L-образные) с шагом 0,65 – 1,27 мм (рис.1.1). Электрические параметры корпуса SOIC в 2 – 3 раза лучше, чем у его DIP – аналога. Так, паразитная индуктивность составляет 2,6 – 3,8 нГн против 3,2 – 10,2 нГн.
Рис.1.1. Микрокорпус типа SOIC
С увеличением количества выводов (более 32) заметно увеличивается монтажная площадь микрокорпуса SO в сравнении с площадью устанавливаемого в нем кристалла. Эффективное использование монтажной площади платы обеспечивают многовыводные корпуса с четырехсторонней разводкой выводов − кристаллодержатели (тип 4). Шаг выводов пластмассового кристаллодержателя типа PLCC обычно составляет 0,4 – 0,6 мм, имеются разработки и с шагом 0,3 мм. При количестве выводов до 124 они имеют, как правило, J-образную форму, а свыше 124 − L-образную форму.
Разработка конструкций кристаллодержателей с плоскими выводами (рис.1.2), керамических и пластмассовых корпуса типа 4 и их аналогов типа QFP (Quad Flat Pack) с четырехсторонним расположением выводов обеспечили возможность корпусирования СБИС до 300 и более выводов. В настоящее время выпускаются самые разнообразные конструкции таких кристаллодержателей, отличающиеся шагом выводов (0,27 – 0.63 мм), высотой корпуса (1,4 – 2,5 мм) и высотой посадки на плате, при этом для большинства кристаллодержателей характерна тенденция к увеличению количества выводов.
Кристаллодержатели с формой выводов в виде контактных площадок, расположенных в пределах проекции тела корпуса (рис.1.3), получили название безвыводных (корпуса типа 5 и их зарубежные аналоги типа LCCC). Они занимают площадь на плате, в шесть раз меньшую, и имеют массу, на порядок меньшую, чем их DIP-аналоги. При этом индуктивность и сопротивление выводных площадок ниже, а сигнальные тракты короче, чем DIP-конструкций. Однако кристаллодержатели LCCC не лишены и существенных недостатков, главными из них являются значительный вес, что характерно для керамических корпусов, а также повышенная чувствительность к рассогласованию ТКЛР корпуса и коммутационной платы (КП), что приводит к образованию и развитию дефектов в местах пайки при термоциклировании или при высоком уровне рассеиваемой мощности.
Рис.1.2. Кристаллодержатель с плоскими L - образными выводами (керамический или пластмассовый корпус, тип 4, зарубежный аналог QFP и ему подобные)
Рис.1.3. Безвыводной керамический кристаллодержатель (тип 5, зарубежный аналог LCCC)
Рис.1.4. Матричные кристаллодержатели: а и б – со штырьковыми укороченными выводами типа PGA (проволочный монтаж кристалла и монтаж через шарики соответственно); в – с матрицей шариковых контактов в основании корпуса типа BGA; г – на полимерной плате-носителе типа TAB;1 и 3, 5 – кристалл с проволочными и шариковыми выводами соответственно; 2, 4 – многослойное керамическое основание с прореженной и полной матрицей штырьковых выводов соответственно; 6 – основание-плата с тонкопленочной разводкой и выводными отверстиями; 7 – кристаллодержатель на гибком
носителе с полной матрицей выводов
Дальнейшее повышение плотности выводов связано с появлением кристаллодержателей с матрично расположенными штырьковыми (I-образными) укороченными выводами (корпуса типа PGA) с количеством выводов до 500 и более (рис. 1.4, а, б). Однако проблематичность использования таких корпусов заключается в сложности их точного позиционирования и фиксации при сборке на плате, а также в контроле качества монтажа. Ввиду этого такие кристаллодержатели, как правило, монтируются через контактные панельки при этом снижается плотность монтажа и ухудшаются массогабаритные показатели.
Появление в последнее десятилетие безвыводных матричных (с матрицей выводных контактных площадок в основании корпуса (см. рис. 1.4, в)) кристаллодержателей типа BGA является естественным развитием технологии изготовления кристаллодержателей типа QFP и PGA при постоянно возрастающей потребности в повышении быстродействия и функциональной сложности СБИС, сопровождающейся увеличением числа их внешних выводов.
Фирма NEC (Япония) разработала 4 вида микрокорпусов для ИС, имеющих размеры, близкие к размерам кристаллов и большое число шариковых выводов. В таком корпусе ИС может иметь до 100 выводов, расположенных с шагом 0,8 - 1,27 мм. Во втором виде (FPBGA) кристалл методом флип-чип (перевернутого кристалла то есть «лицом вниз») монтируется на миниподложке с металлизированными отверстиями и герметизируется полимером. ИС в нем может иметь до 300 выводов с шагом 0,5 – 0,8 мм. Этому варианту аналогичен третий вид корпуса с Au-выступами на кристалле. В четвертом варианте (D2BGA) подложку заменяет многослойная пленка, размещаемая и монтируемая прямо на кристалле. СБИС, изготовленная таким образом, может иметь до 500 выводов с шагом 0,5 мм.
Технология сборки ИС в кристаллодержателе (D2BGA) с матрицей шариковых выводов включает многослойную ленту-носитель, содержащую диэлектрические слои полиимида, проводники и межслойные переходы из меди. Эта лента-носитель закрывает кристалл, соединяясь с его контактными площадками Au-выступами. Ее внешние контакты расположены в виде матрицы с шагом 0,5 или 1,0 мм, на них формируются шариковые выводы из эвтектического сплава, пригодного для пайки при температуре 230…240 С. С обратной стороны кристалл с лентой-носителем герметизируется трансферным (литьевым) прессованием. Фирма NEC изготовила в таком корпусном исполнении СБИС 10 х 10 мм, содержащую 188 выводов.
Анализ технологий изготовления корпусированных СБИС, габариты которых лишь в 1,2 раза могут превышать размеры самих кристаллов, показывает перспективность их применения при изготовлении МКМ. Такие кристаллодержатели имеют одно- или двухстороннюю защиту диэлектриком, шариковые выводы, расположенные либо по периметру, либо в виде матрицы, а в качестве основания в таких корпусах применяется носитель из керамики или полиимида.
Таким образом, дальнейшие пути миниатюризации многовыводных кристаллодержателей связываются с возможностью применения гибких полимерных носителей в их конструкции (см. рис.1.4, г). В этом случае используется комбинация технологий формирования столбиковых (шариковых) выводов (в два ряда по периферии кристалла или по всей рабочей поверхности кристалла) с технологией монтажа «перевернутого кристалла», дополненной технологией монтажа на гибком полиимидном носителе (ТАВ) с выводными контактными отверстиями. Однако, проблематичным в такой конструкции BGA является получение периферийных паянных соединений кристалл - носитель выводов, характеризующихся усталостными напряжениями, и, как следствие, низкой надежностью, проявляющейся в отказах при испытании. Кроме того, технология монтажа таких кристаллодержателей должна быть не только групповой, но и высокоточной для исключения коротких замыканий и обрывов, причем прецизионность в этом случае определяется не столько шагом контактных площадок кристалла, сколько зазорами между паянными выводами кристалла после его сборки и монтажа на носителе. В целом, несмотря на достигнутую промежуточную габаритную минимизацию (т.е. на уровне кристаллодержателя) технологии такого корпусирования, остаются нерешенными вопросы обеспечения измерения, электротермотренировки, что в конечном итоге оставляет без решения конечную задачу – создание СБИС КГА для высоконадежного монтажа МКМ.
Сборка СБИС в бескорпусном исполнении дает возможность решить вопрос получения СБИС КГА, пригодных для монтажа МКМ с обеспечением минимальных массогабаритных показателей, требуемого быстродействия и высокой надежности.
Основные тенденции развития технологии корпусирования, включая технологию автоматизированной сборки бескорпусных кристаллов на гибких полиимидных носителях, представлены на рис.1.5.
Рис.1.5. Эволюция техники корпусирования интегральных компонентов и суперкомпонентов с учетом прогнозов (пунктирной линией представлены данные для типичных конструкций корпусов с учетом сложившейся тенденции
развития и прогнозов)