CC BY
412
УДК 621.396
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПОВЫШЕНИЯ ИНТЕГРАЦИИ И МИКРОМИНИАТЮРИЗАЦИИ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ МОДУЛЕЙ С УКАЗАНИЕМ ВОЗМОЖНЫХ ВАРИАНТОВ ИХ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ А.В. Муратов, С.В. Иванов, Д.А. Корчагин
В данной статье кратко рассмотрены современные технологии повышения интеграции и микроминиатюризации радиоэлектронных модулей, произведен их анализ, выявлены преимущества и недостатки, приведены возможные варианты их совершенствования
Ключевые слова: технология, печатная плата, интеграция, миниатюризация, производство
В связи с повышением миниатюризации электронных компонентов и устройств все большее значение приобретает качество монтажа компонентов на печатных платах. При этом требования к качеству монтажа растут быстрее, чем совершенствуются технологии нанесения паяльной пасты, установки и пайки элементов. Большие трудности возникают при пайке печатных плат с плотным размещением компонентов поверхностного монтажа, что заставляет искать новые технологии, способные повысить качество пайки, увеличить ее скорость и снизить стоимость [1]. На сегодняшний день технология поверхностного монтажа является полностью освоенной технологией, для которой уже ясны границы использования. И довольно четко определены ограничивающие факторы, ключевыми из которых являются:
- конечность уменьшения геометрических размеров элементов [2]. Данное ограничение объясняется тем, что при уменьшении размеров элемента увеличиваются требования к точности самого оборудования, что, соответственно, создает в первую очередь задачу создания такого оборудования, а, следовательно, возникают дополнительные затраты для производства;
- уменьшение надежности радиоэлектронного модуля (РМ), созданного по технологии поверхностного монтажа. Существует большое количество дефектов, возникающих благодаря процессу пайки, которые становятся особо актуальными при уменьшении геометрических размеров элементов [3].
Таким образом, для последующего повышения миниатюризации РМ целесообразна разработка новых технологий, исключающих недостатки и ограничения технологии поверхностного монтажа. В настоящее время существует ряд подобных технологий, которые в силу своих особенностей используются предприятиями в различной степени. Ниже будут рассмотрены технологии, на данный момент получившие наибольшее развитие, а также, по нашему мнению, имеющие базис для дальнейшего совершенствования.
Муратов Александр Васильевич - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, тел. (4732) 43-77-30
Иванов Сергей Викторович - ЗАО «ИРКОС», канд. техн. наук, тел. 8-905-655-74-90, e-mail: [email protected] Корчагин Денис Андреевич - ВГТУ, аспирант, e-mail: [email protected]
Первоначально рассмотрим технологию создания гибридных печатных плат (ГПП). Основным принципом данной технологии является создание пассивных и активных элементов в виде пленочных образований, формируемых методом трафаретной печати [4]. Используются толстопленочная и тонкопленочная технологии. Доля толстопленочных схем в общем объеме производства гибридных интегральных схем (ИС) составляет примерно 80 %. Данная цифра объясняется тем, что основной метод формирования элементов толстопленочной технологии - трафаретная печать, которая позволяет применять высокопроизводительное автоматизированное оборудование и обеспечивать получение надежных пассивных элементов. В настоящее время резистивные и проводниковые толстопленочные элементы изготовляются преимущественно на материалах, содержащих драгоценные металлы. Следует отметить, что ведутся работы по созданию материалов, не содержащих драгоценных металлов, на основе металлоподобных тугоплавких соединений и оксидных систем с высокой проводимостью.
Применение тонких пленок позволяет выбирать материалы с оптимальными свойствами. На их основе получают тонкопленочные резисторы и конденсаторы [5]. В связи с тем, что осаждение пленок должно происходить на диэлектрике, критерием выбора оптимального метода получения пленки будет тепловое воздействие на диэлектрик. Тонкопленочная технология получила широкое использование на АОСП «Завод «ТОПАЗ» (Молдова, г. Кишинев), т.к. данным производителем было принято решение о ее большей конкурентоспособности [5].
На сегодняшний день технология ГПП позволяет интегрировать в одном миниатюрном корпусе наибольшее количество элементов. Эквивалентная схема, выполненная на печатной плате по классической технологии поверхностного монтажа, заняла бы в 20 раз больше площади [4]. Следует отметить перспективы развития технологии ГПП:
- возможность получения пленочных элементов из самых разнообразных материалов, более дешевых и технологичных;
- уменьшение геометрических размеров пленочных элементов без снижения надежности РМ.
Одним из ведущих предприятий России, на котором используют технологию ГПП, является ЗАО «НИТИ - «АВАНГАРД» (г. Санкт-Петербург). Потребителями серийной продукции являются такие
предприятия как: НПО «Алмаз», КБ «Корунд», НИПП им. Тихомирова, ФГУП «Краснознаменец», ФГУП «Вектор», ФГУП ИЭМЗ «Купол» и др. [6].
Далее остановимся на технологии изготовления гибридных многослойных керамических плат или так называемой технологии низкотемпературной совместно обжигаемой керамики («Low Temperature Co-fire Ceramic», LTCC). Данная технология использует относительно низкую температуру обжига (850 - 875 °С), что позволяет применять в качестве проводников металлы с низким удельным сопротивлением (серебро, золото или композиции серебра с палладием и платиной) вместо вольфрама или молибдена, которые применяются в высокотемпературной технологии совместно обжигаемой керамики («High Temperature Co-fire Ceramic», HTCC) с температурой обжига выше 1000 С [7].
Технология LTCC предусматривает изготовление многослойных плат на керамической основе из отдельных листов, на которых предварительно сформированы металлизированные межслойные и теплоотводящие отверстия, элементы полостей и окон, а также методом трафаретной печати нанесены проводниковые, диэлектрические и резистивные элементы. Одиночные листы собираются в пакет, который подвергается прессовке при определенных значениях температуры и давления. Если допуск на линейные размеры не критичен, собранный пакет может быть предварительно разделен на отдельные платы. Пакет или отдельные платы обжигаются в одном цикле. При повышенных требованиях к линейным размерам пакет разделяется на платы после обжига. Технология LTCC позволяет изготавливать внутренние (скрытые) пассивные элементы (резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности) в объеме РМ. При этом на внешних слоях многослойной керамической платы с внутренними пассивными элементами могут быть использованы компоненты поверхностного монтажа. Технология LTCC позволяет формировать элементы малых размеров с достаточно высокой технологичностью, следовательно, данную технологию целесообразно применять для изготовления объемных СВЧ-структур.
Одним из самых ярких представителей технологии LTCC в России является ФГУП «Ростовский-на-Дону НИИ радиосвязи» («РНИИРС»), который с 2002 года занимается разработкой и изготовлением многослойных керамических плат по указанной технологии на основе керамики «Green Tape» (марка керамики компании «Du Pont»). Некоторыми из полученных решений на ФГУП «РНИИРС» являются фильтры на симметричных линиях, направленные ответвители и др. [7]. Другим производителем, работающим с применением технологии совместно обжигаемой керамики, является ООО «Микроэлектронная фирма «ОНИКС» (г. Ярославль) - ведущее предприятие в области материалов для толстоплёночной технологии и создания изделий и технологий на основе новых материалов. Фирма работает на рынках России и СНГ с 1991 г., а с 1997 г. является техническим представителем компании «DuPont» (США). На сегодняшний день разрабатываются и
серийно изготовляются печатные платы на основе керамики «CoorsTek» (США) [8].
Одной из основных задач данной технологии на сегодняшний день является повышение степени интеграции компонентов в РМ. Преимуществами технологии LTCC выступают высокая надежность изготовленных РМ и относительно низкая температура обжига керамики.
Следующей рассмотрим технологию внутреннего монтажа (ВМ). В соответствии с технологией ВМ кристаллы интегральных микросхем не подвергаются корпусированию, а интегрируются в тело самой подложки печатной платы. В качестве материала основания печатной платы может выступать поликор, фторопласт, LTCC и др. Поэтому технология и получила название «внутренний монтаж». Данная технология принадлежит отечественным разработкам и является серийной, прошла все виды испытаний и отражена в соответствующем военном стандарте (ОСТ В 11 1009-2001 «Микросборки и многокристальные модули»). Технология ВМ чрезвычайно эффективно показала себя в работе военной радиоэлектроники [9]. Согласно [10] технология ВМ придает радиоэлектронному блоку характеристики, недостижимые при любом другом виде монтажа электрорадиоэлементов. Данная технология наиболее эффективна для производства мобильных приемовычислителей, источников вторичного питания, СВЧ-блоков, блоков средств связи и телекоммуникаций, автомобильной электроники и др.
Помимо указанного выше преимуществом технологии ВМ является использование традиционного оборудования для производства микросборок (установок вакуумного напыления металлических пленок, установок ионноплазменного травления диэлектрических слоев и др.). Недостатками выступают сложность и высокая стоимость изготовления РМ, обусловленные отсутствием необходимого опыта использования данной технологии и не развитой инфраструктурой.
Представителем технологии ВМ является «Центр радиоэлектронных технологий», сформированный на производстве ОАО «Московский радиозавод «ТЕПМ» совместно с НПП «КВП Радуга» (г. Москва) [9].
Несмотря на то, что тенденции развития электроники направлены на создание отдельного, функционально-законченного изделия с максимальным числом выполняемых функций, производство на основе выше рассмотренных технологий ГПП, LTCC и ВМ требует специфических знаний, которыми достаточно редко обладают сотрудники небольших фирм. К тому же мелкосерийное производство гибридных модулей не всегда рентабельно, что в большой степени сужает возможность применения данной технологии.
В связи с этим получили развитие такие технологии как «Кристалл на плате» («Chip-on-Board», COB), «Кристалл на стекле» («Chip-on-Glass», COG), «Кристалл на полимере» («Chip-on-Flex», COF), «Перевернутый кристалл» («Flip-chip»), «Корпус, соизмеримый с размером кристалла»
(«Chip-Scale Packages», CSP) и «Многокристальные модули» («Multi-Chip-Module», MCM) [11].
Суть технологии СОВ заключается в отказе от необходимого ранее корпуса для активного кристалла. Выигрыш при этом можно получить по нескольким направлениям, а именно: значительная экономия (ИС в корпусе стоит в 3 раза больше, чем кристалл, который она несет); сокращение технологических операций; уменьшение занимаемой элементом площади. Из ряда задач, которые сейчас стоят перед разработчиками технологии СОВ, выделим следующие:
- уменьшение специальных требований при использовании технологии СОВ (например, специальная подготовка контактных площадок и поверхности платы). В настоящее время идет активный поиск материалов и технологических решений;
- решение задачи теплоотвода в высокомощных системах. В этом случае возможно встраивание в толщину печатной платы металлического теплоотвода под кристаллом, и, при последующей сборке соединение данного теплоотвода с основным радиатором изделия;
- организационная задача. Переход любой организации на технологию СОВ требует определенных затрат, в которые войдут потери на приобретение нового оборудования, обучение специалистов, разработка новых технических решений и др.
В России производством изделий на основе СОВ технологии занимается компания ООО «МЭЛТ» (г. Москва). Из зарубежных партнеров можно отметить молодую быстроразвивающуюся тайваньскую компанию «Winstar Display Co., Ltd» [12]. В качестве примера использования технологии СОВ приведем опыт компании «Silcon Power», выпустившей флеш-накопитель «Silicon Power Touch 820», который при сравнительно меньших размерах сочетает в себе достаточно большой объем хранимой информации и обладает хорошими эксплуатационными характеристиками [13].
К основным тенденциям развития технологии СОВ относятся уменьшение размеров кристаллов, сокращение времени разработки и повышение надежности полученного изделия.
Технология «Flip-chip» сегодня является одной из наиболее часто используемых при изготовлении микросхем в корпусах CSP, BGA («Ball Grid Aray» -корпус с шариковыми матричными выводами) и РМ. По данной технологии работает группа компаний «Вавилон», которая специализируется на контрактном производстве электронных изделий [10].
Метод корпусирования «Flip-chip», позволяющий создавать контакт в любой точке кристалла, в последнее время приобретает популярность среди разработчиков высокопроизводительных микропроцессоров. Однако, из-за отсутствия доступных и надежных систем автоматизированного проектирования для разработки «Flip-chip» корпуса, возникает потребность в услугах сторонних организаций. Отсутствие автоматизации в этом случае приводит к повышенному числу человеческих ошибок и, как следствие, повышенным издержкам повторного из-
готовления и задержкой выпуска конечного продукта.
При выборе типа корпусирования долгое время отдавалось предпочтение технологии, основанной на соединении выводов корпуса c контактами на периферии кристалла. Однако в последние годы она теряет свою популярность. Причиной тому являются проблемы, связанные с совместным увеличением числа выводов на кристалле (более 500) и тактовых частот, а также необходимостью компенсации падения напряжения питания на кристалле. Они в значительной мере решаются при использовании корпусов, изготовленных на основе технологии «Flip-chip». В отличие от метода термокомпрессионной микросварки («Wire bonding») корпуса, где выводы соединяются с периферией кристалла параллельными проводами (что является потенциальным источником помех на высоких частотах), «Flip-chip» корпус позволяет осуществить контакт с любой точкой кристалла и, при правильной разводке проводников, свести к минимуму сигнальные помехи [14].
Технологию «Flip-chip» целесообразно использовать при создании устройств:
- с низким числом каналов ввода/вывода -«Flip-chip» электронные часы и автомобильная электроника (до 60 %);
- со средним числом каналов ввода/вывода -драйверы дисплеев, в компьютерной технике большого формата;
- с числом каналов ввода/вывода от 2000 и выше применяют значительно реже, так как в них используют кристаллы только высокой степени надежности, монтируемые, зачастую, на керамические подложки.
Достоинствами технологии «Flip-chip» будут являться сокращение длины и уменьшение числа соединений. К недостаткам же можно отнести необходимость высокой плотности рисунка схемы ПП под посадочное место для элемента, сложность подбора флюса и адгезивов в зависимости от вида элемента и подложки, а так же низкий уровень выхода годных «Flip-chip» элементов.
Все более широкое применение получает технология CSP, которая позволяет получать ИС в микрокорпусах. Компонент CSP обычно имеет размер не более чем на 20 % превышающий размер самого кристалла. При этом кристалл защищен от воздействия окружающей среды и существует возможность тестирования микросхем до их монтажа на диэлектрическое основание РМ. Данная технология осуществляет многослойную упаковку кристаллов, позволяющую составлять микросхемы толщиной порядка 1,2 мм из пяти слоев. Первоочередными областями применения этих компонентов являются микросхемы памяти, микросхемы управления (аналого-цифровые преобразователи, логические схемы с низким количеством каналов входа/выхода и микроконтроллеры), схемы цифровой обработки (например, процессоры цифровой обработки сигнала (DSP)), а также микросхемы специального применения (ASIC) и микропроцессоры. Данная технология подчиняется стандарту IPC/EIA J-STD-027,
который устанавливает основные требования касательно механических характеристик компонентов в корпусах «Flip-chip» и CSP, включая поверхности, шариковые выводы и контактные площадки [15].
В компонентах CSP просматривается хорошая альтернатива технологии «Flip-chip», поскольку очевидны преимущества стандартного расположения контактных площадок, возможностей теста и прожига, а также отсутствия необходимости в специальном процессе подготовки чипа [14]. Недостатками данной технологии являются неразвитая инфраструктура и отсутствие точных данных о надежности и стоимости элементов.
Учитывая тенденции развития технологий корпусирования микросхем, связанные с переносом внешних межсоединений корпуса ИС в конструкцию многокристального модуля [11]. Рассмотрев все преимущества и недостатки приведенных выше технологий, следует сделать вывод о целесообразности дальнейшего развития по пути оптимального совмещения технологий, ориентированных на изготовление гибридных оснований РМ и технологий
монтажа высокоинтегрированных компонентов, включая как безкорпусные кристаллы ИС, так и микросхемы в корпусе.
Таким образом, перспективным может быть слияние технологии создания ГПП и технологии COB. Причем рационально будет использовать гибридную технологию для создания пассивных элементов, а COB - для получения активных. Для этого необходимо рассмотреть технологические процессы создания ГПП и СОВ-элементов.
В целом они схожи, разница заключается в следующем:
- использование базовых материалов: для COB-технологии в качестве подложки используется стеклотекстолит, в технологии ГПП - керамика;
- тип корпуса элемента: в COB-технологии полупроводниковый кристалл герметизируется заливкой, в технологии ГПП - элемент закрывается корпусом.
Приведем основные технологические операции СОВ и ГПП технологий в табл. 1.
Таблица 1
Основные технологические операции СОВ и ГПП технологий
Технологическая операция Pазличия
СОВ -технология Технология ГПП
Получение полупроводниковой пластины Печатная плата Керамическая подложка
Тестирование, разделение на кристаллы - -
Отмывка - -
Монтаж кристалла на подложку - -
Сварка - -
Тестирование - -
Герметизация зоны микросварок Заливка компаундом Закрытие металлическим или пластиковым корпусом
Установка штыревых компонентов - -
Тестирование - -
Упаковка - -
Как видно из табл. 1 технологические операции СОВ и ГПП технологий являются аналогичными. Для того чтобы использовать керамику в качестве подложки в СОВ-технологии, данная подложка должна соответствовать следующим требованиям: отсутствие перепадов высоты (перепад высоты в пределах ± 1 мкм); отсутствие микроцарапин и сколов; шероховатость поверхности в зависимости от типа проволоки ± (1..2) мкм; отсутствие загрязнений (предпочтительна плазмохимическая очистка).
Необходимо правильно определить толщину РМ. В общем виде ее можно найти по формуле
Н РМ _ Ь ЭЛ + Ь СП + Ь ГС + П * Ь ПР + (п — 1) * Ь СД ,
где Ьэл - толщина элементов; ЬсП - толщина слоя припоя; Ьгс - толщина герметизирующего слоя; ИПР - толщина проводящего слоя; Ьсд - минимальная толщина диэлектрической подложки между проводящими слоями; п - количество проводящих слоев РМ.
Для определения Ьсд следует учитывать свойства применяемой подложки. В табл. 2 представлены основные характеристики подложек, используемых в тонкопленочной технологии ГПП.
Для того чтобы минимальная толщина диэлектрической подложки между проводящими слоями обеспечивала надежную работу РМ, следует учитывать ее электрическую прочность, исходя из этого толщину подложки можно найти из выражения
и п
h СД
пр
E
где Е - электрическая прочность диэлектрика, Ипр - напряжение пробоя диэлектрика, которое выбирается как четыре рабочих напряжения схемы.
Оптимальной последовательностью технологических операций изготовления РМ по СОВ и ГПП технологиям является первоначальное наращивание пленочных элементов, после чего следует совмещение проводящих и диэлектрических слоев, совместный обжиг, монтаж в предусмотренные окна кристаллов ИС, ультразвуковая сварка СОВ-элементов, далее - общая герметизацию модуля. С целью упрощения технологического процесса целесообразен отказ от корпусных компонентов.
Таблица 2
Характеристики материалов для подложек, применяемых для тонкопленочных ГПП__________________
Наименование параметра Ситалл СТ50-1 Керамика
Поликор Глазурованная
Класс шероховатости поверхности 13-14 12 -14 14
Температурный коэффициент линейного расширения при температуре от 20 до 300 °С (а^10'7),°С'1 50±2 70-75 73-78
Коэффициент теплопроводности, X, Вт/(м-К) 1,5 30-45 1,2-1,7
Температуры размягчения, °С 620 - 1900
Диэлектрическая проницаемость при £=106 Гц и 1°= +20 °С 5 - 8,5 10,5 13-16
Тангенс угла диэлектрических потерь при £=106 Гц и 1°= +20 °С, 1ё510"4 20 18 18
Электрическая прочность, В/м-105 40 - 50
Одним из указанных перспективных решений является встраивание в толщину печатной платы COB-элементов. Для этого следует во внешних слоях диэлектрического основания РМ на начальных этапах получить так называемые окна для монтажа в них активных элементов. Это потребует определенного усложнения технологического процесса. Также подчеркнем, что размеры кристалла будут влиять на образование пустот под ним. Это связано с тем, что воздух, образующийся во время нагрева РМ, и остатки флюса не успевают высвободиться из-под центра кристалла, при этом, чем больше площадь кристалла, тем больше вероятность образования различного рода дефектов в слое припоя [16].
Подводя итог, следует отметить, что вариантов генерации новых технологических решений путем оптимального синтеза рассмотренных выше технологий достаточно большое количество. Однако при этом необходим глубокий анализ свойств применяемых материалов, оборудования и особенностей выполнения всех технологических операций.
Литература
1. Мэнгин Ч.Г., Макклелланд. С. Технология поверхностного монтажа. - М.: «Мир», 1990. - 276 с.
2. Медведев А.М. Печатные платы. Конструкции и материалы. - М.: «Техносфера», 2005. - 304 с.
3. Нинг-Ченг Ли. Технология пайки оплавлением, поиск и устранение дефектов: поверхностный монтаж, BGA, CSP и FLIP CHIP технологии. - М.: издательский дом «Технологии», 2006. - 392 с.
4. Фарассат Ф., Валев С. «Кристалл-на-плате» (СОВ): новая эра сборочной технологии / Технологии в электронной промышленности, 2005. № 6.
5. IM uzina TOPAZ, SA Интернет-ресурс. - Режим доступа: http://4224.md.all-biz.info/plant.php? what=1.
Воронежский государственный технический университет ЗАО «ИРКОС», г. Москва
6. ЗАО «НИТИ - «АВАНГАРД». - Режим доступа: http://www.nitiavangard.ru.
7. Егоров Г. Многослойные керамические микросхемы. Низкотемпературная совместно обжигаемая керамика / Г. Егоров, С. Капкин, Л. Стельмахо-вич, В. Трофименков, В. Хрипко // «ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес»,2006. № 3, С. 40.
8. Сайт фирмы «Оникс». - Режим доступа: http://onyxmef.narod.ru.
9. Сайт НПП «КВП Радуга». - Режим доступа: http://www.raduga-npp.ru.
10. Сайт группы компаний «Вавилон». - Режим доступа: http://vavilon-pcb.ru.
11. Медведев А. М. Сборка и монтаж электронных устройств. М.:«Техносфера»,2007. 256с.
12. Winstar Display Co. - Режим доступа: http://www.gaw.ru/html.cgi/txt/lcd/lcm/Winstar.
13. Silicon Power Touch 820 Swivel-Guard USB Drive ~ Winner of the Second Annual Computex Taipei Design and Innovation Award. - Режим доступа: http://www.siliconpower.com/news.
14. Кибардин В.В. ЗАО «МЦСТ» Автоматизация проектирования flip-chip корпуса. «Информационные технологии», 2008. № 7. С. 48.
15. Стандарт «IPC/EIA J-STD-027». Основные положения по механическим характеристикам «Flip Chip» и CSP компонентов (Mechanical Outline Standard for «Flip Chip» and Chip Size Configurations).
16. Шмаков М. Технология поверхностного монтажа при сборке плат микросборок и гибриднопленочных интегральных схем. Первые результаты / М. Шмаков, В. Паршин, Н. Свиридова, Е. Теплякова.
- Технологии в электронной промышленности, 2008. № 4.
MODERN TECHNOLOGIES OF INCREASE OF INTEGRATION AND MICROMINIATURIZATIONS OF RADIOELECTRONIC MODULES WITH INSTRUCTIONS OF POSSIBLE VARIANTS OF THEIR PERFECTION
A.V. Myratov, S.V. Ivanov, D.A. Korchagin
In given article modem technologies of increase of integration and microminiaturisation of radioelectronic modules are is short considered, their analysis is made, advantages and lacks are revealed, possible variants of their perfection are resulted
Key words: technology, printed circuit board, integration, miniaturization, manufacture
