SamsPcbGuide, часть 11: Технологии — корпуса BGA-типа, пластик и космос

Отличительной особенностью электронных технологий является всё большее уплотнение монтажа радиокомпонентов и микросхем, что стало причиной появления корпусов типа BGA. При их пайке обрабатывается сразу несколько контактных ножек и площадок, располагаемых под днищем цифрового контроллера или небольшого по размерам чипа.

Подобная микроминиатюризация зачастую оборачивается известными неудобствами, вызванными сложностью ремонта (пайки) элементов, размещённых в корпусе BGA. При обращении с ними действовать следует очень аккуратно, соблюдая определённые предосторожности и рекомендации. Таким образом, BGA пайка предполагает хорошо продуманную методику обработки контактов микросхем известного класса.

Введение

Развитие микроэлектронных компонентов постоянно идет в направлении увеличения интеграции, производительности и функциональности. Этот процесс характеризуется увеличением плотности активных элементов на кристалле примерно на 75% в год, а это, в свою очередь, вызывает необходимость в увеличении количества их выводов на корпусе на 40% в год. Этим обуславливается, во-первых, постоянно растущий спрос на новые методы корпусирования, а во-вторых, увеличение плотности межсоединений на печатной плате.
В результате общих тенденций площадь монтажных подложек уменьшается примерно на 7%, а физические размеры электронной аппаратуры — на 10–20% в год. Эта тенденция поддерживается непрерывным увеличением плотности межсоединений за счет уменьшения элементов печатного монтажа. Все это серьезно влияет на систему производства электроники: увеличивается стоимость основных фондов, объем прямых издержек, увеличивается цикл производства. В итоге все это приводит к увеличению себестоимости электронных изделий, если не принимать специальных мер по их удешевлению.

Паяльник для пайки

PS-900 METCAL – индукционная паяльная система. Мощности паяльника 60 Вт вполне достаточно для работы с многослойными платами современной электроники. Опыт работы инженеров по ремонту телефонов именно с этим паяльником – 4 года. Какие отличительные особенности у PS-900:

• нет необходимости в калибровке,
• большой выбор наконечников,
• надежность станции, расходным материалом является индуктор. При ежедневной интенсивной пайке, замена индуктора в среднем 1 раз в 10 месяцев.

Паяльник для пайки

Конструкции корпусов микросхем

С самого начала кристаллы микросхем помещали внутрь керамических или пластмассовых корпусов. Примерно до 1980 г. все корпуса микросхем имели выводы, предназначенные для их размещения и закрепления в металлизированных отверстиях (РТН, Plated Through-hole — металлизированное отверстие) монтажной подложки и последующей монтажной пайки. Тогда же был сформирован наиболее приемлемый шаг монтажных отверстий на печатных платах: в США — 2,54 мм (1/10 дюйма), у нас его округлили до 2,5 мм, что на каком-то из периодов истории порождало конфликты в системах стандартизации.

Позднее, с увеличением интеграции, выводы стали делать в форме, пригодной для технологии поверхностного монтажа (SMT — Surface Mounting Technology), ставшей сегодня преобладающей технологией монтажа электронных компонентов. Пассивные или маловыводные компоненты для поверхностного монтажа по существу увеличивают плотность компоновки за счет простого уменьшения размеров. Современные резисторы и конденсаторы формируются в виде чипов размером с маковое зернышко и даже меньше. Увеличение плотности компоновки микросхемы не может идти по такому простому пути: необходимо геометрическое пространство для размещения многочисленных выводов на корпусе компонента и монтажном поле платы.

Основными способами размещения выводов корпусов микросхем являются:

• периферийное расположение выводов, когда они расположены по краям (на периферии) кристалла или корпуса микросхемы;
• матричное расположение выводов на плоской поверхности корпуса.

Большинство типов микросхем имеют периферийное расположение выводов. Шаг периферийных выводов ограничен 0,3 мм (практически — 0,4 мм), что позволяет размещать на микросхемах с корпусами больших размеров до 500 выводов. Но нужно принять во внимание, что при шаге выводов меньше 0,5 мм возрастает сложность монтажа и объем ремонта. Конфигурация периферийных выводов может принимать разнообразные формы: «крыло чайки», J-образные (с пайкой под корпус), I-образные (для пайки встык), безвыводные с пайкой по торцу корпуса [2].

Компоненты с матричным расположением выводов имеют еще большее разнообразие:

• CSP (Chip-scale Packages — корпус, соизмеримый с размером кристалла);
• PBGA (Plastic Ball Grid Array — пластмассовые корпуса с шариковыми матричными выводами);
• CBGA (Ceramic Ball Grid Array — керамические корпуса с шариковыми матричными выводами);
• PPGA (Plastic Pin Grid Array — пластмассовые корпуса с матричными контактными площадками);
• CCGA (Ceramic Column Grid Array — керамические корпуса со столбиковыми матричными выводами).

Предполагается, что микросхемы с количеством выводов от 150 до 200 будут выполняться в корпусах с периферийным расположением выводов. Для микросхем с количеством выводов более 150–200 предпочтительнее матричная система выводов, так как она делает возможным размещение большого количества выводов на ограниченной площади.

Конструкции выводов в матричной системе имеют меньшее разнообразие:

• столбиковые выводы из припоя, армированного «путанкой» из тонкого провода, для корпусов микросхем и многокристальных модулей МСМ (Multi-Chip Module), часто называемых матрицей контактных площадок (pad grid), матрицей выводов (land grid);
• матрица шариковых выводов (BGA — Ball Grid Array) с шагом выводов 1,50 мм (0,060 дюйма), 1,27 мм (0,050 дюйма), 1 мм (0,040 дюйма), 0,8 мм (0,03 дюйма) и менее.

Матричная система выводов обеспечивает ряд очевидных преимуществ. Наиболее важными являются:

• минимальная площадь монтажного поля подложки;
• наличие свободных мест для размещения элементов теплоотвода на подложку;
• лучшие условия обеспечения функциональной производительности электронных модулей за счет меньших паразитных эффектов на быстродействующих операциях;
• упрощение технологии поверхностного монтажа на печатную плату за счет использования процессов оплавления припоя при групповом нагреве;
• больший выход готовой продукции. (Хотя существуют опасения, что можно потерять качество из-за невозможности прямого визуального контроля соединений.)

Но все же монтаж компонентов с матричными выводами связан с дополнительными капиталовложениями для обеспечения позиционирования выводов на плате и тестирования паек, не доступных для визуализации. Ограниченная длина выводов не обеспечивает демпфирования для компенсации рассогласования температурных расширений материалов в иерархии межсоединений (рис. 1) и не обеспечивает необходимую для особых условий устойчивость к механическим воздействиям, связанным с деформацией подложек. В силу этого перечень материалов для использования в этой системе межсоединений очень ограничен. И все они дороже обычных. Тенденция к дальнейшему уменьшению шага выводов (< 1,0 мм) еще больше обостряет эту проблему.

Рис. 1. Рассогласование температурных расширений материалов в иерархии межсоединений BGA-компонентов на монтажной подложке

В связи с этим идет практическое опробование других сочетаний материалов: демпфирующих полиимидных пленок (Tape BGA — TBGA), керамических подложек (CBGA — Ceramic BGA или PGA — Pin Grid Array). Очевидно, что использование керамической подложки позволяет получить отличные результаты: устойчивость к термоциклам корпусов CBGA, не смонтированных на плату [3]. То есть проблемы сочетания выводов CBGA со стеклоэпоксидным основанием решаются в процессе монтажа.

BGA-компоненты

BGA-технология возникла приблизительно 20 лет назад в фирме IBM для внутреннего потребления. Первая фирма, которая переняла опыт IBM, была Motorola, она купила лицензию у IBM и развила ее технологию до компоновки, названной OMPAC (Overmoulded Plastic Array Carrier). Структура BGA-компонента показана на рис. 2.

Рис. 2. BGA-компонент в пластиковом корпусе

По этой схеме кристалл устанавливается на монтажную подложку из композиционного материала с органическим связующим (FR-4, FR-5, BT), имеющим высокую температуру стеклования. Для этих целей предпочтительнее использовать материал на основе ВТ (Bismaleimid Triasine) с особенно высокой температурой стеклования и отличными электрическими свойствами. На обе стороны подложки наносится финишное покрытие NiAu, универсальное для микросварки (разварки проводов от микросхемы к подложке) и пайки шариковых выводов.

Кристалл приклеивается к подложке теплопроводным адгезивом на основе эпоксидной смолы. В свою очередь, подложка имеет элементы кондуктивного теплоотвода с одной стороны на другую. Часть шариковых выводов предназначена для тепловых соединений.

Современные стандарты устанавливают шаг сетки матричных выводов: 1,5 мм, 1,27 мм и 1,0 мм и диаметром шариковых выводов 0,6 мм. Конструкции подложек 50×50 мм позволяют размещать на них 2401 вывода с шагом 1,0 мм.

Кристаллы микросхем монтируют на подложку с помощью одного из четырех методов:

1. Термокомпрессионная микросварка (wirebonding) — наиболее старый, наиболее гибкий и широко применяемый метод (рис. 2). С его помощью до сих пор изготавливают более 96% всех микросхем.
2. Присоединение кристаллов к выводам ленточного носителя (рис. 3), или TAB (Tape-automated Bonding). Этот метод используется для автоматического монтажа кристаллов с малым шагом выводов на промежуточный носитель. Кроме возможности автоматизации монтажа, он обеспечивает возможность предварительного тестирования кристаллов перед окончательной установкой его на монтажную подложку.

1. Присоединение перевернутого кристалла(Flip Chip) через шариковые выводы (рис. 4). Компактность и улучшенные электрические характеристики этого метода межсоединений способствуют расширению его применения.

Рис. 4. Монтаж микросхемы на подложку методом перевернутого кристалла (Flip Chip)

1. Присоединение кристалла балочными выводами (рис. 5). При этом методе используют технологии термокомпрессионной и ультразвуковой микросварки балочных выводов к периферийным контактным площадкам на кристалле и затем — балочных выводов к подложке.

Методы безопасности

Вентиляция: Испарения флюса при пайке и выпайке могут оказывать вред. Используйте общую или местную вытяжки для соблюдения норм Предельно Допустимой Концентрации вредных веществ на рабочем месте. Проконсультируйтесь в технической информацией (MSDS) по паяльным материалам о допустимой норме ПДК.

Средства личной защиты: Химикаты, используемые в процессе реболлинга могут вызвать поражение участков кожи. Используйте соответствующие средства защиты, когда выполняете действия по очистке, пайке или выпайке

Опасность свинца: Организация USEPA Carcinogen Assessment Group относит свинец и его сплавы к тератогенам, а компоненты с его применением к классу B-2 канцерогенов.

При работе с чувствительными к статическому заряду компонентами убедитесь, что ваше рабочее место защищено от статики, для этого используйте следующие средства:

• Напалечники
• Проводящие рабочий коврик или покрытие стола
• Заземленный пяточный или запястные браслеты

Микрокорпуса

Дальнейшее развитие компоновки микросхем привело к возможности их размещения в корпусе, соизмеримом с размером кристалла, — в микрокорпусах. В английской терминологии они называются и Chip Scale Package — CSP, и Chip Size Package — CSP, а также μBGA и, наконец, Slightly Larger than an IC Carier — SLICC («слегка больше кристалла микросхемы»). На рис. 6 можно видеть, что это действительно так. Размер микрокорпуса ?BGA, как правило, не превышает 20% относительно размера кристалла.

Рис. 6. Компоновка микрокорпуса μBGA (CSP)

Разновидность компоновки под названием μBGA (рис. 6) представляет собой микрокорпус, в который уложен кристалл микросхемы. Для демпфирования кристалла на него наносится какой-либо нейтральный, стойкий к нагреванию эластомер (например, силикон). На нем размещается полиимидный носитель межсоединений типа ТАВ. Хвостовики носителя развариваются на периферийных выводах кристалла микросхемы. На поле носителя размещается матрица контактных площадок с покрытием NiAu. В таком виде микросхемы тестируются и затем поставляются потребителю. По заказу на контактные площадки напаиваются шариковые выводы. Современные достижения обеспечивают диаметр шариков 85 мкм, шаг выводов в матрице — 1,27 мм, 1,0 мм, 0,8 мм, 0,65 мм, 0,5 мм. Размер микрокорпуса всего лишь на 0,3 мм больше размера кристалла.

SLICC-корпус использует в качестве монтажной подложки стеклоэпоксидное основание (рис. 7). Соединение кристалла с подложкой осуществляется через шарики выводов, размещенных непосредственно на поверхности кристалла микросхемы. Современные принтеры позволяют точно позиционировать и нормировать дозы паяльной пасты на полупроводниковые пластины («вафли»), на которых после оплавления образуются шарики припоя. Они используются для монтажа кристалла на стеклоэпоксидной подложке. По существу, монтажная подложка в SLICC-корпусах служит для увеличения шага выводов от микросхемы к плате. В этом конструктивном решении ничем не компенсируются разные коэффициенты температурного расширения. Вместо этого разнородную систему скрепляют подливом компаунда в пространство между кристаллом и подложкой.

Рис. 7. SLICC-корпус

Таблица уровней восприимчивости к влажности

Непосредственный монтаж кристаллов на плату

Потребности в уменьшении массы и габаритов конструкций электронной аппаратуры обусловили интерес к методам непосредственного монтажа кристаллов микросхем на плату (DCA — Direct Chip Attach): это «кристалл на плате» — СОВ (Chip-on-Board) или многокристальные модули (MCM — Multi-Chip-Module).

При оценке возможности использования этих методов необходимо вновь принимать во внимание разные температурные коэффициенты расширения кристаллов из кремния и монтажной подложки. Кроме прямого решения этой проблемы — выбора соответствующего материала подложки, используется и другой путь: заливка эпоксидной смолой пазухи, разделяющей кристалл и плату (рис. 8). Подобный прием позволяет выровнять деформации кристалла и подложки и за счет этого существенно улучшить надежность таких сборок.

Рис. 8. Последовательность операций при установке кристалла на плату

При непосредственной установке кристаллов на монтажные подложки не всегда есть возможность предварительно убедиться в их правильной работе до их монтажа на подложку. К настоящему времени существует несколько технологий для решения этой проблемы. В зарубежной терминологии она имеет название — «заведомо исправный кристалл» (KGD — Known Good Die). Один из путей ее решения — использование микрокорпусов, размеры которых лишь ненамного превышают размеры кристалла. Но это позволяет выполнить функцию защиты от внешней среды и перераспределить выводы кристалла на матрицу выводов микрокорпуса. В свою очередь, применение микрокорпусов позволяет тестировать микросхему до установки ее на монтажную подложку. На микросхемах с программируемой логикой (ПЛИС) создается возможность программировать их пережиганием перемычек в соответствии с задуманной схемой. Типовой пример микрокорпусов — CSP-корпус (CSP — Chip-Scale Packaging).

Поскольку для некоторых CSP-корпусов шаг матричных выводов составляет 0,5 мм (0,020 дюйма) и менее, требуется использование специальных технологий производства печатных плат, позволяющих обеспечить разводку сигнальных цепей в узких пространствах между элементами монтажного поля.

Многокристальные модули (MCM)

Многокристальные модули относились, до начала 1990-х, к области космической и военной технологии и высококачественной компьютерной промышленности. Первой преуспела в практическом использовании МСМ фирма IBM при организации производства серии ЭВМ четвертого поколения. В качестве монтажного и теплоотводящего основания использовались многослойные керамические платы. Специально для этого был построен завод по их производству. Большой объем работ сегодня ведется в Германии, в частности, в Ростокском университете и Техническом университете в Берлине, где за счет использования технологий МСМ увеличивается компоновка не только в плоскости модуля, но и по его вертикали (рис. 9).

Рис. 9. Экспериментальные образцы элементов МСМ в Берлинском Техническом университете

В 1990-х годах использование МСМ было единственным решением по увеличению интеграции и соответствующему повышению функциональности аппаратуры. Тогда вложения в создание многокристальных модулей были меньше, чем инвестиции в микроэлектронику.

Но в дальнейшем развитие электроники пошло по ставшему уже традиционным пути — по пути увеличения интеграции микросхем, что повлекло громадные вложения в их производство. Эти тенденции прослеживаются и сейчас. Построенные в Юго-Восточной Азии фабрики микросхем с топологическим разрешением 0,065 мкм и 0,093 мкм пока не до конца загружены. Поэтому сегодня усилия сосредоточены на проектах, которые бы использовали возможности развивающегося микроэлектронного производства.

Тем не менее, проекты МСМ прорабатываются всерьез там, где другие пути интеграции по тем или другим причинам не доступны.

Главная трудность в создании МСМ — сложности в тестировании кристаллов микросхем. Если вероятность попадания в состав трехкристального модуля равна 95% годных микросхем, выход годных МСМ составляет 85,7%. Далее встает вопрос идентификации годных и негодных компонентов модуля. Рентабельность производства МСМ напрямую связана с вероятностью годных микросхем.

Рис. 10

Рис. 11

Рис. 12

Во всяком случае, самая дорогая часть MCM — основание (подложка). В таблице 1 показаны варианты исполнения монтажных оснований МСМ. Вариант MCM-L предпочтителен с позиций экономичности.

Таблица 1. Современные представления о многокристальных модулях

Печатные платы

Существующие технологии производства печатных плат способны обеспечить монтаж выводов бескорпусных микросхем, если он выполняется по технологии термокомпрессионной сварки или с использованием ленточных носителей (TAB-технологии). При таком решении трудности защиты открытых кристаллов микросхем возникают при корпусировании электронных модулей, но это решение все еще остается одним из наиболее эффективных методов монтажа бескорпусных микросхем.

При использовании корпусов с малым шагом матричных выводов ситуация усложняется тем, что сигнальные связи от внутренних выводов матрицы необходимо вывести между контактными площадками матрицы. При этом имеется возможность провести между контактными площадками один, максимум — два проводника. Поэтому в большинстве случаев проводники от внутренних выводов матрицы проводятся по внутренним слоям многослойных печатных плат.

Традиционные технологии многослойных печатных плат методом металлизации сквозных отверстий не позволяют осуществлять монтаж микросхем с матричными выводами с шагом менее 1,0 мм (0,040 дюйма). Но уже созданы корпуса микросхем типа CSP с шагом матричных выводов 0,508 мм (0,020 дюйма) и 0,254 мм (0,010 дюйма). Для монтажа таких компонентов к МПП добавляются специальные слои с глухими металлизированными отверстиями, на которых реализуется разводка цепей из-под микрокорпусов или из-под бескорпусных кристаллов микросхем.

Такие тонкие дополнительные специализированные слои напрессовываются на МПП, после чего в них выполняются глухие металлизированные отверстия. Поэтому этот метод за рубежом получил название (буквально) «напрессованная на поверхность схема», или SLC (Surface Laminar Circuit). И хотя в России для этого метода пока нет установившегося термина, можно видеть, что в нем соединены метод металлизации сквозных отверстий и метод послойного наращивания. Значит, ему можно присвоить длинное название — «МПП с послойным наращиванием внешних слоев» или «МПП с глухими отверстиями», пока в среде российских специалистов не установится более лаконичное название.

Очистка фиксатора

Количество выводов и степень интеграции микросхем

При монтаже кристаллов на подложку корпуса и корпуса на монтажную подложку (плату) или при непосредственном монтаже кристалла на плату неизбежно увеличиваются используемые для этого площади. Это вызвано необходимостью выделения определенного физического пространства для размещения выводов. А число выводов подчиняется общей тенденции их увеличения с увеличением интеграции микросхем:

где n — количество выводов, q — коэффициент связности микроэлементов в структуре микросхемы, N — степень интеграции микросхемы, R — показатель Рента [4].

В противоположность степени интеграции этот эффект называют степенью дезинтеграции, которая оценивается отношением плотности микроэлементов, отнесенной к монтажной площади на плате, с их плотностью размещения на кристалле. Например, если кристалл процессора имеет размер 10×10 мм, а монтажное поле его корпуса на плате занимает площадь 4000 мм, такое конструктивное исполнение системы межсоединений характеризуется дезинтеграцией с числом 40. Каким значением оценивается матрица из 800 выводов? Периферийное расположение такого количества выводов с шагом 0,4 мм занимает монтажное поле площадью 8000 мм, значит, степень дезинтеграции такого конструктивного исполнения — 100.

Нужно заметить, что степень дезинтеграции растет по мере возрастания иерархического уровня конструкции: кристалл — микросхема — печатный узел — модуль — блок… Например, дезинтеграция в блоке может достигать 100 тыс.

В таблице 2. приведены данные грубой оценки дезинтеграции при использовании различных методов корпусирования и установки кристаллов микросхем процессора на монтажное основание (плату).

Таблица 2. Оценка дезинтеграции при переходе на следующий уровень межсоединений

Очевидно, что степени интеграции и дезинтеграции должны соответствовать техническому уровню развития производства. При стремлении выполнить конструкцию на предельных возможностях производства стоимость изделия станет неоправданно высокой из-за большого объема отходов на брак. Надежность таких конструкций тоже не будет гарантирована. Если же в производство поступит изделие, спроектированное по низким проектным нормам, то есть с большой степенью дезинтеграции (микросхема больших габаритов), его большая материалоемкость, низкая фондоотдача («из пушки по воробьям») также пагубно скажется на его себестоимости.