АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ГИБРИДНЫХ МИКРОСБОРОК
В настоящее время в ряде отраслей (авиакосмическом приборостроении, в телекоммуникационной отрасли, в робототехнике) все шире используются сверхбыстродействующие многоканальные бескорпусные микросхемы с шагом контактных площадок 50 мкм и менее, что открывает возможность создания устройств с повышенной функциональной емкостью. Как правило, к таким устройствам предъявляются очень жесткие требования по массогабаритным характеристикам, объему и возможности компоновки изделия в трех плоскостях в виде многослойных блоков и пакетов. Проблема соответствия таким высоким требованиям была решена за счет новых конструктивно-технологических решений на основе технологии “кристалл на гибкой плате” или “chip on flex” (COF).
Попытка совместить преимущества гибридных технологий с дешевизной традиционного поверхностного монтажа (Surface Mount Tehnology – SMT) привела к созданию в середине 1980-х годов технологии “кристалл на плате” или “chip on boаrd” (СОВ-технология). Процесс сборки изделий по СОВ-технологии подобен процессу сборки гибридных микросхем. В СОВ-технологии в качестве основы используется печатная плата, а бескорпусные полупроводниковые кристаллы герметизируются заливкой (glob-top), в результате исключается корпусирование.
В настоящее время в некоторых областях приборостроения СОВ-технология уже фактически вытеснила поверхностный монтаж. Быстрое развитие СОВ-технологии обусловлено минимизацией массогабаритных характеристик конечного изделия и максимизацией плотности размещения компонентов. Занимаемая кристаллом площадь уменьшается в десятки раз только из-за отсутствия корпуса. Дополнительным преимуществом СОВ-технологии является тот факт, что сварные соединения, являющиеся основой сборочной технологии “кристалл на плате” более надежны при воздействии вибрационных и термоциклических нагрузок, чем паяные соединения, применяемые в технологии поверхностного монтажа.
В середине 1990-х годов была разработана еще одна технология монтажа, которая является комбинацией традиционной технологии поверхностного монтажа (SМТ) и СОВ-технологии. Указанная технология получила название ТАВ-технологии (Tape Automated Bonding) и предназначалась для автоматизированного монтажа с помощью ленточных носителей микросхем с большим количеством выводов. В этом случае выводы микросхем привариваются к медным контактным площадкам рамок с выводами, предварительно изготовленных на медной ленте с изолирующим покрытием. Эти выводы затем припаиваются к металлическим проводникам на печатной плате. На ТАВ-носителях широко применяется монтаж специализированных ИС и многокристальных модулей. Сложность ТАВ-технологии заключается в необходимости применения специализированного автоматизированного оборудования и в проблемах пайки выводов, расположенных с малым шагом.
В современном приборостроении широко используются сверхбыстродействующие многоканальные бескорпусные микросхемы с шагом контактных площадок менее 50 мкм, что позволяет создавать устройства с повышенной функциональной емкостью. К таким устройствам предъявляются очень жесткие требования по массогабаритным характеристикам, объему и возможности компоновки изделия в трех плоскостях в виде многослойных блоков и пакетов. Ни СОВ-технология, ни ТАВ-технология уже не удовлетворяют таким высоким требованиям. Проблема была решена за счет новых конструктивно-технологических решений на основе технологии “кристалл на гибкой плате” или “chip on flex” (COF).
На начальном этапе СОF-технология представляла собой ту же самую СОВ-технологию за исключением того, что коммутирующие элементы изготавливались из гибких материалов. Сборка электронных устройств на гибких коммутирующих элементах осуществлялась на тех же автоматических линиях, которые используются в СОВ-технологии и с помощью тех же самых методов монтажа кристаллов, пассивных компонентов и формирования электрических соединений.
Гибкие кабели и платы изготавливались на основе различных фольгированных диэлектрических материалов, таких как майлар, лавсан, полиэтилен, полипропилен, полиэстер, полиимид и др., в зависимости от предъявляемых к аппаратуре требований. Гибкие коммутирующие элементы из фольгированных диэлектриков на основе лавсана, полиэтилена и т. д. менее дорогостоящие, но возможности монтажа компонентов на них ограничены. В этом случае монтаж компонентов осуществляется с помощью низкотемпературной пайки или с применением электропроводящих адгезивов. К сожалению, при обработке таких диэлектрических материалов не удалось в полной мере применить методы микроэлектронной технологии, основанной на принципе интегральной обработки материалов, и полностью исключить из технологического процесса изготовления гибких плат и кабелей механические операции формирования сквозных отверстий. Кроме того, хотя материалы типа полиэтилена и полипропилена характеризуются достаточно низкими диэлектрическими постоянными и, соответственно, обеспечивают хорошие емкостные характеристики коммутирующих элементов на их основе, они не являются радиационностойкими и не могут обеспечить высокую надежность и срок эксплуатации электронных изделий с жесткими требованиями к радиационной стойкости.
Только фольгированные полиимиды оказались практически незаменимыми для создания функционально сложных электронных изделий с высокими требованиями к радиационной стойкости, термостойкости, быстродействию и долговременной надежности. Стабильность электрических и размерных характеристик полиимидной основы обусловливает высокую технологичность данного материала. Температурная стабильность и высокая термостойкость полиимидных гибких плат позволяет применять высокотемпературные (вплоть до 300°С) методы монтажа компонентов.
Важным фактором, способствующим развитию СОF-технологии, послужило появление на мировом рынке серии фольгированных медью полиимидов “Pyralux” на основе полиимидных пленок типа Kapton, разработанных компанией DuPont Electronic Technologies, которая является ведущим поставщиком электронных материалов в мире. В фольгированных диэлектриках “Pyralux LF” и “Pyralux FR” полиимидные пленки соединяются с отожженной медной фольгой с помощью акриловых адгезивов, что позволяет изготовить целый ряд одно– и двусторонних фольгированных диэлектриков с широким диапазоном толщин медных, адгезивных и полиимидных слоев. Благодаря применению таких материалов в изделиях электронной техники появилась возможность создания трехмерных конструкций в виде двухслойных или многослойных структур малой толщины и площади, существенно снизить их вес и объем, а также повысить их функциональную емкость, быстродействие и надежность.
Однако применение адгезивсодержащих фольгированных медью полиимидных пленок не позволило в полной мере реализовать преимущества COF-технологии при сборке микромодулей.
К недостаткам адгезивсодержащих фольгированных полиимидов можно отнести достаточно малый диапазон рабочих температур (–60°С ÷ +125)°С. Применение адгезивов в фольгированных полиимидах существенно усложняет процесс формирования сквозных отверстий в системе “металл-адгезив-полиимид” для межслойных соединений из-за необходимости использования сложных и трудноуправляемых процессов вскрытия “окон” в адгезивных слоях.
Эти недостатки были в значительной степени устранены после появления гибких одно и двусторонних безадгезивных фольгированных диэлектриков DuPont Pyralux с медной основой. Технологическое преимущество таких материалов состоит в том, что они не содержат адгезивных прослоек между медью и полиимидом, но обладают высокой силой сцепления между слоем меди и поверхностью полиимида.
Материалы с безадгезивной и высокопрочной структурой DuPont Pyralux AP и DuPont Pyralux AC являются высокотехнологичными при фотолитографической обработке, групповом избирательном травлении сквозных отверстий в переходах и формировании элементов топологии очень малых размеров. Наиболее важными характеристиками этих материалов является высокая избирательность при химобработке полиимида и меди; эластичность и механическая прочность полиимида; высокая термостойкость (+350°С) и холодостойкость (–196°С).
Ввиду хорошей адаптивности к фотохимическому избирательному травлению полиимида безадгезивная структура материала позволяет полностью исключить из техпроцессов изготовления гибких коммутирующих элементов применение механических операций сверления и фрезерования, заменяя их групповыми процессами, и, таким образом, сократить технологический цикл, снизить трудоемкость и, в конечном счете, уменьшить стоимость изготовления изделий.
Кроме того, для микросхем с высокой плотностью и прецизионностью элементов топологии при использовании указанных материалов, оказалось целесообразным применение методов микроэлектронной технологии, которая включает использование жидких фоторезистов, обладающих высокой чувствительностью и разрешающей способностью; использование практически всех способов нанесения жидких фоторезистов (центрифугирование, погружение, пульверизация); сочетание позитивных и негативных фоторезистов; применение стеклянных и гибких пленочных фотошаблонов; применение установок с односторонним и двусторонним экспонированием; применение плазмохимической и ионноплазменной избирательной обработки материалов.
Описанные выше достоинства безадгезивных медь-полиимидных пленочных материалов были использованы при создании коммутирующих элементов для детекторных микростриповых модулей в международном эксперименте STAR в BNL (США). Возможность формирования сквозных отверстий в слоях полиимида позволила отказаться от применения алюминиевой проволоки для соединения контактных площадок микросхем и сенсоров с выводами коммутирующих медь-полиимидных плат и кабелей и осуществлять присоединение выводов непосредственно к контактным площадкам микросхем и сенсоров с помощью ультразвуковой сварки через “окна” в полиимиде (рис. 1).
| а) |
|
| б) |
|
Рис. 1. Микросборка на медь-полиимидном носителе:
а) – фотография (вид со стороны микросхемы); б) – схематическое изображение зон сварки носителя с микросхемой (вид со стороны носителя)
Вышеописанные способы формирования межсоединений обеспечили уменьшение количества сварных соединений в детекторных модулях практически в два раза и позволили значительно упростить сам процесс сборки. При этом в процессе сборки полностью исключена возможность коротких замыканий в областях сварки контактных площадок сенсоров и микросхем с проводниками гибких кабелей и плат. Применение гибких плат специально для микросхем позволяет не только автоматизировать процесс сборки, но и обеспечить полный функциональный контроль микросхем, в том числе по динамическим параметрам и, таким образом, исключить возможность появления брака из-за микросхем при дальнейшей сборке микромодулей.
Тем не менее, и в этом случае остались нерешенными некоторые проблемы, присущие традиционной COF-технологии на основе медь-полиимидных фольгированных диэлектриков. По-прежнему для обеспечения надежного безкоррозионного соединения с алюминиевыми контактными площадками микросхем и сенсоров на медные проводники гибких плат и кабелей необходимо нанесение дополнительных слоев никеля и золота, что усложняет процесс формирования гибких коммутирующих элементов. С этой точки зрения наиболее оптимальным вариантом дальнейшего совершенствования COF-технологии является применение безадгезивных алюминий-полиимидных лакофольговых диэлектриков.
Безадгезивные алюминий - полиимидные диэлектрики, используюмые в качестве гибких коммутирующих элементов в COF-технологии, обладают всеми теми достоинствами, которыми обладают и безадгезивные медь-полиимидные материалы. Однако ряд их преимуществ по сравнению с медь-полиимидными диэлектриками позволил существенно расширить возможности COF-технологии на современном этапе развития приборостроения.
Прежде всего, алюминий обладает высокой коррозионной стойкостью. Кроме того, алюминий имеет радиационную длину почти в 6 раз превышающую радиационную длину меди. Несмотря на то, что алюминий по сравнению с медью обладает меньшей механической прочностью; меньшей теплопроводностью, удельным электрическим сопротивлением примерно в 1,6 раза большим удельного электрического сопротивления меди, важное значение имеет тот факт, что алюминий почти в 3,5 раза легче меди. Благодаря малой плотности алюминия обеспечивается большая электрическая проводимость на единицу массы. Таким образом, коммутирующие элементы на основе алюминий-полиимидных лакофольговых диэлектриков позволяют максимально минимизировать массу вещества в рабочем объеме, что особенно перспективно для сенсорных систем с высокой плотностью каналов информации.
Алюминиевая COF-технология хорошо адаптируется к современному автоматизированному оборудованию ультразвуковой сварки типа Delvotec. При этом обеспечивается высокое качество и надежность сварных соединений не только из-за того, что свариваются однородные материалы (алюминиевые контактные площадки электронных компонентов и алюминиевые проводники коммутирующих элементов), но также и из-за того, что сварочные электроды, применяемые в сварочных установках, позволяют обеспечить оптимальные режимы процессов сварки. Кроме того, коммутирующие элементы на основе безадгезивных алюминий-полиимидных диэлектриков позволяют значительно улучшить емкостные характеристики электронных устройств.
Специалистами Государственного предприятия Научно-исследовательский технологический институт приборостроения (ГП НИТИП, г. Харьков) разработана и освоена инновационная технология изготовления гибких коммутирующих элементов на основе безадгезивных алюминий-полиимидных лакофольговых диэлектриков и технология сборки гибридных микромодулей и электронных узлов высокой степени интеграции.
Практическое применение предложенная технология нашла при построении современных систем автоматического управления летательными аппаратами различного предназначения. Гибкие кабели и платы на основе лакофольговых диэлектриков ФДИ-А-50 и ФДИ-А-24 (полиимид толщиной 10÷20 мкм и алюминий толщиной 14÷30 мкм) характеризуются пластичностью, гибкостью и стабильностью электрических характеристик и успешно заменяют проволочный монтаж при сборке микромодулей.
Описанную компоновку невозможно реализовать при проволочном монтаже, так как в этом случае объекты сварки должны иметь одностороннее расположение и практически невозможно изменить конфигурацию проводников после сварки.
Алюминиевая COF-технология также позволяет без ограничений располагать на одних и тех же гибких платах вместе с кристаллами микросхем различные навесные компоненты. В этом случае, в отличие от СОВ-технологии, SMD-компоненты устанавливаются на платы с помощью гибких алюминий-полиимидных носителей (рис. 2, а). Сначала на гибкие носители с помощью пайки устанавливаются SMD-компоненты (рис. 2, б), а затем гибкие носители с навесными SMD-компонентами монтируются на гибкие платы с помощью ультразвуковой сварки. Контакты для пайки на носителях формируются путем химического и электрохимического осаждения слоев никеля толщиной 2 ÷ 3 мкм и олово-висмута толщиной 7 ÷ 10 мкм. Применение таких гибких носителей с SMD-компонентами позволяет заменять навесные компоненты в процессе проверки функционирования микросборок.
|
|
|
| а) | б) |
Рис. 2. Монтаж SMD-компонентов по COF-технологии с помощью гибких алюминий-полиимидных носителей:
а) – гибкие алюминий-полиимидные носители; б) – гибкие носители с SMD-компонентами, установленными пайкой
При этом в процессе изготовления микросборок полностью исключается опасность загрязнения основных плат остатками флюсов, а так же повышается технологичность слоев гибких плат и сборочных единиц благодаря тому, что нанесение припойных покрытий (Ni-SnBi) и сборка SMD-компонентов на гибких носителях выполняются в ходе отдельных технологических процессов.
Разработанная в ГП НИТИП инновационная технология ультразвуковой сварки алюминий-полиимидных плат и кабелей с микросхемами и приемниками радиационного излучения адаптирована для применения автоматизированных сварочных установок типа FK Delvotec-6400, ЭМ-4370 и др., позволяющих обеспечить точность позиционирования при сварке ± 3 ÷ 5 мкм.
В качестве основных материалов в разработках использованы безадгезивные алюминий-полиимидные лакофольговые диэлектрики типа ФДИ-А (ЫУО.037.042 ТУ) производства ООО “Тэтраэдр” (г. Москва, Россия).
Лакофольговые алюминий-полиимидные диэлектрики типа ФДИ-А представляют собой алюминиевую рулонную фольгу с односторонне нанесенным полипирометиллитимидным лаковым покрытием с последующей термической (при температуре 300°С в течение 30 мин) имидизацией до состояния собственно полиимида. Пленочные безадгезивные композиции были разработаны и широко применялись в СССР еще в середине восьмидесятых годов. Они нашли широкое применение в производстве лент-носителей ИС и БГИС с числом выводов до 500, гибких шлейфов, многослойных плат с числом слоев до 20 и других изделий, придавая им легкость, компактность, возможность соединения подвижных частей и формирования трехмерных схем. Однако на тот период времени алюминий-полиимидные диэлектрики использовались только для коммутации микросхем с шагом проводников 200 мкм и более. При участии специалистов ГП НИТИП в разработках гибких кабелей и плат для микромодулей международных проектов СВМ, ALICE, удалось значительно усовершенствовать сборочную технологию “сhip on flex” и адаптировать ее к самым высоким современным требованиям и задачам.
Список использованных источников
1. Фарассат Ф., Валев С. “Кристалл на плате” (СОВ): новая эра сборочной технологии // Технологии в электронной промышленности. – 2005. – № 6. – C. 71 – 76.
2. Still А. CDF Run II silicon tracking projects // Nucl. Instr. and Meth. – 2008.- A 447.-Р. 1 – 8.
3. Merkel P. et al. CDF Run IIb Silicon Detector: Тhe Innermost Layer // IEEE Transactions on Nuclear Science. – 2004. - Vol. 51, No 5. – Р. 2215-2219.
4. Tricomi A. The CMS Inner Tracker Silicon Microstrip Modules: Production and test // Nucl. Instr. аnd Meth.- 2007. - A 570. – Р. 248 – 252.
Похожие работы
... и отвечает требованиям по классу точности 3. Таким образом, проделанную работу по её проектированию можно считать завершенной. 2.3 Конструирование корпуса Устанавливаем размеры корпуса звукового сигнализатора отключения сетевого напряжения 72 х 63 х 22. Корпус устройства будет изготавливаться из пластмассы. Пластмассы – искусственные материалы, полученные на основе органических ...
... структуры предприятия, реорганизации различных подразделений в штатные расписания вносятся изменения в установленном порядке. Общая структура управления УП «НИИЭВМ» представлена в прил. 1. 2. Характеристика выпускаемой продукции Основными направлениями работ являются: 1. Разработка и производство тонкопленочных микросборок. 2. Сборка печатных плат методами поверхностного ...
... коэффициенты линейного расширения материалов подложек, корпусов и вспомогательных материалов должны быть согласованы для обеспечения работы микросхем при повышенных уровнях мощности. Конструирование СВЧ микросхем включает расчет и проектирование изделия по заданным электрическим параметрам с учетом процессов сборки и регулировки. При этом определяют вариант схемы узла, материал и геометрические ...
... правило, выполняется в виде одной «большой» ИМС. Схемотехника является частью микроэлектроники, предметом которой являются методы построения устройств различного назначения на микросхемах широкого применения. Предметом же цифровой схемотехники являются методы построения (проектирования) устройств только на цифровых ИМС. Особенностью цифровой схемотехники является широкое применение для описания ...
0 комментариев