Корпус компонента представляет собой мостик между чрезвычайно плотно упакованным прибором и менее плотной печатной платой. Он также защищает компонент и межсоединение и может выполнять десяток и более других функций. Одна из основных – электрическое соединение между чипом и платой.
Иерархия конструкции любого электронного изделия состоит из корпусов, компонентов, печатной платы (ПП) и системы, причем корпуса играют роль связующего звена между электронными компонентами и ПП. Однако в то время как прогресс в производстве компонентов обеспечивает до сотен миллионов транзисторов на одном чипе, промышленность ПП отстает от более крупной, более рентабельной и лучше финансируемой полупроводниковой индустрии. В электронных компонентах становится все больше входов/выходов, часто на все меньшей площади, и присоединение этих приборов к ПП превращается в серьезную проблему.
Эволюция корпусирования
Самыми первыми корпусами были стеклянные герметичные колбы для катодно-лучевой трубки Крукса и газоразрядной трубки Гейсслера. По-настоящему первым электронным корпусированным прибором стала появившаяся несколькими годами позже (1897 г.) трубка Брауна, эволюционировавшая до электронно-лучевой трубки, которая остается доминирующим индикаторным компонентом до настоящего времени. Появление беспроводной связи с применением вакуумных радиоламп сделало их оболочки стандартными корпусами, которые вставлялись в гнезда на ПП. Приход полупроводниковых приборов кардинально изменил электронику, для ИС не требовался вакуум и, как правило, полностью герметизированный корпус. В результате появился пластиковый корпус.
Корпус компонента можно рассматривать как некий центр нашего высокотехнологичного мира, расположенный между чипами и ПП. Он должен быть приспособлен к новейшим электронным приборам, к примеру микроэлектромеханическим системам (МЕМS) и оптическим сенсорам. Поскольку каждый компонент предъявляет особые требования, это делает корпус ориентированным на прибор. Однако корпус может быть также ориентированным на применение: например, к корпусу ЗУ для сотового телефона предъявляются совершенно иные требования, чем к ЗУ для настольного компьютера. Таким образом, корпус находится на перекрестке новых компонентов и новых применений, как это видно из рис.1.
Компоненты определяют базовые требования к корпусу, особенно к входным/выходным выводам, которые преимущественно электрические. В то же время компоненты могут устанавливать требования на герметичность. Механические элементы, содержащиеся в MEMS, добавляют новые требования, которые связаны с механическим движением. Хотя оптоэлектронные приборы используются уже длительное время, быстрое распространение цифровых камер увеличило проблемы корпусирования.
Развитие идет по пути мобильной (носимой) электроники, и подтверждением этого феномена служит вытеснение сотовым телефоном компьютера, наиболее важного двигателя развития электроники. Небольшие по размеру, но производительные носимые электронные устройства нуждаются в предельной миниатюризации, требующей совершенно новых видов корпусов.
Тенденции развития корпусирования
Двойное требование – миниатюрнее, но производительнее – оказывает сильное влияние на ЗУ и их корпусирование. Как известно, ЗУ – основа многих мобильных электронных устройств, особенно развлекательного назначения (mp3, iPod, мобильные ТВ и т.д.). Хотя полупроводниковая промышленность и проделала поразительную работу по уплотнению чипов памяти, требования к ним превышают возможности одного чипа. Поскольку корпуса уже достигли размеров чипов, очевидной стратегией по увеличению плотности на уровне корпуса стало штабелирование. Возникло несколько разновидностей этого метода: корпус-на-корпус (РоР), складывающийся комплект, пирамидообразный комплект и непосредственно штабелированные чипы (С2С). Продолжаются дебаты относительно преимуществ РоР и многокристальных модулей (MCP): для чипов с меньшей производительностью предпочтителен РоР, а чипам с очень высокой плотностью и быстродействием подойдут MCP.
Сегодня в сотовых телефонах и аудиоустройствах используются все из перечисленных видов корпусов, кроме С2С, которого пока еще нет в наличии. По-видимому, С2С ожидается как следующий шаг в высокоплотной компоновке. В соответствии с большинством вариантов этой технологии в чипах создаются металлизированные сквозные отверстия, затем чипы совмещаются и соединяются в одно целое, образуя надёжные электрические соединения. В завершение в сборке формируются контакты. В примере на рис.2 их роль выполняет базовый перевернутый кристалл с нижним герметиком, присоединяемым к его лицевой части на уровне пластины (WUF). Серийное производство С2С, вероятно, начнётся в 2007 году.
Оптические ИС и корпуса для них в прошлом производились небольшими партиями, зачастую в виде специализированных и дорогих металлических или керамических герметизированных корпусов. Но приход цифровой фотографии изменил это положение. Теперь большинство сотовых телефонов снабжены фотокамерами, по качеству изображения которые приближаюется к фотоаппаратам среднего класса, и используемый в них корпус ИС формирования изображения должен быть миниатюрныи и дешёвым, но не обязательно герметичным.
Для широко используемых КМОП оптических ИС можно использовать простые корпуса типа CSP (с размерами, не превышающими размеров кристалла более чем на 20%). Следующий этап развития оптических ИС представляет система-в-корпусе (SiP), где оптические ИС и обеспечивающие электронные чипы помещены в один корпус.
Технология SiP получает широкое распространение. В соответствии с ней активные ИС и пассивные компоненты монтируются в одном корпусе для создания более эффективной системы. Примерами могут служить многоканальные передатчики сотовых телефонов, беспроводные модули типа Bluetooth, контроллеры и конверторы мощности, модули камер и т.д. Преимущества SiP включают более высокую плотность, ПП меньшего размера, более высокие характеристики, особенно на ВЧ, высокую надёжность, возможность применения чипов от разных производителей, укороченное время выхода на рынок и меньшую суммарную стоимость изделия.
Сравнительно новая технология корпусирования на уровне пластины (WLP) используется в производстве MEMS в течение 10 лет. По ней, в частности, изготавливаются экономически эффективные инерциальные датчики для устройств, используемых в автомобильных воздушных подушках.
Следует отметить, что к корпусам MEMS, помимо всех стандартных требований для электронных устройств, предъявляются особые требования:
* не должно быть ограничения механического движения имеющихся в MEMS подвижных частей;
* должна быть защита MEMS от микрозагрязнений. Даже одна мельчайшая частица может стать “песком в сцеплении” и препятствовать движению. Осадки от пилки, легко удаляемые в стандартных электронных чипах, разрушают большинство чипов MEMS.
Эффективное выполнение этих требований возможно в покрытии колпачком активной зоны MEMS-чипа с помощью процесса на уровне пластины. Для этого пластина с вытравленными колпачками присоединяется к MEMS-пластине стеклообразной фриттой. Затем колпачки обособляются, чтобы открыть контактные площадки MEMS для проволочного монтажа. Теперь чипы MEMS могут быть корпусированы c использованием стандартных проволочных соединений или прессования (рис.3).
Перспективы корпусирования
Вероятно, будет продолжаться производство по простой технологии дешевых корпусов для не очень продвинутых приборов. Поверхностный монтаж и матричные выводы сохранятся до тех пор, пока не исчезнет необходимость в непосредственных соединениях. Хотя продолжится применение корпусов BGA для чипов с большим числом выводов, старая дешевая матрица контактов (LGA), первоначально использовавшаяся для безвыводных керамических кристаллoдержателей (LCCC), останется популярной. Относительно дешевых корпусов единственно предсказуемые изменения произойдут в области материалов для удовлетворения будущих правил по сохранению окружающей среды.
Более десяти лет назад к компьютерным непрерывно уменьшающимся чипам было добавлено так много входов/выходов, что проводные соединения стали плохим вариантом. Решением явилась старая технология (IBM) прямого присоединения чипа (DCA), известная теперь как метод перевернутого кристалла. Микропроцессоры ещё долго будут использовать этот метод, и остаётся только ждать, завоюют ли популярность новые корпуса, такие как безвыводная многослойная компоновка компании Intel (BBUL). Пока центральные микропроцессоры с тысячами входов/выходов будут и дальше непосредственно присоединяться к корпусу.
Если поинтересоваться, зачем нужно так много входов/выходов в компьютерных ИС, то ответом будет “необходимо больше сигналов”. Однако с развитием оптоэлектроники в корпусе понадобится немного входов/выходов, возможно только для питания и заземления. Ожидается, что первые корпуса для оптоэлектронных процессоров появятся в ближайшие 3–6 лет. Перспективные направления электроники, такие как наноэлектроника, молекулярная и одноэлектронная, большого воздействия на методы корпусирования не окажут.
Появление перспективных MEMS вызовет необходимость в сложном корпусировании, чтобы управлять газами, жидкостями и наночастицами.
Эволюция корпусирования
Самыми первыми корпусами были стеклянные герметичные колбы для катодно-лучевой трубки Крукса и газоразрядной трубки Гейсслера. По-настоящему первым электронным корпусированным прибором стала появившаяся несколькими годами позже (1897 г.) трубка Брауна, эволюционировавшая до электронно-лучевой трубки, которая остается доминирующим индикаторным компонентом до настоящего времени. Появление беспроводной связи с применением вакуумных радиоламп сделало их оболочки стандартными корпусами, которые вставлялись в гнезда на ПП. Приход полупроводниковых приборов кардинально изменил электронику, для ИС не требовался вакуум и, как правило, полностью герметизированный корпус. В результате появился пластиковый корпус.
Корпус компонента можно рассматривать как некий центр нашего высокотехнологичного мира, расположенный между чипами и ПП. Он должен быть приспособлен к новейшим электронным приборам, к примеру микроэлектромеханическим системам (МЕМS) и оптическим сенсорам. Поскольку каждый компонент предъявляет особые требования, это делает корпус ориентированным на прибор. Однако корпус может быть также ориентированным на применение: например, к корпусу ЗУ для сотового телефона предъявляются совершенно иные требования, чем к ЗУ для настольного компьютера. Таким образом, корпус находится на перекрестке новых компонентов и новых применений, как это видно из рис.1.
Компоненты определяют базовые требования к корпусу, особенно к входным/выходным выводам, которые преимущественно электрические. В то же время компоненты могут устанавливать требования на герметичность. Механические элементы, содержащиеся в MEMS, добавляют новые требования, которые связаны с механическим движением. Хотя оптоэлектронные приборы используются уже длительное время, быстрое распространение цифровых камер увеличило проблемы корпусирования.
Развитие идет по пути мобильной (носимой) электроники, и подтверждением этого феномена служит вытеснение сотовым телефоном компьютера, наиболее важного двигателя развития электроники. Небольшие по размеру, но производительные носимые электронные устройства нуждаются в предельной миниатюризации, требующей совершенно новых видов корпусов.
Тенденции развития корпусирования
Двойное требование – миниатюрнее, но производительнее – оказывает сильное влияние на ЗУ и их корпусирование. Как известно, ЗУ – основа многих мобильных электронных устройств, особенно развлекательного назначения (mp3, iPod, мобильные ТВ и т.д.). Хотя полупроводниковая промышленность и проделала поразительную работу по уплотнению чипов памяти, требования к ним превышают возможности одного чипа. Поскольку корпуса уже достигли размеров чипов, очевидной стратегией по увеличению плотности на уровне корпуса стало штабелирование. Возникло несколько разновидностей этого метода: корпус-на-корпус (РоР), складывающийся комплект, пирамидообразный комплект и непосредственно штабелированные чипы (С2С). Продолжаются дебаты относительно преимуществ РоР и многокристальных модулей (MCP): для чипов с меньшей производительностью предпочтителен РоР, а чипам с очень высокой плотностью и быстродействием подойдут MCP.
Сегодня в сотовых телефонах и аудиоустройствах используются все из перечисленных видов корпусов, кроме С2С, которого пока еще нет в наличии. По-видимому, С2С ожидается как следующий шаг в высокоплотной компоновке. В соответствии с большинством вариантов этой технологии в чипах создаются металлизированные сквозные отверстия, затем чипы совмещаются и соединяются в одно целое, образуя надёжные электрические соединения. В завершение в сборке формируются контакты. В примере на рис.2 их роль выполняет базовый перевернутый кристалл с нижним герметиком, присоединяемым к его лицевой части на уровне пластины (WUF). Серийное производство С2С, вероятно, начнётся в 2007 году.
Оптические ИС и корпуса для них в прошлом производились небольшими партиями, зачастую в виде специализированных и дорогих металлических или керамических герметизированных корпусов. Но приход цифровой фотографии изменил это положение. Теперь большинство сотовых телефонов снабжены фотокамерами, по качеству изображения которые приближаюется к фотоаппаратам среднего класса, и используемый в них корпус ИС формирования изображения должен быть миниатюрныи и дешёвым, но не обязательно герметичным.
Для широко используемых КМОП оптических ИС можно использовать простые корпуса типа CSP (с размерами, не превышающими размеров кристалла более чем на 20%). Следующий этап развития оптических ИС представляет система-в-корпусе (SiP), где оптические ИС и обеспечивающие электронные чипы помещены в один корпус.
Технология SiP получает широкое распространение. В соответствии с ней активные ИС и пассивные компоненты монтируются в одном корпусе для создания более эффективной системы. Примерами могут служить многоканальные передатчики сотовых телефонов, беспроводные модули типа Bluetooth, контроллеры и конверторы мощности, модули камер и т.д. Преимущества SiP включают более высокую плотность, ПП меньшего размера, более высокие характеристики, особенно на ВЧ, высокую надёжность, возможность применения чипов от разных производителей, укороченное время выхода на рынок и меньшую суммарную стоимость изделия.
Сравнительно новая технология корпусирования на уровне пластины (WLP) используется в производстве MEMS в течение 10 лет. По ней, в частности, изготавливаются экономически эффективные инерциальные датчики для устройств, используемых в автомобильных воздушных подушках.
Следует отметить, что к корпусам MEMS, помимо всех стандартных требований для электронных устройств, предъявляются особые требования:
* не должно быть ограничения механического движения имеющихся в MEMS подвижных частей;
* должна быть защита MEMS от микрозагрязнений. Даже одна мельчайшая частица может стать “песком в сцеплении” и препятствовать движению. Осадки от пилки, легко удаляемые в стандартных электронных чипах, разрушают большинство чипов MEMS.
Эффективное выполнение этих требований возможно в покрытии колпачком активной зоны MEMS-чипа с помощью процесса на уровне пластины. Для этого пластина с вытравленными колпачками присоединяется к MEMS-пластине стеклообразной фриттой. Затем колпачки обособляются, чтобы открыть контактные площадки MEMS для проволочного монтажа. Теперь чипы MEMS могут быть корпусированы c использованием стандартных проволочных соединений или прессования (рис.3).
Перспективы корпусирования
Вероятно, будет продолжаться производство по простой технологии дешевых корпусов для не очень продвинутых приборов. Поверхностный монтаж и матричные выводы сохранятся до тех пор, пока не исчезнет необходимость в непосредственных соединениях. Хотя продолжится применение корпусов BGA для чипов с большим числом выводов, старая дешевая матрица контактов (LGA), первоначально использовавшаяся для безвыводных керамических кристаллoдержателей (LCCC), останется популярной. Относительно дешевых корпусов единственно предсказуемые изменения произойдут в области материалов для удовлетворения будущих правил по сохранению окружающей среды.
Более десяти лет назад к компьютерным непрерывно уменьшающимся чипам было добавлено так много входов/выходов, что проводные соединения стали плохим вариантом. Решением явилась старая технология (IBM) прямого присоединения чипа (DCA), известная теперь как метод перевернутого кристалла. Микропроцессоры ещё долго будут использовать этот метод, и остаётся только ждать, завоюют ли популярность новые корпуса, такие как безвыводная многослойная компоновка компании Intel (BBUL). Пока центральные микропроцессоры с тысячами входов/выходов будут и дальше непосредственно присоединяться к корпусу.
Если поинтересоваться, зачем нужно так много входов/выходов в компьютерных ИС, то ответом будет “необходимо больше сигналов”. Однако с развитием оптоэлектроники в корпусе понадобится немного входов/выходов, возможно только для питания и заземления. Ожидается, что первые корпуса для оптоэлектронных процессоров появятся в ближайшие 3–6 лет. Перспективные направления электроники, такие как наноэлектроника, молекулярная и одноэлектронная, большого воздействия на методы корпусирования не окажут.
Появление перспективных MEMS вызовет необходимость в сложном корпусировании, чтобы управлять газами, жидкостями и наночастицами.
Отзывы читателей
