Выпуск #5/2007
А.Баширов, В.Морозов.
Монтаж микросхем на гибком носителе – дань прошлому или приближение будущего?
Монтаж микросхем на гибком носителе – дань прошлому или приближение будущего?
Просмотры: 1318
К началу 1990-х годов конструкторы радиоэлектронной аппаратуры столкнулись с проблемой эффективного монтажа на печатную плату сверхбольших и сверхскоростных интегральных схем с большим количеством близко расположенных выводов.
Решение задачи стали искать в разработке новых комплексных и совершенствовании существующих конструктивно-технологических вариантов сборки и монтажа микросхем.
Наряду с совершенствованием существовавшего проволочного монтажа были разработаны методы автоматической сборки на ленту-носитель и различные варианты метода "кристалл на плате" (chip-on-board). Поверхностный монтаж на плату бескорпусных микросхем с большим количеством выводов в настоящее время осуществляют с использованием методов автоматической сборки на ленту-носитель, монтажа лицевой поверхностью кристалла вниз с соединением под кристаллом (флип-чип) и проволочным монтажом.
Способ автоматической сборки на ленту-носитель начал играть значимую роль в производстве микроэлектронных компонентов с начала 1970-х годов, когда фирма National Semiconductor применила его для повышения надежности 20-выводных DIP-корпусов [1].
Рост потребности в микроэлектронных компонентах для поверхностного монтажа вывел метод автоматической сборки на ленту-носитель на ведущие позиции как в корпусировании кристаллов, так и в области монтажа бескорпусных микросхем непосредственно на плату, превращая сборку и монтаж в высокоскоростные автоматизированные процессы. Необходимость уменьшения массогабаритных характеристик электронных устройств, увеличения быстродействия путем уплотнения компоновки аппаратуры, использования кристаллов с числом выводов 300 и более, а также контроля работоспособности после сборки компонентов (т.е. перед монтажом на плату) определила перспективность создания компонентов на гибком носителе с ленточными выводами [2 – 4]. Разработчиками предлагались различные решения этой задачи.
Рассмотрим один из вариантов конструкторских решений и технологических приемов. Это вариант сборки и монтажа бескорпусных микросхем на гибком носителе с ленточными выводами для использования в жестких условиях эксплуатации (большие высоты, тряска, экстремальные температуры, влажность, вибрации, радиация). Сущность метода, являющегося разновидностью техники автоматической сборки на ленту-носитель, заключается в присоединении к алюминиевым контактным площадкам кристалла плоских алюминиевых выводов, сформированных в лакофольговом композите и обеспечивающих соединение кристалла с внешними электрическими цепями. Такой конструктив создается в три этапа. Сначала изготовляют гибкий носитель с ленточными выводами, соответствующими конфигурации контактных площадок на кристалле, затем на него монтируют кристалл, и в заключение, измеряют электрические параметры микросхемы и проводят необходимые испытания. После монтажа на плату гибкий носитель обеспечивает электрическую коммутацию кристалла с платой.
Изготовляют гибкий носитель кристалла из двухслойной лакофольговой ленты (алюминиевая фольга на полиимидной пленке) рулонным фотохимическим способом в автоматическом режиме. Технология изготовления предусматривает последовательное избирательное травление полиимидной основы и алюминиевой фольги (рис.1).
В результате фотохимической и термической обработки лента превращается во множество выводных рамок с балочными выводами, расположенными над "окнами" в полиимидной основе. Термическая обработка проводится в нейтральной газовой среде при температуре 300…320°С с целью стабилизации физико-механических свойств. Далее ленту разделяют на отдельные модули, в каждый из которых монтируется соответствующий кристалл. На эту сборку для защиты от механических повреждений наносится лаковая полимерная пленка, после чего она помещается в специальную антистатическую тару.
Антистатическая тара обеспечивает жесткость и защищает микросхему на последующих операциях технологического процесса, сохраняя компланарность и целостность выводов при транспортировке, электротермотренировке и измерении электрических параметров. В этой же таре осуществляется транспортировка микросхем потребителям и их входной контроль до монтажа на плату. Перед монтажом на плату производится определенным образом вырубка микросхемы из гибкого носителя (рис.2). Затем микросхема с ленточными выводами позиционируется над соответствующей группой контактных площадок на плате, и выводы поочередно присоединяются к контактным площадкам ультразвуковой сваркой.
Использование алюминия в качестве материала выводов и применение индивидуальной сварки позволяют получать надежное монометаллическое соединение, стойкое к радиации. Кроме того, невозможны такие неприятности, как закорачивание соседних выводов мостиками припоя, образование интерметаллических соединений, оловянных усиков и не требуется удаления остатков флюса, характерных для паяных соединений. Решена и проблема доставки к месту монтажа на плату в работоспособном состоянии приборов с такими тонкими выводами (толщина вывода 30 мкм при шаге расположения 0,625 мм).
Конструкции многовыводных гибких носителей стандартизованы. Проведенные исследования позволяют сделать вывод о том, что существующий уровень технологии обеспечивает получение гибких носителей из двухслойной лакофольговой ленты алюминий-полиимид, отвечающих требованиям автоматизированной сборки. Достоинствами применения гибких носителей в производстве микросхем являются также повышение производительности труда, снижение затрат, уменьшение брака при монтаже, повышение ремонтопригодности микросборок и функциональных узлов.
На основе КМОП-технологии, использующей структуры "кремний на сапфире", разработан и выпускается комплект интегральных схем для функционально полного специального вычислительного комплекса, дополненный микросхемами быстродействующих аналого-цифровых и цифроаналоговых преобразователей в бескорпусном исполнении на гибком носителе с ленточными выводами [5]. Указанный комплект помимо прямого назначения может быть использован в любой радиоэлектронной аппаратуре, работающей в жестких условиях эксплуатации. Среди областей применения особо следует выделить следующие:
* аэрокосмическая и авиационная электроника,
* аппаратура для нефтедобычи,
* автомобильная электроника,
* элекроэнергетика.
Бескорпусные микросхемы представляют собой монолитную структуру без внутренних полостей размерами несколько миллиметров и массой 10…200 мг, с выступающими ленточными выводами из алюминия с размерами 0,03×0,3×3 мм и массой 40 мкг каждый (для приварки к контактным площадкам микросборки или платы). Опыт разработки и производства гибких носителей и сборки микросхем с их использованием проверен многолетней практикой промышленного использования электронных компонентов данного конструктива. Оценка предельных эксплуатационных возможностей микросхем проводится как в период их разработки, так и в процессе серийного производства [5].
Устойчивость бескорпусных микросхем к механическим воздействиям (ударам, вибрациям, ускорениям) в силу их чрезвычайно малой массы в сотни раз превышает требования к ним, установленные в нормативной документации. Расчетное значение резонансной частоты кристалла, как и выступающего алюминиевого вывода, для поперечных колебаний превышает сотни тысяч герц, тогда как определение этих частот проводят лишь до 20 000 Гц, а испытания на вибропрочность проводят в диапазоне 1…1500 Гц. Поэтому резонансные частоты у бескорпусных микросхем не были обнаружены даже при испытаниях самых больших по размеру кристаллов.
При испытаниях на воздействие одиночных ударов с ускорением 1500 g кристалл испытывает воздействие силы, равной всего 15 г, а алюминиевый вывод – 60 мг. В то же время прочность сапфира равняется 15000 г/мм2 (запас по прочности превышает в 1000 раз), а прочность алюминия 9200 г/мм2
(запас по прочности превышает в 750 раз). Наличие таких запасов прочности было подтверждено результатами испытаний бескорпусных микросхем [4, 5].
Технология сборки кристаллов на гибкий носитель обеспечивает высокую прочность соединения выводов носителя с контактными площадками кристалла. Фактическая прочность соединения в 2,5…3 раза превышает усилие отрыва, установленное в нормативной документации [4, 5].
Проектирование гибких носителей осуществляется в соответствии с требованиями ОСТ В 11 1010-2001 "Микросхемы интегральные бескорпусные". Общие технические условия (приложение В и Г).
Литература
1. Electronic Design, 1986, № 9 и 34.
2. Электроника, пер. амер. изд., 1984, № 19.
3. Элекроника, пер. амер. изд., 1990, № 5.
4. Микроэлектронная аппаратура на бескорпусных интегральных схемах / Под ред. И.Н.Воженина. – М.: Радио и связь, 1985.
5. Микроэлектроника бортовых вычислительных комплексов. Стратегия успеха / Под ред. А.Ю.Сметанова. – М.: Логос, 2006.
Наряду с совершенствованием существовавшего проволочного монтажа были разработаны методы автоматической сборки на ленту-носитель и различные варианты метода "кристалл на плате" (chip-on-board). Поверхностный монтаж на плату бескорпусных микросхем с большим количеством выводов в настоящее время осуществляют с использованием методов автоматической сборки на ленту-носитель, монтажа лицевой поверхностью кристалла вниз с соединением под кристаллом (флип-чип) и проволочным монтажом.
Способ автоматической сборки на ленту-носитель начал играть значимую роль в производстве микроэлектронных компонентов с начала 1970-х годов, когда фирма National Semiconductor применила его для повышения надежности 20-выводных DIP-корпусов [1].
Рост потребности в микроэлектронных компонентах для поверхностного монтажа вывел метод автоматической сборки на ленту-носитель на ведущие позиции как в корпусировании кристаллов, так и в области монтажа бескорпусных микросхем непосредственно на плату, превращая сборку и монтаж в высокоскоростные автоматизированные процессы. Необходимость уменьшения массогабаритных характеристик электронных устройств, увеличения быстродействия путем уплотнения компоновки аппаратуры, использования кристаллов с числом выводов 300 и более, а также контроля работоспособности после сборки компонентов (т.е. перед монтажом на плату) определила перспективность создания компонентов на гибком носителе с ленточными выводами [2 – 4]. Разработчиками предлагались различные решения этой задачи.
Рассмотрим один из вариантов конструкторских решений и технологических приемов. Это вариант сборки и монтажа бескорпусных микросхем на гибком носителе с ленточными выводами для использования в жестких условиях эксплуатации (большие высоты, тряска, экстремальные температуры, влажность, вибрации, радиация). Сущность метода, являющегося разновидностью техники автоматической сборки на ленту-носитель, заключается в присоединении к алюминиевым контактным площадкам кристалла плоских алюминиевых выводов, сформированных в лакофольговом композите и обеспечивающих соединение кристалла с внешними электрическими цепями. Такой конструктив создается в три этапа. Сначала изготовляют гибкий носитель с ленточными выводами, соответствующими конфигурации контактных площадок на кристалле, затем на него монтируют кристалл, и в заключение, измеряют электрические параметры микросхемы и проводят необходимые испытания. После монтажа на плату гибкий носитель обеспечивает электрическую коммутацию кристалла с платой.
Изготовляют гибкий носитель кристалла из двухслойной лакофольговой ленты (алюминиевая фольга на полиимидной пленке) рулонным фотохимическим способом в автоматическом режиме. Технология изготовления предусматривает последовательное избирательное травление полиимидной основы и алюминиевой фольги (рис.1).
В результате фотохимической и термической обработки лента превращается во множество выводных рамок с балочными выводами, расположенными над "окнами" в полиимидной основе. Термическая обработка проводится в нейтральной газовой среде при температуре 300…320°С с целью стабилизации физико-механических свойств. Далее ленту разделяют на отдельные модули, в каждый из которых монтируется соответствующий кристалл. На эту сборку для защиты от механических повреждений наносится лаковая полимерная пленка, после чего она помещается в специальную антистатическую тару.
Антистатическая тара обеспечивает жесткость и защищает микросхему на последующих операциях технологического процесса, сохраняя компланарность и целостность выводов при транспортировке, электротермотренировке и измерении электрических параметров. В этой же таре осуществляется транспортировка микросхем потребителям и их входной контроль до монтажа на плату. Перед монтажом на плату производится определенным образом вырубка микросхемы из гибкого носителя (рис.2). Затем микросхема с ленточными выводами позиционируется над соответствующей группой контактных площадок на плате, и выводы поочередно присоединяются к контактным площадкам ультразвуковой сваркой.
Использование алюминия в качестве материала выводов и применение индивидуальной сварки позволяют получать надежное монометаллическое соединение, стойкое к радиации. Кроме того, невозможны такие неприятности, как закорачивание соседних выводов мостиками припоя, образование интерметаллических соединений, оловянных усиков и не требуется удаления остатков флюса, характерных для паяных соединений. Решена и проблема доставки к месту монтажа на плату в работоспособном состоянии приборов с такими тонкими выводами (толщина вывода 30 мкм при шаге расположения 0,625 мм).
Конструкции многовыводных гибких носителей стандартизованы. Проведенные исследования позволяют сделать вывод о том, что существующий уровень технологии обеспечивает получение гибких носителей из двухслойной лакофольговой ленты алюминий-полиимид, отвечающих требованиям автоматизированной сборки. Достоинствами применения гибких носителей в производстве микросхем являются также повышение производительности труда, снижение затрат, уменьшение брака при монтаже, повышение ремонтопригодности микросборок и функциональных узлов.
На основе КМОП-технологии, использующей структуры "кремний на сапфире", разработан и выпускается комплект интегральных схем для функционально полного специального вычислительного комплекса, дополненный микросхемами быстродействующих аналого-цифровых и цифроаналоговых преобразователей в бескорпусном исполнении на гибком носителе с ленточными выводами [5]. Указанный комплект помимо прямого назначения может быть использован в любой радиоэлектронной аппаратуре, работающей в жестких условиях эксплуатации. Среди областей применения особо следует выделить следующие:
* аэрокосмическая и авиационная электроника,
* аппаратура для нефтедобычи,
* автомобильная электроника,
* элекроэнергетика.
Бескорпусные микросхемы представляют собой монолитную структуру без внутренних полостей размерами несколько миллиметров и массой 10…200 мг, с выступающими ленточными выводами из алюминия с размерами 0,03×0,3×3 мм и массой 40 мкг каждый (для приварки к контактным площадкам микросборки или платы). Опыт разработки и производства гибких носителей и сборки микросхем с их использованием проверен многолетней практикой промышленного использования электронных компонентов данного конструктива. Оценка предельных эксплуатационных возможностей микросхем проводится как в период их разработки, так и в процессе серийного производства [5].
Устойчивость бескорпусных микросхем к механическим воздействиям (ударам, вибрациям, ускорениям) в силу их чрезвычайно малой массы в сотни раз превышает требования к ним, установленные в нормативной документации. Расчетное значение резонансной частоты кристалла, как и выступающего алюминиевого вывода, для поперечных колебаний превышает сотни тысяч герц, тогда как определение этих частот проводят лишь до 20 000 Гц, а испытания на вибропрочность проводят в диапазоне 1…1500 Гц. Поэтому резонансные частоты у бескорпусных микросхем не были обнаружены даже при испытаниях самых больших по размеру кристаллов.
При испытаниях на воздействие одиночных ударов с ускорением 1500 g кристалл испытывает воздействие силы, равной всего 15 г, а алюминиевый вывод – 60 мг. В то же время прочность сапфира равняется 15000 г/мм2 (запас по прочности превышает в 1000 раз), а прочность алюминия 9200 г/мм2
(запас по прочности превышает в 750 раз). Наличие таких запасов прочности было подтверждено результатами испытаний бескорпусных микросхем [4, 5].
Технология сборки кристаллов на гибкий носитель обеспечивает высокую прочность соединения выводов носителя с контактными площадками кристалла. Фактическая прочность соединения в 2,5…3 раза превышает усилие отрыва, установленное в нормативной документации [4, 5].
Проектирование гибких носителей осуществляется в соответствии с требованиями ОСТ В 11 1010-2001 "Микросхемы интегральные бескорпусные". Общие технические условия (приложение В и Г).
Литература
1. Electronic Design, 1986, № 9 и 34.
2. Электроника, пер. амер. изд., 1984, № 19.
3. Элекроника, пер. амер. изд., 1990, № 5.
4. Микроэлектронная аппаратура на бескорпусных интегральных схемах / Под ред. И.Н.Воженина. – М.: Радио и связь, 1985.
5. Микроэлектроника бортовых вычислительных комплексов. Стратегия успеха / Под ред. А.Ю.Сметанова. – М.: Логос, 2006.
Отзывы читателей
