Выпуск #4/2012
А.Макарова
Трехмерная печать межсоединений. Плотность, плотность и еще раз плотность
Трехмерная печать межсоединений. Плотность, плотность и еще раз плотность
Просмотры: 971
Трехмерная (3D) печать – развивающаяся технология. Сейчас аддитивная 3D-печать в основном применяется для быстрого макетирования в период подготовки изделия к производству. Многие компании разрабатывают множество новых методов печати, которые большей частью находятся на начальной стадии развития. В статье рассмотрен предлагаемый компанией EoPlex Technologies метод 3D-печати межсоединений, пригодный для массового производства интегральных схем.
Ужесточение требований к корпусированию электронных устройств стимулирует разработку новых методов их сборки, а также поиск новых процессов производства и принципов создания корпусов. Благодаря разнообразию функциональных паст (проводящих, диэлектрических и полупроводниковых) появилась возможность создания завершенной электронной системы с помощью одной установки струйной печати. Правда, по своим характеристикам транзисторы на основе полупроводниковых паст уступают аналогам, изготовленным на кремниевой подложке. Поэтому они находят применение в устройствах, не требующих высоких характеристик. Очевидно, для создания высокоэффективных электронных приборов требуются как обычные, так и печатные технологии. Одна из проблем, возникающих при использовании такой "гибридной" технологии, – формирование соединений полупроводниковой интегральной схемы с дискретными или пассивными печатными компонентами печатной платы. Ее можно решить не только с помощью обычных печатных плат, но и путем создания новыхтипов соединений. И здесь интерес представляет аддитивная технология трехмерной печати так называемого xLC-носителя контактных площадок компании EoPlex Technologies, предназначенного для замены выводной рамки в QFN-корпусах. Почему именно в QFN-корпусах?
В 1970-е годы на ранних этапах развития микроэлектронной промышленности герметизацию и соединения с внешними компонентами обеспечивали выводные рамки для корпусов с двойным рядом выводов и для плоских корпусов. Выводые рамки применяются и сейчас.
Сейчас особенно популярным стал безвыводной плоский корпус с четырехсторонним расположением контактов QFN. Согласно прогнозу консалтинговой компании Gartner, в 2012 году будет продано 40,9 млрд. безвыводных корпусов с контактной рамкой (QFN, SON, DFN и BCC) против 28,7 млрд. в 2010 году. При этом всего в 2012 будет продано 190,5 млрд. корпусов интегральных схем (173, 8 млрд. в 2010).
В последние несколько лет высокие темпы роста были характерны для дешевых малогабаритных корпусов интегральных схем – корпусов QFN-типа. Многие компании – Amkor, Carsem, Unisem, UTAC, ASE – выпускают большие партии таких корпусов для приборов сотовых телефонов и беспроводных устройств. Согласно данным компании по маркетинговым исследованиям New Venture Research, продажи корпуса QFN-типа за 2010–2015 годы возрастут на 15% – с 15 млрд. до 17,25 млрд. штук.
Тем не менее, QFN-корпуса пригодны для монтажа не всех интегральных схем. Это связано с тем, что их выводная рамка не позволяет создавать многорядное расположение большого числа выводов, в результате такой корпус не может иметь более 150 выводов. Поэтому достаточно дешевые QFN-корпуса не могут заменять такие более дорогие корпуса, как BGA с большим число выводов. Наличие выводной рамки приводит к увеличению размеров корпуса. Из-за множества металлизированных линий возможно ухудшение электрических характеристик собранного в корпус прибора вследствие формирования паразитных емкости и индуктивности на основе оставшихся следов металла после разделения корпусов. Кроме того, металлизация выводной рамки, часть выводов которой временно соединены друг с другом, не позволяет проводить электрические испытания до разделения корпусов. И, наконец, для сборки корпуса необходима дорогая полиамидная пленка, что приводит к увеличению стоимости корпуса.
В настоящее время существуют три перспективные технологии, пригодные для создания альтернатив выводной рамке стандартного QFN-корпуса.
Процесс двойного травления, согласно которому на верхней поверхности рамки вытравливается рисунок размещения контактных площадок под соединения и кристаллы. Но рамка не протравливается до конца. После приварки кристаллов и выполнения соединений обычными для стандартных QFN-корпусов методами нижняя поверхность рамки стравливается для удаления избыточного металла. Поскольку теперь корпуса электрически изолированы, можно проводить их испытания до удаления монтажной ленты.
Электролитическое осаждение, при котором на металлической подложке с помощью маски для электролитического нанесения покрытия с требуемым расположением контактных площадок формируется нужная структура. Маска удаляется, кристаллы и провода привариваются обычными способами, после чего полоска корпусов отрывается от металлической подложки. Теперь корпуса электрически изолированы и могут быть испытаны до разделения.
Выводным рамкам, сформированным методами двойного травления и электролитического осаждения, не присущи недостатки стандартных рамок корпусов QFN. Но они дороже и для их изготовления требуются такие экологически неблагоприятные процессы, как электролитическое осаждение и травление.
Вот почему сегодня перспективной технологией для сборки QFN-корпусов с большим числом выводов считается процесс изготовления xLC-носителя контактных площадок, предусматривающий печать паяльной пасты с помощью разработанного компанией EoPlex Technologies аддитивного процесса крупносерийной печати (High-Volume Print Forming, HVPF) и последующий ее отжиг для получения контактных площадок, пригодных для термокомпрессионной приварки проволочных выводов монтируемого прибора. В основе этой технологии лежит применение "временных", удаляемых слоев, позволяющих задавать открытые области структуры при печати и выгорающих в ходе термообработки.
На первом этапе на разработанном компанией органическом материале, который легко наносится на подложку из нержавеющей стали с помощью печати и так же легко выгорает при проведении синтеза пасты, создается прецизионная матрица площадок для нанесения припоя. Матрица тщательно обрабатывается для формирования наклонных стенок контактных площадок под проводники и кристаллы, обеспечивающих их фиксацию в формовочном компаунде. В результате контактные площадки будут иметь форму усеченного конуса, и площадь сварного соединения будет больше площади припоя.
Поверх матрицы методом трафаретной печати наносится запатентованная компанией паста припоя. Паста представляет собой специальный состав на основе порошка серебра и органического растворителя, хотя возможно применение и других синтезируемых материалов. При создании пасты ставилась задача согласования ее свойств со свойствами высвобождаемого слоя, что потребовало строгого контроля ее химического состава, размера и формы металлических зерен структуры, их распределения. Для обеспечения требуемой вязкости и реологии пасты использованы связующие вещества и органические добавки.
После нанесения пасты металлическая подложка отжигается в контролируемой атмосфере при температуре 875°С для удаления материала матрицы и органического растворителя и получения припоя высокой плотности, поверхность которого пригодна для приварки выводов и кристаллов. В результате формируются контактные площадки со стойкой поверхностью под пайку, контролируемой адгезией к подложке и с формой усеченного конуса, обеспечивающего прочное соединение контактных площадок и формовочного компаунда. Пластина с контактными площадками и представляет собой xLC-носитель, предназначенный для замены выводной рамки (рис.1).
Сборка прибора в корпус выполняется так же, как и при сборке интегральных схем в обычные QFN-корпуса, но без применения полиимидной пленки. После формования корпуса металлический носитель отрывается от полосы собранных корпусов. Здесь следует отметить, что для получения нужной адгезии контактных площадок к подложке поверх нее создается разделительный слой (рис.2). Этот слой должен обеспечивать робастность структуры при сборке прибора в корпус и вместе с тем достаточно слабую адгезию площадок к подложке, не затрудняющую ее отрыв после сборки. В качестве разделительного слоя используется оксидная пленка сложного состава, которая прочно удерживается на нержавеющей стали при хорошем сцеплении с синтезированным серебром. Таким образом, благодаря разделительному слою, операция отрыва носителя от полосы корпусов выполняется проще и чище, чем отрыв пленки полиимида. После удаления носителя все контактные площадки электрически изолированы, и электрические испытания можно проводить до их разделения.
К достоинствам предложенного компанией xLC-носителя контактных площадок относятся:
малая стоимость (на 20–30% дешевле выводной рамки) в первую очередь благодаря отсутствию дорогостоящей полиимидной пленки;
возможность тестирования сразу после сборки;
близкое расположение контактных площадок под кристаллы и проволочные выводы, что обеспечивает лучшее быстродействие и меньшее тепловое сопротивление, чем при сборке в стандартные QFN-корпуса;
до 500 контактных площадок под выводы с многорядным расположением против 150 для выводной рамки (рис.3). Увеличение плотности соединений до 50%;
резка пластмассового слоя, а не металлической подложки для разделения собранных приборов;
малая толщина смонтированных приборов – не более 300 мкм;
экологически благоприятная технология создания носителя.
Недостатки носителя контактных площадок:
высокая стоимость синтезируемой пасты серебра (сейчас изучается возможность применения других материалов);
необходимость расширения производства за счет вторичных поставщиков.
Специалисты компании отмечают, что разработанная ими HVPF-технология предназначена для производства дешевых сложных изделий, часто с применением различных материалов. Созданный xLC-носитель контактных площадок предназначен для сборки компонентов сотовых телефонов, РЧ-приборов, устройств аккумулирования энергии окружающей среды, струйных элементов, датчиков.
По материалам:
3D printing meets electronic interconnection –
and could change it forever. –
MEPTECReport, Summer 2012, p.24.
A High Performance and Cost Effective Molded
Array Package Substrate.
– http://www.eoplex.com/QFP_MR_White_Paper.pdf
Сейчас особенно популярным стал безвыводной плоский корпус с четырехсторонним расположением контактов QFN. Согласно прогнозу консалтинговой компании Gartner, в 2012 году будет продано 40,9 млрд. безвыводных корпусов с контактной рамкой (QFN, SON, DFN и BCC) против 28,7 млрд. в 2010 году. При этом всего в 2012 будет продано 190,5 млрд. корпусов интегральных схем (173, 8 млрд. в 2010).
В последние несколько лет высокие темпы роста были характерны для дешевых малогабаритных корпусов интегральных схем – корпусов QFN-типа. Многие компании – Amkor, Carsem, Unisem, UTAC, ASE – выпускают большие партии таких корпусов для приборов сотовых телефонов и беспроводных устройств. Согласно данным компании по маркетинговым исследованиям New Venture Research, продажи корпуса QFN-типа за 2010–2015 годы возрастут на 15% – с 15 млрд. до 17,25 млрд. штук.
Тем не менее, QFN-корпуса пригодны для монтажа не всех интегральных схем. Это связано с тем, что их выводная рамка не позволяет создавать многорядное расположение большого числа выводов, в результате такой корпус не может иметь более 150 выводов. Поэтому достаточно дешевые QFN-корпуса не могут заменять такие более дорогие корпуса, как BGA с большим число выводов. Наличие выводной рамки приводит к увеличению размеров корпуса. Из-за множества металлизированных линий возможно ухудшение электрических характеристик собранного в корпус прибора вследствие формирования паразитных емкости и индуктивности на основе оставшихся следов металла после разделения корпусов. Кроме того, металлизация выводной рамки, часть выводов которой временно соединены друг с другом, не позволяет проводить электрические испытания до разделения корпусов. И, наконец, для сборки корпуса необходима дорогая полиамидная пленка, что приводит к увеличению стоимости корпуса.
В настоящее время существуют три перспективные технологии, пригодные для создания альтернатив выводной рамке стандартного QFN-корпуса.
Процесс двойного травления, согласно которому на верхней поверхности рамки вытравливается рисунок размещения контактных площадок под соединения и кристаллы. Но рамка не протравливается до конца. После приварки кристаллов и выполнения соединений обычными для стандартных QFN-корпусов методами нижняя поверхность рамки стравливается для удаления избыточного металла. Поскольку теперь корпуса электрически изолированы, можно проводить их испытания до удаления монтажной ленты.
Электролитическое осаждение, при котором на металлической подложке с помощью маски для электролитического нанесения покрытия с требуемым расположением контактных площадок формируется нужная структура. Маска удаляется, кристаллы и провода привариваются обычными способами, после чего полоска корпусов отрывается от металлической подложки. Теперь корпуса электрически изолированы и могут быть испытаны до разделения.
Выводным рамкам, сформированным методами двойного травления и электролитического осаждения, не присущи недостатки стандартных рамок корпусов QFN. Но они дороже и для их изготовления требуются такие экологически неблагоприятные процессы, как электролитическое осаждение и травление.
Вот почему сегодня перспективной технологией для сборки QFN-корпусов с большим числом выводов считается процесс изготовления xLC-носителя контактных площадок, предусматривающий печать паяльной пасты с помощью разработанного компанией EoPlex Technologies аддитивного процесса крупносерийной печати (High-Volume Print Forming, HVPF) и последующий ее отжиг для получения контактных площадок, пригодных для термокомпрессионной приварки проволочных выводов монтируемого прибора. В основе этой технологии лежит применение "временных", удаляемых слоев, позволяющих задавать открытые области структуры при печати и выгорающих в ходе термообработки.
На первом этапе на разработанном компанией органическом материале, который легко наносится на подложку из нержавеющей стали с помощью печати и так же легко выгорает при проведении синтеза пасты, создается прецизионная матрица площадок для нанесения припоя. Матрица тщательно обрабатывается для формирования наклонных стенок контактных площадок под проводники и кристаллы, обеспечивающих их фиксацию в формовочном компаунде. В результате контактные площадки будут иметь форму усеченного конуса, и площадь сварного соединения будет больше площади припоя.
Поверх матрицы методом трафаретной печати наносится запатентованная компанией паста припоя. Паста представляет собой специальный состав на основе порошка серебра и органического растворителя, хотя возможно применение и других синтезируемых материалов. При создании пасты ставилась задача согласования ее свойств со свойствами высвобождаемого слоя, что потребовало строгого контроля ее химического состава, размера и формы металлических зерен структуры, их распределения. Для обеспечения требуемой вязкости и реологии пасты использованы связующие вещества и органические добавки.
После нанесения пасты металлическая подложка отжигается в контролируемой атмосфере при температуре 875°С для удаления материала матрицы и органического растворителя и получения припоя высокой плотности, поверхность которого пригодна для приварки выводов и кристаллов. В результате формируются контактные площадки со стойкой поверхностью под пайку, контролируемой адгезией к подложке и с формой усеченного конуса, обеспечивающего прочное соединение контактных площадок и формовочного компаунда. Пластина с контактными площадками и представляет собой xLC-носитель, предназначенный для замены выводной рамки (рис.1).
Сборка прибора в корпус выполняется так же, как и при сборке интегральных схем в обычные QFN-корпуса, но без применения полиимидной пленки. После формования корпуса металлический носитель отрывается от полосы собранных корпусов. Здесь следует отметить, что для получения нужной адгезии контактных площадок к подложке поверх нее создается разделительный слой (рис.2). Этот слой должен обеспечивать робастность структуры при сборке прибора в корпус и вместе с тем достаточно слабую адгезию площадок к подложке, не затрудняющую ее отрыв после сборки. В качестве разделительного слоя используется оксидная пленка сложного состава, которая прочно удерживается на нержавеющей стали при хорошем сцеплении с синтезированным серебром. Таким образом, благодаря разделительному слою, операция отрыва носителя от полосы корпусов выполняется проще и чище, чем отрыв пленки полиимида. После удаления носителя все контактные площадки электрически изолированы, и электрические испытания можно проводить до их разделения.
К достоинствам предложенного компанией xLC-носителя контактных площадок относятся:
малая стоимость (на 20–30% дешевле выводной рамки) в первую очередь благодаря отсутствию дорогостоящей полиимидной пленки;
возможность тестирования сразу после сборки;
близкое расположение контактных площадок под кристаллы и проволочные выводы, что обеспечивает лучшее быстродействие и меньшее тепловое сопротивление, чем при сборке в стандартные QFN-корпуса;
до 500 контактных площадок под выводы с многорядным расположением против 150 для выводной рамки (рис.3). Увеличение плотности соединений до 50%;
резка пластмассового слоя, а не металлической подложки для разделения собранных приборов;
малая толщина смонтированных приборов – не более 300 мкм;
экологически благоприятная технология создания носителя.
Недостатки носителя контактных площадок:
высокая стоимость синтезируемой пасты серебра (сейчас изучается возможность применения других материалов);
необходимость расширения производства за счет вторичных поставщиков.
Специалисты компании отмечают, что разработанная ими HVPF-технология предназначена для производства дешевых сложных изделий, часто с применением различных материалов. Созданный xLC-носитель контактных площадок предназначен для сборки компонентов сотовых телефонов, РЧ-приборов, устройств аккумулирования энергии окружающей среды, струйных элементов, датчиков.
По материалам:
3D printing meets electronic interconnection –
and could change it forever. –
MEPTECReport, Summer 2012, p.24.
A High Performance and Cost Effective Molded
Array Package Substrate.
– http://www.eoplex.com/QFP_MR_White_Paper.pdf
Отзывы читателей
