МИКРОМОДУЛЬ
MICROMODULE

Изобретение относится к области создания малогабаритных микромодулей на гибкой плате, содержащих несколько больших интегральных схем (БИС), например, полупроводниковой памяти большой емкости и аналогичных устройств.
Известно техническое решение, позволяющее создавать подобные модули - конструкция и способ изготовления микроэлектронных приборов с высокой плотностью размещения компонентов [1]. Прибор содержит гибкую подложку с низким модулем упругости, к которой прикреплены полупроводниковые приборы. На одной стороне подложки сформированы проводники нужной конфигурации, которые через металлизированные отверстия соединяются с проводниками на другой стороне подложки и с контактными площадками для монтажа БИС. Недостатком предложенного способа является высокая трудоемкость изготовления приборов с большим количеством БИС.
Известны изделия на полиимидной пленке с использованием двухслойной коммутационной разводки с последующей металлизацией переходных отверстий и монтажом кристаллов с жесткими выводами [2]. Основным недостатком этих устройств является недостаточно высокая разрешающая способность рисунка коммутации.
Известно техническое решение - устройство, содержащее гибкую монтажную плату, бескорпусную интегральную схему и другие элементы [3], которое является наиболее близким к данному изобретению и принято за прототип.
Гибкая плата изготовлена из полиимидной пленки и имеет электропроводные коммутационные дорожки. Конструкция обеспечивает снижение габаритов, но не обеспечивает высокую плотность монтажа.
Задача изобретения - увеличение плотности монтажа, повышение надежности межслойных соединений малогабаритных микромодулей и минимизация уровня термомеханических напряжений при тепловых воздействиях.
Это достигается тем, что микромодуль содержит гибкую плату, снабженную металлизированными межслойными переходными отверстиями и смонтированными на ней кристаллами бескорпусных БИС с выступами. Металлизированные межслойные переходные отверстия имеют форму выпуклой криволинейной поверхности переменного поперечного сечения по длине с криволинейными контактными площадками на верхней и нижней поверхности гибкой платы, выполнены с уменьшением сечения от контактной площадки на верхней и нижней поверхности к срединной плоскости платы. Контактная площадка плавно переходит в межслойное переходное отверстие. Причем размер контактной площадки в плане можно изменять в широких пределах, исходя из технологической целесообразности, обеспечить монтаж выступов кристалла.
Конструкция и размещение контактных площадок с металлизированными межслойными переходными отверстиями на гибкой плате способствуют увеличению плотности монтажа кристаллов бескорпусных БИС за счет уменьшения размера межслойных переходных отверстий и контактных площадок, ширины проводников и зазора между ними, а также минимальному шагу между контактными площадками.
Современные конструкции микромодулей должны иметь как можно меньшие массогабаритные характеристики, устойчивость к циклическим тепловым воздействиям и усталостным отказам материалов межслойных соединений. Два конкурирующих подхода: «снизить массу - обеспечить прочность, долговечность и ресурс» составляют суть проблемы проектирования и конструирования микромодулей. Для повышения прочности и выносливости материалов микромодулей необходимо снижать эксплуатационные термомеханические напряжения в них.
в
в
в
С помощью компьютерного моделирования и метода конечного элемента определена рациональная форма металлизированного межслойного переходного отверстия с контактной площадкой по критериям увеличения плотности монтажа и прочностной надежности (фиг. 1, вид А). Наиболее рациональной формой является торовая поверхность (образованная вращением сегмента медной металлизации вокруг оси отверстия). Найдены рациональные соотношения размеров межслойного соединения - между диаметром отверстия d, диаметром выступа d и размером контактной площадки D: d=(2,3-3,0)d, d=(0,58…0,75)D.
в
Аu
Si
Cu
При компьютерном моделировании использовали базовую модель со следующими параметрами: толщина полиимидной пленки - 50 мкм, толщина медной металлизации - 15 мкм. Варьируемые параметры: размер контактной площадки D=50…150 мкм, диаметр отверстия d=0…80 мкм, диаметр выступа d=30…120 мкм. Компьютерное моделирование позволило установить величину напряжения в материалах базовой модели - σ=200, δ=150, σ=140 МПа.
в
Изменение соотношения размеров d, d, D в большую или в меньшую сторону изменяет напряженно-деформированное состояние материалов сборки, приводит к увеличению деформаций и напряжений вплоть до величины предела выносливости материалов сборки, снижению долговечности (числа циклов при тепловых воздействиях в режиме включение-выключение).
в
в
Au
Si
Cu
в
в
в
Расчет показал, что при d=100 мкм или d=60 мкм напряжения увеличиваются до σ=375, σ=240, σ=250 МПа, что превышает предел выносливости этих материалов и существенно снижает их циклическую долговечность. Рациональным значением по результатам расчета было выбрано d=80±10 мкм (d~2,67d и d~0,67D).
Это позволило увеличить статическую прочность и выносливость материалов при действии переменных циклических термомеханических напряжений.
На фиг. 1 представлен микромодуль в бескорпусном исполнении, где:
1 - кристалл БИС;
2 - контактная площадка на кристалле;
3 - контактная площадка на плате с переходным отверстием;
4 - выступ кристалла БИС;
5 - гибкая плата;
6 - припойный выступ.
Изготавливают гибкую плату 5 с системой проводников и контактными площадками 3 на плате для соединения с выступами кристалла БИС 4, сформированными на контактных площадках 2 кристалла БИС 1. Припойные выступы 6 на обратной стороне платы служат выводами микромодуля, которые затем могут быть распаяны на следующий уровень.
Пример.
в
Гибкую плату с двухсторонней системой проводников изготавливают на полиимидной пленке толщиной 50 мкм. Проводники изготовлены тонкопленочной металлизацией в вакууме слоями хром - медь с последующим гальваническим наращиванием меди и облуживанием до толщины 15 мкм. Размер контактной площадки составляет 120…150 мкм, размер переходного отверстия d составляет 20…60 мкм. Межслойные переходные отверстия в плате выполняют путем двустороннего химического травления с последующим гальваническим наращиванием меди. Контактные площадки на гибкой плате для монтажа кристаллов БИС имеют минимальную монтажную площадь. Выступы кристалла имеют цилиндрическую форму с шарообразным куполом с размером d=70…90 мкм.
Такое решение позволило существенно снизить термомеханические напряжения в материалах изделия. Так, например, напряжения уменьшились в Аu в 1,73 раза, Si в 1,58 раза, Сu в 1,8 раз. Это позволило повысить прочность и долговечность изделия при действии переменных циклических термонапряжений.
Созданные образцы микромодулей испытывались на воздействие повышенной температуры в диапазоне температур от +20 до +70°С (ГОСТ 30630.2.1, ГОСТ 28209, ст. МЭК 68-2-14-84, VI степень жесткости) и на вибропрочность в частотном диапазоне 10…5000 Гц и ускорении 40 g (ГОСТ 16962-71, XIV степень жесткости). Испытания подтвердили результаты компьютерных расчетов.
Достоинства такой конструкции - отсутствие концентраторов напряжений в материалах межслойного соединения Cu-Au, высокая плотность монтажа, минимальный уровень термомеханических напряжений при тепловых воздействиях, высокая прочностная надежность межслойных соединений малогабаритных микромодулей.
Источники информации
1. Патент США №6376769.
2. Гуськов Г.Я., Блинов Г.А., Газаров А.А. Монтаж микроэлектронной аппаратуры. - М.: Радио и связь, 1986, с. 109, рис. 4.13.
3. Патент РФ №2242798, - прототип.