СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТРЕХМЕРНОГО МНОГОКРИСТАЛЬНОГО МОДУЛЯ НА ГИБКОЙ ПЛАТЕ
METHOD OF THE THREE-DIMENSIONAL MULTI-CRYSTAL MODULE ON FLEXIBLE BOARD MANUFACTURING

Изобретение относится к микроэлектронике, в частности к области создания малогабаритных многокристальных устройств, изготовленных по гибридной трехмерной технологии.
Известен способ изготовления многокристальной микроэлектронной сборки в трехмерном исполнении, включающий изготовление гибкой платы в форме ленты с расположенными вдоль нее соединительными проводниками и монтажными участками, на которые устанавливают полупроводниковые кристаллы /1/. На одном конце ленты формируют объемные выводы, служащие внешними выводами сборки, соединенные проводниками с полупроводниковыми кристаллами. После монтажа полупроводниковых кристаллов гибкую плату загибают зигзагом, складывая S-образную сборку в трехмерном исполнении таким образом, чтобы полупроводниковые кристаллы находились на одной вертикальной оси относительно друг друга, а конец ленты с объемными выводами располагался снизу сборки. Механическое скрепление сборки осуществляют металлической скобой или крышкой с отверстиями для отвода тепла, либо с помощью клеевых материалов, включая теплопроводные, которые наносят на поверхности частей при складывании сборки. Недостатки этого способа заключаются в отсутствии защиты гибкой платы от механических и климатических воздействий при изготовлении и эксплуатации сборки, а также в практической сложности совмещения и закрепления частей сборки относительно друг друга при складывании гибкой платы зигзагом, что вызывает перекос, снижает прочность и надежность многокристальной микроэлектронной сборки в трехмерном исполнении.
Известен способ изготовления трехмерной гибкой сборки интегральных микросхем, включающий изготовление гибкой платы со смонтированными на ней бескорпусными микросхемами /2/. Способ отличается от первого аналога тем, что сложенную трехмерную гибкую сборку монтируют на жесткое основание и помещают под металлическую крышку, формируя корпусную микросборку. Недостатки этого способа заключаются в том, что корпус не обеспечивает защиту гибкой платы от механических и климатических воздействий при изготовлении трехмерной гибкой сборки и существенно ухудшает ее массогабаритные характеристики, не устраняя тех же недостатков, что и в первом способе.
Известен также способ изготовления трехмерного многокристального микромодуля, содержащий гибкую плату и смонтированные на ней кристаллы бескорпусных интегральных схем /3/. Способ предусматривает изготовление гибкой платы в виде ленты, на которой формируют систему проводников для соединения с контактными площадками интегральных схем и контактные площадки на одном конце ленты, служащие выводами модуля. С двух краев ленты в шахматном порядке располагают выступы с посадочными местами для монтажа интегральных схем. После монтажа интегральных схем боковые выступы загибают на ленту с радиусом перегиба не менее толщины проводников и складывают ленту в такой последовательности и зигзагом таким образом, чтобы интегральные схемы находились соосно друг над другом и исключались короткие замыкания выводов микросхем, а один конец ленты с выводами модуля оставался свободным. Приклеивают выступы и загнутые участки к ленте, причем толщину клеевых швов выбирают не менее толщины сформированных на ленте проводников. Недостатки этого способа заключаются в отсутствии защиты гибкой платы от механических и климатических воздействий при изготовлении и эксплуатации сборки, а также в практической сложности расположения сторон интегральных схем параллельно друг другу при сборке микромодуля, что вызывает перекос, снижает прочность и надежность трехмерного многокристального микромодуля.
Известен также способ изготовления трехмерного гибридного интегрального модуля, включающий изготовление гибкой печатной платы со смонтированными на ней кристаллами бескорпусных интегральных схем /4/. Этот способ выбран в качестве прототипа предложенного решения и отличается тем, что участки платы, подвергающиеся перегибам, выполняют в виде шлейфовых фрагментов с параллельно расположенными проводниками и покрывают защитным амортизационным клеевым покрытием по всей длине полуокружности перегиба, а на оставшиеся участки платы наносят термокомпенсирующее покрытие. Затем гибкую печатную плату складывают в стопку так, чтобы монтажные выводы были расположены симметрично относительно трехмерной стопки. Первым недостатком этого способа является повышенная трудоемкость изготовления гибкой печатной платы вследствие введения в технологический процесс нескольких дополнительных операций нанесения различных защитных покрытий. Второй недостаток способа заключается в том, что способ так же, как и предыдущие аналоги, не гарантирует точности совмещения интегральных схем при сборке и закрепления частей относительно друг друга, что вызывает перекос, снижает прочность и надежность трехмерного гибридного интегрального модуля.
Задача изобретения - повышение надежности и расширение функциональных возможностей трехмерного многокристального модуля на гибкой плате за счет увеличения плотности упаковки и точности сборки, защиты гибкой платы от механических и климатических воздействий при изготовлении и эксплуатации модуля, улучшения теплового режима и масштабируемости по количеству и типу используемых микросхем.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в разработанном способе изготовления трехмерного многокристального модуля на гибкой плате, включающем формирование боковых выступов на гибкой плате со смонтированными на них микросхемами, формируют два монтажных выступа с контактными площадками, служащих выводами многокристального модуля, расположенных симметрично с двух противоположных краев гибкой платы, а боковые выступы, содержащие размещенные с одной или обеих сторон гибкой платы соединительные и монтажные участки, располагают перпендикулярно центральной части гибкой платы, попарно и соосно вдоль этих же краев гибкой платы, покрывают обе стороны гибкой платы, за исключением контактных площадок, сплошным антикоррозионным материалом, выполняют трехмерную сборку модуля, последовательно укладывая и приклеивая клеем-герметиком боковые выступы с размещенными на них микросхемами на центральную часть гибкой платы соосно один над другим, и затем складывают центральную часть гибкой платы, совмещают стороны микросхем без перекосов частей модуля относительно друг друга, причем монтажные выступы гибкой платы располагают в основании собранного трехмерного многокристального модуля с двух противоположных краев.
Для улучшения теплового режима трехмерного многокристального модуля на гибкой плате формируют сквозные окна на боковых выступах в центре монтажных участков, на центральной части гибкой платы в местах прикрепления боковых выступов и между монтажными выступами гибкой платы, причем при трехмерной сборке многокристального модуля окна располагают соосно одно над другим, и затем заполняют их клеем-герметиком, обеспечивая эффективный сток тепла.
Для применения в составе трехмерного многокристального модуля на гибкой плате микросхем с большим количеством выводов и обеспечения минимальных массогабаритных характеристик гибкую плату модуля снабжают матрицей паяемых объемных выводов, сформированных с обратной стороны гибкой платы в пределах площади проекции собранного модуля.
Указанное решение обеспечивает высокую плотность упаковки и геометрическую точность сборки, исключающей перекосы частей модуля относительно друг друга, масштабируемость по количеству и типу используемых микросхем, защиту гибкой платы от механических и климатических воздействий при изготовлении и эксплуатации модуля, улучшенный тепловой режим. Так, нанесение сплошного антикоррозионного покрытия снижает трудоемкость изготовления гибкой платы, обеспечивает защиту от механических повреждений при сборке модуля и климатических воздействий при эксплуатации изделия. При этом первичная защита корпусных микросхем обеспечивается герметизирующей оболочкой их корпуса, а кристаллы бескорпусных микросхем предварительно герметизируют защитными материалами при изготовлении. Окончательная герметизация модуля и его компонентов производится путем нанесения на микросхемы, смонтированные на гибкой плате, клея-герметика необходимой толщины, формирующего соединение при трехмерной сборке модуля. Данное решение позволяет создавать трехмерные многослойные конструкции модулей с надежной изоляцией и герметизацией клеевыми материалами.
Кроме того, в разработанном способе для формирования соединительных проводников и монтажа микросхем могут быть использованы как лицевая, так и обратная стороны гибкой платы. При этом трехмерная сборка модуля может выполняться в различной последовательности, что улучшает возможности масштабирования и выбора конструктивного исполнения изделия.
На фиг. 1 показана лицевая сторона гибкой платы трехмерного многокристального модуля, где 1 - монтажный выступ; 2 - боковой выступ; 3 - соединительный участок; 4 - монтажный участок; 5 - центральная часть гибкой платы.
На фиг. 2 показан трехмерный многокристальный модуль на гибкой плате в сборе, где: 6 - микросхема; 7 - клей-герметик; 8 - монтажный выступ в основании модуля.
Способ изготовления трехмерного многокристального модуля на гибкой плате может быть реализован на следующем примере.
Трехмерный многокристальный модуль на гибкой плате изготавливают на основе гибкой платы, выполненной из полимерной подложки, например полиимидной или фторопластовой, толщиной 25-50 мкм. Для этого формируют два монтажных выступа 1 с контактными площадками, служащих выводами многокристального модуля, и четыре боковых выступа 2, содержащие размещенные с одной или обеих сторон гибкой платы соединительные 3 и монтажные 4 участки. Монтажные участки через соединительные участки электрически соединены с центральной частью гибкой платы 5 и контактными площадками монтажных выступов двухсторонней системой проводников толщиной 15-30 мкм и шириной 80-150 мкм, которые изготавливают на основе медной металлизации и формируют селективным травлением фольги в случае использования фольгированной подложки, или вакуумным напылением и избирательным гальваническим осаждением проводников при использовании нефольгированной подложки. Геометрические размеры монтажных выступов, расположенных симметрично с двух противоположных краев гибкой платы, определяют исходя из шага проводников и количества контактных площадок модуля, а размеры боковых выступов, расположенных перпендикулярно центральной части гибкой платы, попарно и соосно вдоль этих же краев гибкой платы, определяют по количеству выводов и размеру используемых микросхем. Покрывают обе стороны гибкой платы, за исключением контактных площадок, сплошным антикоррозионным лаковым или покровным материалом толщиной 5-15 мкм, а затем выполняют монтаж микросхем 6 на боковых выступах гибкой платы одним из известных методов монтажа. Проводят трехмерную сборку модуля, последовательно укладывая и приклеивая клеем-герметиком 7 боковые выступы с размещенными на них микросхемами на центральную часть гибкой платы соосно один над другим, и затем складывают центральную часть гибкой платы, совмещают стороны микросхем без перекосов частей модуля относительно друг друга. Причем монтажные выступы гибкой платы 8 располагают в основании собранного трехмерного многокристального модуля с двух противоположных краев. Перегибы гибкой платы выполняют с радиусами, которые определяются размерами используемых микросхем и могут варьироваться от 0,5 до 20 мм и более, а толщину клеевых швов выбирают от 50 до 150 мкм.
Использование разработанного способа изготовления трехмерного многокристального модуля на гибкой плате обеспечивает повышение надежности и расширение функциональных возможностей модуля за счет увеличения плотности упаковки и геометрической точности сборки, исключающей перекосы частей модуля относительно друг друга, защиты гибкой платы от механических и климатических воздействий при изготовлении и эксплуатации модуля, улучшения теплового режима и масштабируемости по количеству и типу используемых микросхем.
Источники информации
1. Патент США №6225688.
2. Патент США №5646446.
3. Патент РФ №2299497.
4. Патент РФ №2364006 - прототип.