Современные компоновки микросхем

Современные

компоновки микросхем

Аркадий МЕДВЕДЕВ, д. т. н., профессор МАИ

medvedevam@bk.ru

Введение

Развитие микроэлектронных компонентов постоянно идет в направлении увеличения интеграции, производительности и функциональности. Этот процесс характеризуется увеличением плотности активных элементов на кристалле примерно на 75% в год, а это, в свою очередь, вызывает необходимость в увеличении количества их выводов на корпусе на 40% в год. Этим обуславливается, во-первых, постоянно растущий спрос на новые методы кор-пусирования, а во-вторых, увеличение плотности межсоединений на печатной плате.

В результате общих тенденций площадь монтажных подложек уменьшается примерно на 7%, а физические размеры электронной аппаратуры — на 10-20% в год. Эта тенденция поддерживается непрерывным увеличением плотности межсоединений за счет уменьшения элементов печатного монтажа. Все это серьезно влияет на систему производства электроники: увеличивается стоимость основных фондов, объем прямых издержек, увеличивается цикл производства. В итоге все это приводит к увеличению себестоимости электронных изделий, если не принимать специальных мер по их удешевлению.

Конструкции корпусов микросхем

С самого начала кристаллы микросхем помещали внутрь керамических или пластмассовых корпусов. Примерно до 1980 г. все корпуса микросхем имели выводы, предназначенные для их размещения и закрепления в металлизированных отверстиях (РТН, Plated Through-hole — металлизированное отверстие) монтажной подложки и последующей монтажной пайки. Тогда же был сформирован наиболее приемлемый шаг монтажных отверстий на печатных платах: в США —

Увеличение интеграции микросхем побуждает к поиску новых конструкторских решений в их компоновке, а также в увеличении плотности компоновки выводов, чтобы по возможности уменьшить дезинтеграцию системы межсоединений от кристалла к корпусу, от корпуса к плате, от платы к модулю [1]. Борьба за снижение уровня дезинтеграции компоновок идет так же интенсивно, как и за увеличение интеграции микросхем. Эти процессы эволюции электронных систем сопровождаются увеличением удельного тепловыделения. И если раньше тепло успешно рассеивалось с относительно больших поверхностей корпусов микросхем, то сегодня в конструкции корпусов приходится вводить элементы кондуктивного теплоотвода.

2,54 мм (1/10 дюйма), у нас его округлили до 2,5 мм, что на каком-то из периодов истории порождало конфликты в системах стандартизации.

Позднее, с увеличением интеграции, выводы стали делать в форме, пригодной для технологии поверхностного монтажа (SMT — Surface Mounting Technology), ставшей сегодня преобладающей технологией монтажа электронных компонентов. Пассивные или маловыводные компоненты для поверхностного монтажа по существу увеличивают плотность компоновки за счет простого уменьшения размеров. Современные резисторы и конденсаторы формируются в виде чипов размером с маковое зернышко и даже меньше. Увеличение плотности компоновки микросхемы не может идти по такому простому пути: необходимо геометрическое пространство для размещения многочисленных выводов на корпусе компонента и монтажном поле платы.

Основными способами размещения выводов корпусов микросхем являются:

• периферийное расположение выводов, когда они расположены по краям (на периферии) кристалла или корпуса микросхемы;

• матричное расположение выводов на плоской поверхности корпуса.

Большинство типов микросхем имеют периферийное расположение выводов. Шаг периферийных выводов ограничен 0,3 мм (практически — 0,4 мм), что позволяет размещать на микросхемах с корпусами больших размеров до 500 выводов. Но нужно принять во внимание, что при шаге выводов меньше 0,5 мм возрастает сложность монтажа и объем ремонта. Конфигурация периферийных выводов может принимать разнообразные формы: «крыло чайки», J-образные (с пайкой под корпус), I-образные (для пайки встык), безвывод-ные с пайкой по торцу корпуса [2].

Компоненты с матричным расположением выводов имеют еще большее разнообразие:

• CSP (Chip-scale Packages — корпус, соизмеримый с размером кристалла);

• PBGA (Plastic Ball Grid Array — пластмассовые корпуса с шариковыми матричными выводами);

• CBGA (Ceramic Ball Grid Array — керамические корпуса с шариковыми матричными выводами);

• PPGA (Plastic Pin Grid Array — пластмассовые корпуса с матричными контактными площадками);

• CCGA (Ceramic Column Grid Array — керамические корпуса со столбиковыми матричными выводами).

Предполагается, что микросхемы с количеством выводов от 150 до 200 будут выполняться в корпусах с периферийным расположением выводов. Для микросхем с количеством выводов более 150-200 предпочтительнее матричная система выводов, так как она делает возможным размещение большого количества выводов на ограниченной площади.

Конструкции выводов в матричной системе имеют меньшее разнообразие:

• столбиковые выводы из припоя, армированного «путанкой» из тонкого провода, для корпусов микросхем и многокристальных модулей МСМ (Multi-Chip Module), часто называемых матрицей контактных площадок (pad grid), матрицей выводов (land grid);

• матрица шариковых выводов (BGA — Ball Grid Array) с шагом выводов 1,50 мм (0,060 дюйма), 1,27 мм (0,050 дюйма), 1 мм (0,040 дюйма), 0,8 мм (0,03 дюйма) и менее. Матричная система выводов обеспечивает

ряд очевидных преимуществ. Наиболее важными являются:

• минимальная площадь монтажного поля подложки;

Пластик Эпоксидный адгезив Кристалл микросхемы Выводы

Рис. 2. BGA-компонент в пластиковом корпусе

• наличие свободных мест для размещения элементов теплоотвода на подложку;

• лучшие условия обеспечения функциональной производительности электронных модулей за счет меньших паразитных эффектов на быстродействующих операциях;

• упрощение технологии поверхностного монтажа на печатную плату за счет использования процессов оплавления припоя при групповом нагреве;

• больший выход готовой продукции.

Но все же монтаж компонентов с матричными выводами связан с дополнительными капиталовложениями для обеспечения позиционирования выводов на плате и тестирования паек, не доступных для визуализации. Ограниченная длина выводов не обеспечивает демпфирования для компенсации рассогласования температурных расширений материалов в иерархии межсоединений (рис. 1) и не обеспечивает необходимую для особых условий устойчивость к механическим воздействиям, связанным с деформацией подложек. В силу этого перечень материалов для использования в этой системе межсоединений очень ограничен. И все они дороже обычных. Тенденция к дальнейшему уменьшению шага выводов (< 1,0 мм) еще больше обостряет эту проблему.

В связи с этим идет практическое опробование других сочетаний материалов: демпфирующих полиимидных пленок (Tape BGA — TBGA), керамических подложек (CBGA — Ceramic BGA или PGA — Pin Grid Array). Очевидно, что использование керамической подложки позволяет получить отличные результаты: устойчивость к термоциклам корпусов CBGA, не смонтированных на плату [3]. То есть проблемы сочетания выводов CBGA со стеклоэпоксидным основанием решаются в процессе монтажа.

BGA-компоненты

BGA-технология возникла приблизительно 20 лет назад в фирме IBM для внутреннего потребления. Первая фирма, которая переня-

ла опыт IBM, была Motorola, она купила лицензию у IBM и развила ее технологию до компоновки, названной OMPAC (Overmoulded Plastic Array Carrier). Структура BGA-компонента показана на рис. 2.

По этой схеме кристалл устанавливается на монтажную подложку из композиционного материала с органическим связующим (FR-4, FR-5, BT), имеющим высокую температуру стеклования. Для этих целей предпочтительнее использовать материал на основе ВТ (Bismaleimid Triasine) с особенно высокой температурой стеклования и отличными электрическими свойствами. На обе стороны подложки наносится финишное покрытие NiAu, универсальное для микросварки (разварки проводов от микросхемы к подложке) и пайки шариковых выводов.

Кристалл приклеивается к подложке теплопроводным адгезивом на основе эпоксидной смолы. В свою очередь, подложка имеет элементы кондуктивного теплоотвода с одной стороны на другую. Часть шариковых выводов предназначена для тепловых соединений.

Современные стандарты устанавливают шаг сетки матричных выводов: 1,5 мм, 1,27 мм и 1,0 мм и диаметром шариковых выводов

0.6 мм. Конструкции подложек 50x50 мм позволяют размещать на них 2401 вывода с шагом 1,0 мм.

Кристаллы микросхем монтируют на подложку с помощью одного из четырех методов:

1. Термокомпрессионная микросварка (wire-bonding) — наиболее старый, наиболее гибкий и широко применяемый метод (рис. 2). С его помощью до сих пор изготавливают более 96% всех микросхем.

2. Присоединение кристаллов к выводам ленточного носителя (рис. 3), или TAB (Tape-automated Bonding). Этот метод используется для автоматического монтажа кристаллов с малым шагом выводов на промежуточный носитель. Кроме возможности автоматизации монтажа, он обеспечивает возможность предварительного тестирования кристаллов перед окончательной установкой его на монтажную подложку.

р О О О С10 о о о о о/

2

3

----- I —14

0000000000/

Рис. 3. Ленточный носитель кристалла микросхемы:

1 — кристалл микросхемы;

2 — кадр ленточного носителя;

3 — контактные площадки для монтажа носителя на монтажной подложке;

4 — транспортная лента для автоматизации установки кристалла на монтажную подложку

3. Присоединение перевернутого кристалла (Flip Chip) через шариковые выводы (рис. 4). Компактность и улучшенные электрические характеристики этого метода межсоединений способствуют расширению его применения.

Эпоксидный

компаунд

Кристалл микросхемы

Контактные

площадки

Монтажная подложка Шарики выводов

Рис. 4. Монтаж микросхемы на подложку методом перевернутого кристалла

При остывании после пайки

BGA, LCC, CSP

Керамическая монтажная подложка

(ai2o3), тклр = 7,1 х ю-6/°с

Трещина

Печатная плата,

ТКЛР = (12... 16) х 10—6/°С

Рис. 1. Рассогласование температурных расширений материалов в иерархии межсоединений BGA-компонентов на монтажной подложке

Рис. 5. Монтаж микросхемы с помощью балочных выводов: 1 — кристалл микросхемы;

2 — балочный вывод;

3— контактная площадка монтажной подложки

4. Присоединение кристалла балочными выводами (рис. 5). При этом методе используют технологии термокомпрессионной и ультразвуковой микросварки балочных выводов к периферийным контактным площадкам на кристалле и затем — балочных выводов к подложке.

Микрокорпуса

Дальнейшее развитие компоновки микросхем привело к возможности их размещения в корпусе, соизмеримом с размером кристалла, — в микрокорпусах. В английской терминологии они называются и Chip Scale Package — CSP, и Chip Size Package — CSP, а также ^BGA и, наконец, Slightly Larger than an IC Carier — SLICC («слегка больше кристалла микросхемы»). На рис. 6 можно видеть, что это действительно так. Размер микрокорпуса |iBGA, как правило, не превышает 20% относительно размера кристалла.

Металлопокрытие

Кристалл микросхемы

Л Эластомер /

•   ; s  *

Монтажная подложка (Р1?-4, Р1?-5, ВТ) Теплоотводы Паяльная маска Шарики припоя

Силикон Паяльная маска Шариковые выводы

Рис. 6. Компоновка микрокорпуса ^BGA

Разновидность компоновки под названием цВОЛ (рис. 6) представляет собой микрокорпус, в который уложен кристалл микросхемы. Для демпфирования кристалла на него наносится какой-либо нейтральный, стойкий к нагреванию эластомер (например, силикон). На нем размещается полиимидный носитель межсоединений типа ТАВ. Хвостовики носителя развариваются на периферийных выводах кристалла микросхемы. На поле носителя размещается матрица контактных площадок с покрытием №Ли. В таком виде микросхемы тестируются и затем поставляются потребителю. По заказу на контактные площадки напаиваются шариковые выводы. Современные достижения обеспечивают диаметр шариков 85 мкм, шаг выводов в матрице — 1,27 мм, 1,0 мм, 0,8 мм, 0,65 мм, 0,5 мм. Размер микрокорпуса всего лишь на 0,3 мм больше размера кристалла.

SLICC-корпус использует в качестве монтажной подложки стеклоэпоксидное основа-

Рис. 7. SLICC-корпус

ние (рис. 7). Соединение кристалла с подложкой осуществляется через шарики выводов, размещенных непосредственно на поверхности кристалла микросхемы. Современные принтеры позволяют точно позиционировать и нормировать дозы паяльной пасты на полупроводниковые пластины («вафли»), на которых после оплавления образуются шарики припоя. Они используются для монтажа кристалла на стеклоэпоксидной подложке. По существу, монтажная подложка в SLICC-корпусах служит для увеличения шага выводов от микросхемы к плате. В этом конструктивном решении ничем не компенсируются разные коэффициенты температурного расширения. Вместо этого разнородную систему скрепляют подливом компаунда в пространство между кристаллом и подложкой.

Непосредственный монтаж кристаллов на плату

Потребности в уменьшении массы и габаритов конструкций электронной аппаратуры обусловили интерес к методам непосредственного монтажа кристаллов микросхем на плату (DCA — Direct Chip Attach): это «кристалл на плате» — СОВ (Chip-on-Board) или многокристальные модули (MCM — Multi-Chip-Module).

При оценке возможности использования этих методов необходимо вновь принимать во внимание разные температурные коэффициенты расширения кристаллов из кремния и монтажной подложки. Кроме прямого решения этой проблемы — выбора соответствующего материала подложки, используется и другой путь: заливка эпоксидной смолой пазухи, разделяющей кристалл и плату (рис. 8). Подобный прием позволяет выровнять деформации кристалла и подложки и за счет этого существенно улучшить надежность таких сборок.

При непосредственной установке кристаллов на монтажные подложки не всегда есть возможность предварительно убедиться в их правильной работе до их монтажа на подложку. К настоящему времени существует несколько технологий для решения этой проблемы. В зарубежной терминологии она имеет название — «заведомо исправный кристалл» (KGD — Known Good Die). Один из путей ее решения — использование микрокорпусов,

w ш w w ш

Печатная плата I

Печатная плата

Нанесение флюса и размещение

Пайка оплавлением припоя

ИМС

О п О п О

Печатная плата

Г ерметизация

Рис. 8. Последовательность операций при установке кристалла на плату

размеры которых лишь ненамного превышают размеры кристалла. Но это позволяет выполнить функцию защиты от внешней среды и перераспределить выводы кристалла на матрицу выводов микрокорпуса. В свою очередь, применение микрокорпусов позволяет тестировать микросхему до установки ее на монтажную подложку. На микросхемах с программируемой логикой (ПЛИС) создается возможность программировать их пережиганием перемычек в соответствии с задуманной схемой. Типовой пример микрокорпусов — CSP-корпус (CSP — Chip-Scale Packaging).

Поскольку для некоторых CSP-корпусов шаг матричных выводов составляет 0,5 мм (0,020 дюйма) и менее, требуется использование специальных технологий производства печатных плат, позволяющих обеспечить разводку сигнальных цепей в узких пространствах между элементами монтажного поля.

Многокристальные модули

Многокристальные модули относились, до начала 1990-х, к области космической и военной технологии и высококачественной компьютерной промышленности. Первой преуспела в практическом использовании МСМ фирма IBM при организации производства

Таблица 1. Современные представления о многокристальных модулях

Технологии Параметр мем^ мем-е мем^

Тип подложки Рис. 10 Рис. 11 Рис. 12

Материал Стеклоэпоксидный композит Алюминий, нитрид алюминия Полиимид на керамике,силикон, алюминий

Технология металлизации Фольгированные диэлектрики Толстопленочные подложки Тонкопленочные подложки

Материал металлизации Си W, Мо Си

Ширина проводников, мкм 75-750 90-125 15

Ширина зазоров, мкм 100-1000 125-375 25

Минимальный диаметр глухих отверстий, мм 0,3 0,13 0,025

Минимальный шаг глухих отверстий, мм 0,6 0,225 0,050

Толщина слоев, мм 0,36 0,15 0,006

серии ЭВМ четвертого поколения. В качестве монтажного и теплоотводящего основания использовались многослойные керамические платы. Специально для этого был построен завод по их производству. Большой объем работ сегодня ведется в Германии, в частности, в Ростокском университете и Техническом университете в Берлине, где за счет использования технологий МСМ увеличивается компоновка не только в плоскости модуля, но и по его вертикали (рис. 9).

В 1990-х годах использование МСМ было единственным решением по увеличению интеграции и соответствующему повышению функциональности аппаратуры. Тогда вложения в создание многокристальных модулей были меньше, чем инвестиции в микроэлектронику.

Но в дальнейшем развитие электроники пошло по ставшему уже традиционным пути — по пути увеличения интеграции микросхем, что повлекло громадные вложения в их

производство. Эти тенденции прослеживаются и сейчас. Построенные в Юго-Восточной Азии фабрики микросхем с топологическим разрешением 0,065 мкм и 0,093 мкм пока не до конца загружены. Поэтому сегодня усилия сосредоточены на проектах, которые бы использовали возможности развивающегося микроэлектронного производства.

Тем не менее, проекты МСМ прорабатываются всерьез там, где другие пути интеграции по тем или другим причинам не доступны.

Главная трудность в создании МСМ — сложности в тестировании кристаллов микросхем. Если вероятность попадания в состав трехкристального модуля равна 95% годных микросхем, выход годных МСМ составляет 85,7%. Далее встает вопрос идентификации годных и негодных компонентов модуля. Рентабельность производства МСМ напрямую связана с вероятностью годных микросхем.

Во всяком случае, самая дорогая часть МСМ — основание (подложка). В таблице 1

показаны варианты исполнения монтажных оснований МСМ. Вариант МСМ^ предпочтителен с позиций экономичности.

Печатные платы

Существующие технологии производства печатных плат способны обеспечить монтаж выводов бескорпусных микросхем, если он выполняется по технологии термокомпрессионной сварки или с использованием ленточных носителей (ТАВ-технологии). При таком решении трудности защиты открытых кристаллов микросхем возникают при кор-пусировании электронных модулей, но это решение все еще остается одним из наиболее эффективных методов монтажа бескорпус-ных микросхем.

При использовании корпусов с малым шагом матричных выводов ситуация усложняется тем, что сигнальные связи от внутренних выводов матрицы необходимо вывести между контактными площадками матрицы. При этом имеется возможность провести между контактными площадками один, максимум — два проводника. Поэтому в большинстве случаев проводники от внутренних выводов матрицы проводятся по внутренним слоям многослойных печатных плат.

Традиционные технологии многослойных печатных плат методом металлизации сквозных отверстий не позволяют осуществлять монтаж микросхем с матричными выводами с шагом менее 1,0 мм (0,040 дюйма). Но уже созданы корпуса микросхем типа CSP с шагом матричных выводов 0,508 мм (0,020 дюйма) и 0,254 мм (0,010 дюйма). Для монтажа таких компонентов к МПП добавляются специальные слои с глухими металлизированными

отверстиями, на которых реализуется разводка цепей из-под микрокорпусов или из-под бескорпусных кристаллов микросхем.

Такие тонкие дополнительные специализированные слои напрессовываются на МПП, после чего в них выполняются глухие металлизированные отверстия. Поэтому этот метод за рубежом получил название (буквально) «напрессованная на поверхность схема», или SLC (Surface Laminar Circuit). И хотя в России для этого метода пока нет установившегося термина, можно видеть, что в нем соединены метод металлизации сквозных отверстий и метод послойного наращивания. Значит, ему можно присвоить длинное название — «МПП с послойным наращиванием внешних слоев» или «МПП с глухими отверстиями», пока в среде российских специалистов не установится более лаконичное название.

Количество выводов и степень интеграции микросхем

При монтаже кристаллов на подложку корпуса и корпуса на монтажную подложку (плату) или при непосредственном монтаже кристалла на плату неизбежно увеличиваются используемые для этого площади. Это вызвано необходимостью выделения определенного физического пространства для размещения выводов. А число выводов подчиняется общей тенденции их увеличения с увеличением интеграции микросхем:

n = qNR,

где n — количество выводов, q — коэффициент связности микроэлементов в структуре микросхемы, N — степень интеграции микросхемы, R — показатель Рента [4].

В противоположность степени интеграции этот эффект называют степенью дезинтеграции, которая оценивается отношением

плотности микроэлементов, отнесенной к монтажной площади на плате, с их плотностью размещения на кристалле. Например, если кристалл процессора имеет размер 10x10 мм, а монтажное поле его корпуса на плате занимает площадь 4000 мм, такое конструктивное исполнение системы межсоединений характеризуется дезинтеграцией с числом 40. Каким значением оценивается матрица из 800 выводов? Периферийное расположение такого количества выводов с шагом 0,4 мм занимает монтажное поле площадью 8000 мм, значит, степень дезинтеграции такого конструктивного исполнения — 100.

Нужно заметить, что степень дезинтеграции растет по мере возрастания иерархического уровня конструкции: кристалл — микросхема — печатный узел — модуль — блок... Например, дезинтеграция в блоке может достигать 100 тыс.

В таблице 2. приведены данные грубой оценки дезинтеграции при использовании различных методов корпусирования и установки кристаллов микросхем процессора на монтажное основание (плату).

Таблица 2. Оценка дезинтеграции при переходе на следующий уровень межсоединений

Вариант монтажа или установки Площадь монтажного поля на подложке, мм Степень дезинтеграции

Кристалл 10x10 1

Flip-Chip 12,5x12,5 1,5

Wire-Bond 14x14 2

Flip-TAB 24x24 6

TAB 42x42 18

Flat-Pack 72x72 52

Корпус с периферийными выводами 105x105 110

Очевидно, что степени интеграции и дезинтеграции должны соответствовать техническому уровню развития производства. При стремлении выполнить конструкцию на предельных возможностях производства стоимость изделия станет неоправданно высокой из-за большого объема отходов на брак. Надежность таких конструкций тоже не будет гарантирована. Если же в производство поступит изделие, спроектированное по низким проектным нормам, то есть с большой степенью дезинтеграции (микросхема больших габаритов), его большая материалоемкость, низкая фондоотдача («из пушки по воробьям») также пагубно скажется на его себестоимости.

Заключение

Постоянная тенденция развития элементной базы — увеличение интеграции микросхем и общее увеличение плотности компоновки элементов и устройств электронной аппаратуры.

Основное средство решения этой задачи для активных компонентов — использование корпусов с матричной системой выводов.

Уже сейчас находят широкое применение компоненты в BGA-корпусах. Грядет распространение компонентов в микрокорпусах и многокристальных модулей.

Освоение плотной компоновки элементов должно сопровождаться развитием производства печатных плат для обеспечения соответствующей плотности межсоединений.

Литература

1. Медведев А. Электронные компоненты и монтажные подложки. Постоянная интеграция // Компоненты и технологии. 2006. № 12.

2. Медведев А. Печатные платы. Конструкции и материалы. М.: Техносфера. 2005.

3. Медведев А. Модели усталостных разрушений паяных соединений // Производство электроники. 2007. № 1.

4. Scheel W. Electronics Assembly Technology. Electro-chemical Publications Ltd. British Isles. 2004.