eng
Содержание
Введение ....................................................................................................15
Глава 1.
Электронные компоненты ...........................................................................17
1.1.
Тенденции – постоянная интеграция ....................................................17
Конструкции корпусов микросхем ................................................................22
1.3.
Непосредственный монтаж кристаллов на подложку ..........................26
1.4.
Микрокорпуса (CSP) ..............................................................................29
1.5.
Дискретные компоненты .......................................................................32
1.6.
Сопоставительная оценка компонентов ...............................................34
1.7.
Покрытия компонентов под пайку ........................................................35
1.8.
Материалы корпусов компонентов .......................................................37
1.9.
Упаковка компонентов ...........................................................................38
1.10.
Печатные платы ......................................................................................39
1.10.1.
Требования к печатным платам ..................................................39
1.10.2.
Материалы монтажных оснований ............................................41
1.10.3.
Металлизация отверстий ............................................................42
1.10.4.
Покрытия под пайку ...................................................................42
1.11.
Заказчик и производитель ......................................................................44
1.11.1.
P-CAD или GERBER? ................................................................45
1.11.2.
Рекомендации по конструированию печатных
плат применительно к автоматизированной сборке .................46
1.11.3.
Оформление конструкторской документации ..........................50
1.12.
Заключение .............................................................................................51
Литература .......................................................................................................52
Глава 2.
Физико-химические основы монтажной пайки .............................................53
2.1.
Классификация способов нагрева .........................................................53
2.2.
Процессы на границе раздела ................................................................53
2.2.1.
Первая стадия – адсорбция ........................................................53
2.2.2.
Вторая стадия – адгезия .............................................................55
2.2.3.
Третья стадия – смачивание .......................................................55
2.2.4.
Четвертая стадия – поверхностные реакции .............................56
2.2.5.
Пятая стадия – сцепление ..........................................................57
2.2.6.
Стадии физико-химического процесса пайки ..........................57
2.3.
Процессы нагрева при пайке .................................................................58
2.3.1.
Общие вопросы монтажной пайки ............................................58
2.3.2.
Пайка волной припоя .................................................................60
2.3.2.1.
Технологические этапы процесса волновой пайки .......60
2.3.2.2.
Блок флюсования ...........................................................61
2.3.2.3.
Предварительный нагрев ...............................................61
2.3.2.4.
Процесс пайки ................................................................61
2.3.2.5.
Охлаждение .....................................................................62
2.3.2.6.
Особенности пайки волной припоя ..............................62
2.3.3.
Инфракрасная пайка ..................................................................63
2.3.4.
Конвекционный нагрев ..............................................................67
2.3.5.
Конденсационная пайка ............................................................69
2.3.6.
Локальная пайка ........................................................................71
2.3.6.1.
Пайка паяльниками ........................................................71
2.3.6.2.
Пайка горячим газом ......................................................72
2.3.6.3.
Пайка сопротивлением ..................................................74
2.3.6.4.
Лучевая пайка .................................................................75
2.3.6.5.
Лазерная пайка ...............................................................76
2.4.
Выбор методов нагрева для монтажной пайки .....................................78
2.5.
Типичные дефекты пайки ......................................................................78
2.5.1.
«Холодные» пайки ......................................................................78
2.5.2.
Растворение покрытий ...............................................................81
2.5.3.
Отсутствие смачивания ..............................................................81
2.5.4.
Растворение покрытий ...............................................................84
2.5.5.
Интерметаллические соединения ..............................................85
2.5.6.
Эффект «надгробного камня» ....................................................86
2.5.7.
Сдвиг компонента .......................................................................89
2.5.8.
Отток припоя ..............................................................................90
2.5.9.
Образование перемычек .............................................................92
2.5.10.
Отсутствие электрического контакта .........................................93
2.5.10.1.
Эффект подушки ..........................................................93
2.5.10.2.
Другие виды отсутствия электрического контакта ......93
2.5.10.3.
Отслаивание галтели .....................................................94
2.5.11.
Образование шариков припоя ...................................................94
2.5.12.
Образование пустот ....................................................................96
2.6.
Заключение .............................................................................................97
Литература .......................................................................................................98
Глава 3.
Материалы для монтажной пайки ...............................................................99
3.1.
Низкотемпературные припои ................................................................99
3.1.1.
Диаграмма сплавов олово-свинец ...........................................100
3.1.2.
Примеры других мягких припоев.............................................102
3.1.3.
Загрязнения припоев ...............................................................102
3.1.4.
Составы припоев.......................................................................104
3.2.
Припои для бессвинцовой пайки ........................................................107
3.2.1.
Существо бессвинцовой пайки ................................................107
3.2.2.
Бессвинцовые припои ..............................................................107
3.2.3.
Финишные покрытия для бессвинцовой пайки .....................110
3.2.4.
Проблемы бессвинцовой пайки ...............................................110
3.3.
Флюсы для монтажной пайки ..............................................................111
3.3.1.
Назначение флюсов ....................................................................111
3.3.2.
Составы флюсов ..........................................................................111
3.3.2.1.
Классификация флюсов ...............................................111
3.3.2.2.
Флюсы на синтетической основе .................................114
3.3.3.
Типы флюсов .............................................................................115
3.3.4.
Активаторы ...............................................................................116
3.3.5.
Растворители во флюсах и пастах ............................................117
3.3.6.
Реологические добавки.............................................................117
3.3.7.
Остатки флюсов ........................................................................117
3.3.8.
Применение флюсов ................................................................119
3.3.9.
Проверка правильности выбора припоя,
флюса, температуры и времени пайки .....................................119
3.4.
Паяльные пасты ....................................................................................120
3.4.1.
Требования к паяльным пастам ................................................120
3.4.2.
Составы паяльных паст ............................................................121
3.4.3.
Гранулированный припой в паяльных пастах .........................125
3.4.4.
Флюсы в паяльных пастах ........................................................128
3.4.5.
Остатки флюсов ........................................................................129
3.4.6.
Заключение ...............................................................................130
3.5.
Клеи.......................................................................................................130
3.5.1.
Механизмы полимеризации клеев ...........................................130
3.5.2.
Назначение клеев в сборочно-монтажных процессах ............132
3.5.3.
Прочность клеевого соединения ..............................................133
3.5.4.
Влагоустойчивость клеев ..........................................................134
3.5.5.
Требования к поверхностному сопротивлению ......................134
3.5.6.
Клеевые композиции ................................................................135
3.5.6.1.
Связующие ....................................................................135
3.5.6.2.
Наполнители .................................................................136
3.5.6.3.
Пластификаторы ..........................................................136
3.5.6.4.
Тиксотропные добавки .................................................136
3.5.6.5.
Стабилизаторы ..............................................................136
3.5.6.6.
Красители .....................................................................137
3.5.6.7.
Прочие добавки ............................................................137
3.6.
Растворители.........................................................................................137
3.6.1.
Жидкости для отмывок от загрязнений плат ...........................137
3.6.2.
Вода как растворитель ..............................................................138
3.6.3.
Органические растворители .....................................................139
3.6.4.
Смеси растворителей ................................................................140
3.6.5.
Пожаро- и взрывоопасность органических растворителей ....141
3.6.6.
Антипирены ..............................................................................142
3.7.
Заключение ...........................................................................................142
Литература .....................................................................................................143
Глава 4.
Монтажная микросварка .......................................................................... 144
4.1.
История сварки .....................................................................................144
4.2.
Место микросварки в производстве электроники ..............................145
4.3.
Механизм образования сварного шва .................................................146
4.4.
Термокомпрессионная микросварка ...................................................147
4.5.
Ультразвуковая сварка .........................................................................152
4.6.
Микросварка расщепленным электродом ..........................................153
4.7.
Точечная электродуговая сварка .........................................................154
4.8.
Сварка микропламенем ........................................................................155
4.9.
Лучевая микросварка ............................................................................156
Литература .....................................................................................................158
Глава 5.
Непаяные методы неразъемных соединений ............................................... 159
5.1.
Принципы непаяных соединений .......................................................159
5.2.
Монтаж соединений накруткой ...........................................................160
5.2.1.
Контактное соединение накруткой .........................................160
5.2.2.
Конструкции соединений накруткой ......................................163
5.2.3.
Закрепление и прочность соединительных штырей ...............165
5.2.4.
Технология накрутки ...............................................................165
5.2.5.
Современное применение накрутки ........................................167
5.3.
Соединение скручиванием и намоткой ...............................................168
5.4.
Винтовое соединение ...........................................................................168
5.5.
Зажимное соединение сжатием («термипойнт») .................................169
5.5.1.
Соединительный штырь ...........................................................169
5.5.2.
Провод .......................................................................................169
5.5.3.
Зажим – клипса ........................................................................170
5.6.
Соединение с помощью спиральной пружины ...................................170
5.7.
Клеммное соединение прижатием.......................................................170
5.8.
Соединения обжатием ..........................................................................171
5.9.
Эластичное соединение («зебра») ........................................................172
5.10.
Соединения врезанием .........................................................................173
5.11.
Соединение проводящими пастами ....................................................174
5.12.
Соединения типа Press-Fit ...................................................................178
5.12.1.
Обусловленность появления и применения Press-Fit .............178
5.12.2.
Элементы Press-Fit ....................................................................181
5.12.2.1.
Контактные штыри .....................................................181
5.12.2.2.
Сквозные металлизированные отверстия ..................182
5.12.2.3.
Механизм образования соединения ..........................184
5.12.3.
Техника межсоединений на основе технологий Press-Fit .......187
5.12.4.
Прочность соединений Press-Fit ..............................................188
5.12.5.
Проблемы технологии запрессовки .........................................189
5.13.
Заключение ...........................................................................................189
Литература .....................................................................................................192
Глава 6.
Технология сборки и монтажа электронных модулей .................................. 193
6.1.
Поверхностно монтируемые изделия (SMD-компоненты) ................194
6.1.1.
Чип-резисторы ..........................................................................194
6.1.2.
Резисторы MELF ......................................................................195
6.1.3.
Чип-конденсаторы ...................................................................195
6.1.4.
Чип-индукторы .........................................................................196
6.1.5.
Дискретные полупроводниковые компоненты .......................196
6.1.6.
Интегральные схемы ................................................................196
6.2.
Разнообразие типов компоновок .........................................................198
6.2.1.
Классификация типов сборок ..................................................198
6.2.1.1.
Тип 1. Установка компонентов с одной стороны ........198
6.2.1.2.
Тип 2. Установка компонентов с двух сторон ..............199
6.2.3.
Маршруты сборки и монтажа...................................................200
6.2.3.1.
Последовательность сборки типа 1A ...........................201
6.2.3.2.
Последовательность сборки типа 1В ...........................201
6.2.3.3.
Последовательность сборки типа 1С ...........................201
6.2.3.4.
Последовательность сборки типа 2А ...........................201
6.2.3.5.
Последовательность сборки типа 2В ...........................202
6.2.3.6.
Последовательность сборки типа 2C ...........................203
6.2.3.6.
Последовательность сборки типа 2D ...........................203
6.3.
Технологии пайки при поверхностном монтаже .................................203
6.3.1.
Пайка волной ............................................................................203
6.3.2.
Пайка оплавлением ..................................................................204
6.3.3.
Преимущества технологии с использованием
паяльной пасты при поверхностном монтаже .........................205
6.4.
Последовательность сборки и монтажа ...............................................206
6.4.1.
Схема процесса ............................................................................206
6.4.2.
CAD-CAM – системы .................................................................209
6.4.3.
Хранение и подготовка компонентов ........................................209
6.4.4.
Нанесение паяльной пасты на контактные площадки плат ...211
6.4.4.1.
Диспенсорный метод нанесения припойной пасты ..211
6.4.4.2.
Трафаретный метод нанесения припойной пасты ......213
6.4.4.3.
Трафаретный метод нанесения припойной пасты ......221
6.4.5.
Нанесение клеев (адгезивов) ....................................................222
6.4.6.
Установка компонентов ............................................................225
6.4.6.1.
Прототипное производство ..........................................225
6.4.6.2.
Принципы установки компоновки ..............................225
6.4.6.3.
Управление точностью установки ................................226
6.4.6.4.
Питатели .......................................................................227
6.4.6.5.
Источники ошибок .......................................................228
6.4.6.6.
Обновление оборудования ...........................................228
6.4.6.7.
Выбор установщиков ....................................................229
6.5.
Пайка ....................................................................................................229
6.5.1.
Термопрофиль ...........................................................................229
6.5.2.
Методы нагрева .........................................................................232
6.5.3.
Требования, предъявляемые к печам пайки оплавлением ......233
6.6.
Очистка .................................................................................................234
6.7.
Материалы лаковых покрытий ............................................................239
6.8.
Тестирование ........................................................................................241
6.9.
Инженерное обеспечение производства .............................................242
6.9.1.
Одежда персонала .....................................................................242
6.9.2.
Очистка воздуха ........................................................................243
6.9.3.
Термостабилизация ...................................................................245
6.9.4.
Управление влажностью ...........................................................245
6.9.5.
Вытяжная вентиляция ..............................................................245
6.9.6.
Уровень шума и вибрации ........................................................246
6.9.7.
Магнитные и электромагнитные поля.....................................246
6.9.8.
Электростатический заряд в воздухе и на поверхности .........246
6.10.
Сертификация сборочно-монтажного производства по ИСО 9000 ...247
6.10.1.
Общие положения ....................................................................247
6.10.2.
Входной контроль материалов и комплектующих ..................248
6.10.3.
Технологическая документация ...............................................248
6.10.4.
Контрольные операции ............................................................249
6.10.5.
Метрологическое обеспечение .................................................249
6.10.6.
Идентификация продукта ........................................................250
6.10.7.
Система качества .....................................................................250
6.10.8.
Аттестация технологического оборудования и оснастки ........251
6.10.9.
Аттестация персонала ...............................................................251
6.10.10.
Анализ дефектов и отказов ......................................................251
6.10.11.
Контроль функционирования системы качества ...................252
6.10.12.
Испытания продуктов .............................................................252
6.10.13.
Процедуры сертификации ......................................................253
6.11.
Заключение ...........................................................................................255
Литература ...............................................................................................255
ВВЕДЕНИЕ
Электроника, информационные технологии, средства коммуникаций стали
технической базой высоких технологий. Ядром этих технологий являются
технические и программные средства обработки информации и вычислений.
Вооруженность этими средствами, полнота их использования определяет об-
лик современного общества.
Со времен создания первых средств информационной и вычислитель-
ной техники (электронных, магнитных, релейных, пневматических, хи-
мических, оптических) главная тенденция развития этой техники состоит
в стремлении к микроминиатюризации и повышению функциональности ее
компонентов. Эта тенденция проявилась в изобретении транзисторов с пос-
ледующей их интеграцией в микросхемы. Успехи технологии полупровод-
никовых микросхем создали для микроэлектроники приоритет над другими
принципами обработки информации и вычислений. Только в средствах ком-
муникации электроника уступает волоконно-оптической технике. Но в об-
работке информации электронный принцип довлеет над другими.
Постоянное совершенствование микроэлектронной технологии, рост
сте пени интеграции микросхем, увеличение функциональной насыщен ности
электронной аппаратуры, повышение производительности вычислительных
процессов требуют постоянного роста плотности печатного монтажа, ос-
воения новых технологий сборочно-монтажного производства, улучшения
мер технологического обеспечения надежности. Современные требования
к электронным приборам и оборудованию заставляют эти процессы идти со
все возрастающей скоростью.
Кардинально изменился подход к созданию электронной аппаратуры,
которая должна одновременно обеспечивать высокое быстродействие, рас-
ширенный динамический диапазон, относительно малое энергопотребле-
ние, высокую чувствительность, повышенную стойкость к воздействию вне-
шних факторов.
Постоянно увеличивается сложность конструкций средств информаци-
онной и вычислительной техники. При этом все больше усложняются техно-
логии их реализации. Совершенствование известных технологий сопровож-
дается привлечением новых, без которых сегодня невозможно изготовить
сложный электронный узел. Растущие конструктивно-технологические
требования к электронной аппаратуре особенно четко установились именно
в области информационной и вычислительной техники, поскольку увеличе-
ние производительности процессов обработки информации и вычислений
находится в непосредственной зависимости от плотности межсоединений,
так как время переключения элементов интегральных схем стало соизме-
римым с временами задержки сигналов в линиях связи. Можно сказать, что
основная тенденция развития технологий производства информационной
и вычислительной техники – увеличение плотности межсоединений вслед
за увеличением интеграции и миниатюризации электронных компонентов.
В отечественной и зарубежной практике ведется непрерывный поиск
новых и совершенствование известных методов межсоединений. Ежемесяч-
но публикуются сотни патентов, описывающих новые процессы и операции,
претендующих на новое слово в технологиях электронной аппаратуры. Среди
достижений в технологии монтажа появлялись и методы, изобретение кото-
рых сопровождалось значительной рекламой, но на практике они оказались
маловыгодными или ненадежными либо нашли ограниченное применение.
Ежегодные международные конференции, симпозиумы по международной
стандартизации, практика производства, дискуссии специалистов способс-
твуют отбору выверенных решений, на основе которых родились базовые
технологии. Именно для базовых общепринятых технологий разрабатыва-
ются стандарты, оборудование и материалы. На их основе строятся новые
производства с многомиллионными вложениями капитала.
Конечно, как сказал один мудрец: «Если бы человечество придержи-
валось мнения большинства, Земля до сих пор плавала бы на трех китах».
Но технология традиционно наиболее консервативная отрасль техники, она
не терпит революций и развивается эволюционно. Промышленное освоение
новых технологических принципов обходится слишком дорого, чтобы пере-
страивать под них производство без предварительного опробования в техно-
логических лабораториях.
Сегодня, в условиях рыночной экономики, особенно важно проявлять
профессионализм в инвестировании производства, поскольку каждая даже,
казалось бы, малозначительная ошибка может привести к большим эконо-
мическим потерям. В этом принципиальное отличие нашего времени от пре-
дыдущего периода затратной экономики, мало считавшейся с потерями ради
дальней цели.
Производство средств информационной и вычислительной техники
относится к высоким технологиям, требующим от специалистов высокой
степени профессионализма. Безусловно, эта книга может служить лишь вве-
дением в технологию электроники. Жизнь показывает, что успеха достигают
лишь те специалисты-технологи, которые постоянно пополняют свою ин-
формационную базу, смело и обдуманно идут на эксперимент и в практике
производства приобретают столь ценный опыт, позволяющий им уверенно
чувствовать себя в управлении производством.
Тема сборочно-монтажного производства непосредственно связана
с тех нологиями печатных плат. Им посвящены соответствующие издания
[1–5] и многочисленные публикации в популярных журналах [6–10].
ЭЛЕКТРОННЫЕ
КОМПОНЕНТЫ
1.1. Тенденции – постоянная интеграция
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 необ-
ходимость в увели чении количества их выводов на корпусе на 40% в год.
Казалось бы, с увеличением интеграции микросхем количество внешних
межсоединений и, соответственно, выводов должно было бы уменьшаться.
Однако выведенное давным-давно инженером фирмы IBM правило Рента
[1] до сих пор оказывается справедливым для развивающейся элементной
базы:
n = kNR,
где n – количество выводов микросхемы, k – среднее число межсоединений,
приходящихся на один логический элемент микросхемы (k = 3…4), N – ко-
личество логических элементов, R – соотношение Рента (например, для про-
цессоров R = 0,5…0,74).
Поэтому растет спрос на новые методы корпусирования (конструкции
выводов), а вслед за этим – на увеличение плотности межсоединений на пе-
чатной плате. Этот спрос обусловлен стрем-
лением уменьшить дезинтеграцию актив-
ных компонентов при переходе на очеред-
ной иерархический уровень межсоедине-
ний в аппаратуре: кристалл микросхемы,
корпус микросхемы, монтажное поле для
размещения выводов и соединений на пе-
чатной плате, печатный узел (электронный
модуль), электронный блок, системный
блок… На уровне печатного узла степень
дезинтеграции можно было бы характери-
зовать соотношением площадей кристал-
ла (S1), корпуса (S2) и монтажного поля на
плате (S3):
S1
S2
S3
Рис. 1.1. Площади кристалла (S1),
корпуса (S2) и монтажного поля на
плате (S3)
01_chapter1.indd 101_chapter1.indd 17 11.05.2007 8:39:15
18
Q1 = S3 / S1, когда выводы микросхемы находятся за внешним перимет-
ром корпуса,
Q2 = S2 / S1, когда выводы и монтажное поле целиком находятся под кор-
пусом (рис. 1.1).
Например, если кристалл процессора имеет размер 10×10 мм, а мон-
тажное поле его корпуса на плате занимает площадь 4000 мм, такое конс-
труктивное исполнение системы межсоединений характеризуется дезин-
теграцией с числом 40. Этой цифрой оценивается матрица из 800 выводов.
Периферийное расположение такого количества выводов с шагом 0,4 мм за-
нимает монтажное поле площадью 10 000 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
цифры 100 тыс.
В табл. 1.1 приведены данные грубой оценки дезинтеграции при ис-
пользовании различных методов корпусирования и установки кристаллов
микросхем процессора на монтажное основание (плату).
Таблица 1.1. Оценка дезинтеграции при переходе на следующий уровень межсоединений
Вариант монтажа
или установки
Площадь монтажного
поля на подложке, мм
Степень дезинтеграции
Кристалл 10×10 1
Flip-Chip 12,5×12,5 1,5
Wire-Bond 14×14 2
Flip-TAB 24×24 6
TAB 42×42 18
Flat-Pack 72×72 52
Корпус с перифе-
рийными выводами
105×105 110
Очевидно, что степени интеграции и дезинтеграции должны соответ-
ствовать техническому уровню развития производства. При стремлении вы-
полнить конструкцию на предельных возможностях производства стоимость
изделия станет неоправданно высокой из+за большого объема отходов на
брак. Надежность таких конструкций также не будет гарантирована. Если же
в производство поступит изделие, спроектированное по низким проектным
нормам, т.е. с большой степенью дезинтеграции (больших габаритов), его
большая материалоемкость, низкая фондоотдача («из пушки по воробьям»)
также пагубно скажется на его себестоимости.
Глава 1. Электронные компоненты
Но эти соотношения справедливы только для микросхем с одинаковым
уровнем интеграции. А поскольку процессы увеличения плотности активных
компонентов микросхем и увеличение плотности монтажного поля корпусов
микросхем идут параллельно, более справедливо демонстрировать процессы
увеличения плотности монтажа количеством выводов, размещаемых на опреде-
ленной площади монтажного поля печатной платы, как показано на рис. 1.2.
В результате общих тенденций площадь монтажных подлож ек умень-
шается примерно на 7%, а физические размеры электронной аппаратуры –
на 10–20% в год. Эта тенденция поддерживается непре рывным увеличением
плотности межсоединений за счет уменьшения монтажных поверхностей
вместе с увеличением количества выводов, и вслед за этим уменьшаются эле-
менты присоединения, шаг и конструкции выводов компонентов.
Таблица 1.2. Численные характеристики МПП (см. рис. 1.27)
Символ Наименование параметра
Минимальный размер, мм
Сегодня Завтра Послезавтра
Характеристики рисунка
А
Ширина проводника
на внешней поверхности 0,1 0,075 0,05
В Зазор на внешней поверхности 0,1 0,085 0,062
С
Ширина проводника
на внутреннем слое 0,1 0,075 0,025
D Зазор на внутреннем слое 0,1 0,085 0,062
Характеристики сквозных отверстий
H
Диаметр сверления
сквозного отверстия 0,25 0,2 0,15
I
Контактные площадки
сквозного отверстия 0,48 0,35 0,3
Отношение толщины платы к диамет-
ру сквозного сверления 10 15 20
0
0
DIL PLCC
QFP
COB
Количество выводов
Площадь монтажного поля, см2
20 40 60 80 100 120 140 160
5
10
15
Рис. 1.2. Размер монтажного поля для размещения выводов кор-
пусов различных конструкций
1.1. Тенденции – постоянная интеграция
Символ Наименование параметра
Минимальный размер, мм
Сегодня Завтра Послезавтра
Характеристики глухих отверстий
Е Диаметр глухого отверстия 0,1 0,075 0,025
F
Контактная площадка основания глу-
хого отверстия 0,25 0,2 0,05
G
Контактная площадка входа глухого
отверстия 0,3 0,25 0,05
J
Отношение глубины к диаметру глухо-
го отверстия = 1 = 1 = 1
K Диаметр верхнего глухого отверстия 0,175 0,15 0,075
L Диаметр нижнего глухого отверстия 0,1 0,075 0,025
Р
Контактная площадка верхнего глухо-
го отверстия 0,375 0,325 0,25
Характеристики слепых (скрытых) отверстий
М
Диаметр металлизированного
слепого отверстия 0,2 0,15 0,1
N Диаметр сверления слепого отверстия 0,25 0,2 0,15
О
Контактные площадки слепого от-
верстия 0,48 0,35 0,3
В конце 80+х гг. прошлого столетия в производстве электроники на-
чалась своеобразная революция – переход на технологии поверхностного
монтажа. Тогда казалось, что она полностью вытеснит монтаж выводов
в отверстия. Но, как выяснилось, это не всегда возможно: крупные эле-
менты (конденсаторы большой емкости, разъемы, трансформаторы и др.)
удобнее монтировать выводами в отверстия. Поэтому развитие технологий
идет не столько за счет вытеснения компонентов с выводами для пайки в
отверстия, сколько за счет увеличения доли компонентов поверхностного
монтажа.
До последнего времени подавляющее большинство конструкций кор-
пусов микросхем использовало периферийную систему выводов. Развитие
технологий корпусирования и монтажа таких компонентов дошло до свое-
го предела: плотность расположения периферийных выводов достигла шага
0,4 мм (в редких случаях – 0,3 мм). Поэтому в 90+е гг. началась очередная
революция в технике монтажа – переход к матрице выводов. Чтобы еще
и в матричных корпусах увеличить плотность монтажа, шаг сетки выводов
постоянно уменьшается: недавно он был 1,0 мм, потом он стал 0,8 мм, те-
перь назревает шаг 0,5 мм.
За этим следует уменьшение элементов печатного монтажа: ширины
проводников и зазоров, отверстий и контактных площадок, пространствен-
ного (послойного) распределения межслойных переходов за счет исполь-
зования сквозных, глухих, слепых отверстий. Все это серьезно влияет на
Таблица 1.2. Окончание.
Глава 1. Электронные компоненты
облик сборочно+монтажного производства: оно все в большей мере стано-
вится автоматическим, вручную многие компоненты невозможно ни уста-
новить, ни припаять. Поэтому увеличивается стоимость основных фондов
сборочно+монтажного производства, но уменьшается объем прямых затрат,
приходящихся на единичный логический элемент микросхем, сокращается
цикл производства. В свою очередь, печатные платы, как монтажные под-
ложки для SMT+компонентов, становятся сложнее и дороже, но за счет уве-
личения функциональности электронных изделий стоимость выполняемых
ими функций становится в конечном итоге меньше.
Зримо идет сращивание кристаллов микросхем с монтажной подложкой
без промежуточного монтажа кристалла в корпус, которое вскоре должно
завершиться созданием технологии многокристальных модулей. По сущес-
тву ее реализация возможна уже сегодня. Но тут вступают в силу проблемы
теплоотвода: чем выше плотность размещения кристаллов на подложке, тем
выше удельная плотность тепловыделений – следствия неизбежного рассеи-
вания мощности. Без эффективного теплоотвода многокристальный мо-
дуль попросту перегреется и сгорит. Совмещение электрических и тепловых
структур в одной монтажной подложке – назревшая задача современного
конструирования электронной аппаратуры.
Рис. 1.3 достаточно наглядно демонстрирует эволюцию и разнообразие
корпусов и монтажных подложек, чтобы понять, что сегодня не сформиро-
вались еще устойчивые, всех удовлетворяющие решения, из которых можно
было бы выбрать ограниченный ряд конструкций, чтобы можно было огра-
ничить разнообразие технологий для их реализации.
1997 г.
DIP
SO SOJ
TFP
VSO
FC
MCM
COB
CSP
Тонкий кремний
COF/FCOB
WLP
FC+MCM
TB+BGA MC+BGA
LC+TB+BGA Многоуровневые
модули
Многоуровневый CSP
VSI
Чип в полимере
Sy+CSP
ULC+CSP
Polytronic
Flex+Sys
BGA SQFP
PGA QFP
CCC
1999 г.
1998 г.
с 2000
по 2004 гг.
VTFP V+PAK Многоуровневые
чипы
Рис. 1.3. Эволюция корпусов микросхем
1.1. Тенденции – постоянная интеграция
01_chapter1.indd 21 11.05.2007 8:39:16
22
1.2. Конструкции корпусов микросхем
С самого начала кристаллы микросхем помещали внутрь керамиче ских или
пластмассовых корпусов. Примерно до 1986 г. все корпуса мик росхем име-
ли выводы, предназначенные для монтажа в металлизирован ные отверстия
СС
Chip Carrier
Обозначение Примеры
СY
Cylinder
DB
Disk Button
FP
Flatpack
PF
Press Fit
PM
Post/Stud
mount
SO
Small
Outline
SS
Special
Shape
PQCC PQCC
(PLCC)
PQCC
(CLCC)
PQCC
(CLCC)
MBCY MBCY PBCY
PADB
CQFP
MUPF
CDFP PQFP
LRDB GRDB PRDB
MUPM
PDSO PDSO PSSO
MUPM CRPM
PDBS
Рис. 1.4. Обозначение конструкций корпусов микросхем
Глава 1. Электронные компоненты
01_chapter1.indd 22 11.05.2007 8:39:16
23
(РТН — Plated Through-hole — металлизированное отвер стие) печатной пла-
ты и последующей пайки. Позднее, с увеличением интеграции, их выводы
стали делать в форме, при годной для технологии поверхностного монтажа
(SMT — Surface Mounting Technology), ставшей преобладающей технологией
монтажа электронных компонентов.
На промежуточном этапе развития технологий монтажа получили рас-
пространение корпуса микросхем, пригодные как для монта жа в отверстие,
так и для поверхностного монтажа.
Основными типами корпусов микросхем в зависимости от расположе-
ния их выводов (рис. 1.4) являются:
• корпуса с периферийным расположением выводов, когда выводы рас-
положены по краям кристалла или корпуса микросхемы;
• корпуса с матричным расположением выводов.
Большинство типов микросхем имеют периферийное расположение
выводов. Шаг периферийных выводов ограничен 0,3 мм (практически –
0,4…0,5 мм), что позволяет микросхемам с корпусами больших размеров
иметь до 500 вы водов. Но нужно принять во внимание, что при шаге вы-
водов меньше 0,5 мм выход годных изделий резко снижается, уменьшается
прочность контактных узлов, увеличивается вероятность появления пере-
мычек припоя между выводами, травмирования изоляционных зазоров.
Разнообразие форм выводов показано на рис. 1.5.
B S N
D U R
G C T
J F W
P H
BUTT
“C” BEND
SOLDER LUG
FLAT
GULL WING
HULL+CURRENT CABLE
“J” BEND
NO LEAD
PIN/PEG
WRAPAROUND
“S” BEND
THROUGH+HOLE
“J” INVERTED
КОРПУС КОМПОНЕНТА ЭЛЕМЕНТ ПРИСОЕДИНЕНИЯ
WIRE
Рис. 1.5. Обозначение выводов микросхем
1.2. Конструкции корпусов микросхем
01_chapter1.indd 201_chapter1.indd 23 11.05.2007 8:39:16
24
Наибольшее распространение получили плоские L+образные выводы типа
«крыла чайки», «крыла альбатроса», I+образные и J+образные выводы, которые
за счет изгиба компенсируют тепловые и механические деформации (рис. 1.6).
Корпус с J+образными выводами (рис. 1.7) занимает на ПП меньше мес-
та, устойчив при транспортировке, хорошо согласуется с различными упа-
ковками, корпуса не застревают в механизмах подачи автоматов установки
микросхем на ПП. Основной недостаток этих выводов – сложность визуаль-
ного контроля паяного соединения.
В варианте формовки с J+образными скрытыми выводами предусмотрена
возможность переноса места пайки под корпус микросхемы, благодаря чему
возможна компоновка с предельно малыми зазорами между смежными корпу-
сами. Кроме того, корпуса с такой формой выводов способны вставать в разъ-
емные колодки, контакты которых обжимают J+образные выводы корпуса.
Корпуса с L+образными выводами (рис. 1.6, б) лучше контролируются и
при их контроле легко применять стандартные зонды. При автоматическом
монтаже ИМС с расположением выводов с четырех сторон возникают труд-
ности, так как корпуса застревают в транспортных трактах и возникают де-
формации выводов. Основным отличием варианта формовки с L+образными
выводами («крыло чайки») от обычного «крыла альбатроса» является значи-
тельное сокращение длины припаиваемого вывода (до размера, равного или
близкого ширине самого вывода).
Микросхемы в корпусах типа
DIP (с I+образными выводами)
разрабатывались исключительно
для монтажа в отверстия, но в связи
с внедрением технологии поверх-
ностного монтажа эти микросхемы
приспосабливают и к монтажу на
поверхность. Микросхемы с такой
формовкой выводов могут быть
смонтированы так же, как микро-
схемы в корпусах с планарными
а б в
г д
Рис. 1.6. Формы выводов: а – «Крыло альбатроса»; б – L+образный; в – J+образ-
ный открытый; г – J+образный скрытый; д – I+образный (пайка встык)
Корпус
Вывод
Микросхема Проволока
соединитель
Рис. 1.7. Структура корпуса с J+выводами
Глава 1. Электронные компоненты
выводами. Кроме того, микросхемы в DIP+корпусах могут монтироваться на
поверхность пайкой встык.
Вероятнее всего, в перспективе монтаж элементов на печатные платы будет
ориентироваться на пайку выводов под корпусом элементов по технологии повер-
хностного монтажа, а шаг выводов будет сокращаться. В связи с этим большой ин-
терес у проектировщиков электронной аппаратуры вызывают корпуса микросхем
с матричным расположением выводов типа BGA (Ball Grid Array).
Компоненты с матричным расположением выводов очень разнообраз-
ны (рис. 1.8):
• 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 — керамиче ские корпуса со столби-
ковыми матричными выводами).
Матричное расположение контактов обеспечивает наибольшую плот-
ность монтажа, максимальное количество контактов на площадь корпуса
(до 700 контактов на корпусе размером 35×35мм). Минимальные переход-
ные емкости контактов у них лучше по сравнению с другими монтируемыми
на поверхность корпусами, что обеспечивает работоспособность при более
высоких тактовых часто-
тах внешних информаци-
он ных магистралей. Для
теплопередачи между кор-
пусом и печатной платой
на нижней поверхности
корпуса по его центру вы-
деляется специальная теп-
лоотводящая площадка.
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 межсоединений на ограниченной площади.
Конструкции плавких выводов в матричной системе:
• столбиковые выводы из припоя, армированного «путанкой» из тонкого
провода, для корпусов микросхем и многокристальных модулей МСМ
(Multichip Module), часто на зываемых также «матрица контактных пло-
щадок» (pad grid), «матрица выводов» (land grid),
Вид снизу
Рис. 1.8. BGA-корпуса
1.2. Конструкции корпусов микросхем
• 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,
• лучшие условия обеспечения функциональной производительности
электронных модулей за счет меньших паразит ных эффектов на быст-
родействующих операциях,
• упрощение технологии поверхностного монтажа на печатную плату,
• больший выход готовой продукции вопреки опасениям потери качества
из+за невозможности прямого визуального контроля соеди нений.
Для непаяных методов присоединения, например при использовании разъ-
емных соединений, выводы корпуса выполняют в виде матрицы контактных
штырей, сопрягаемых с матрицей гнезд (рис. 1.9). На свободной от контактных
штырей поверхности располагают активные
и пассивные дискретные компоненты в со-
ответствии со схемотехническими требова-
ниями. Теплоотвод осуществляется от верх-
ней поверхности корпуса с ис пользованием
радиатора и вентилятора или, если это кон-
дуктивный теплоотвод, – от специальных
теплоотводящих элементов, соединяемых с
теплоотводящими конструкциями монтаж-
ной подложки через теплопроводную склеи-
вающую прокладку.
С уменьшением шага выводов особенно важно, чтобы разработчики пе-
чатных плат считались с необходимостью обеспечения технологичности их
конструкций, правильно с этих позиций оценивали не только сборочные, но
и производствен ные характеристики печатных плат, чтобы разработанные
конструкции гарантировали наибольший выход и наименьшую себестои-
мость готовой продукции.
1.3. Непосредственный монтаж кристаллов
на подложку
Потребности в уменьшении массы и габаритов конструкций электронной
аппаратуры обусловили интерес к методам не посредственного монтажа
кристаллов микросхем на пла ту DCA (Direct Chip Attach): «Кристалл на пла-
те» – СОВ (Chip-on-Board), «Кристалл на стекле» – COG (Chip-on-Glass),
«Кристалл на полимере» – COF (Chip-On-Flex) и, если их много на подлож-
ке, «Многокристальные модули» – MCM (Multi-Chip-Module).
Рис. 1.9. Корпус с матрицей кон так-
тов, вставляемых в гнез да разъе мов.
центральной об ласти корпуса – кон-
денсаторы развязки
Глава 1. Электронные компоненты
Технология «Кристалл на плате» предусматривает расположение микро-
схем непосредственно на монтажной поверхности печатной платы. Кристалл
микросхемы приклеивается к плате и соединяется к ней тонкими проволоч-
ками, как правило, золотыми диаметром порядка 25 мкм. Затем вся конс-
трукция заливается защитным компаундом (рис. 1.10).
Преимуществами СОВ являются:
• низкая стоимость;
• разнообразие вариантов разводки платы;
• короткий период производства;
• широкий температурный диапазон и высокая механическая прочность
конструкции.
Но сравнительно большие габариты модуля с СОВ в сборе не позволя-
ют использовать наработки традиционных технологий монтажа кристалла на
подложку, в частности, возникают трудности с позиционированием кристал-
ла на плате и совмещением рабочих элементов инструмента с площадками
присоединения проволочек на кристалле. Поэтому для размещения кристал-
лов на монтажной подложке начинают использовать технологии печатных
плат (рис. 1.11).
Печатная
плата
Печатная
дорожка
Проводник
Контактная
площадка
Клей
Кристалл
Компаунд
Рис. 1.10. Монтаж кристалла микросхемы непосредственно на плате. Технология
«Кристалл на плате» (COB)
1.3. Непосредственный монтаж кристаллов на подложку
КРИСТАЛЛ
Cu line
build+up layer
substrate
Заливка фоторезистом Наслоение фольгированной пленки
Лазерное сверление отверстий
Металлизация, травление рисунка
Проявление фоторезиста
Аддитивная металлизация
а б
в
Рис. 1.11. Присоединение контактных точек кристалла микросхемы к монтаж-
ной подложке приемами технологий печатных плат: а – аддитивным
методом, б – субтрактивным методом, в – конструкция межсоедине-
ний между кристаллом и печатной платой
01_chapter1.indd 201_chapter1.indd 27 11.05.2007 8:39:17
28
Кристалл на полимере представ-
ляет собой способ компоновки, при
котором кристалл микросхемы, пас-
сивные и активные компоненты рас-
полагаются на тонкой полиимидной
пленке. Такая технология обеспечивает
очень малую толщину и массу готового
изделия, что важно при использовании
такой сборки в компактных устройс-
твах (например, в сотовых телефонах).
Основные недостатки – сравнительно
высокая стоимость и низкая механи-
ческая прочность.
Конструкция «Кристалл на стекле» преимущественно использует-
ся в технологиях дисплеев, когда управляющую микросхему, пассивные
компоненты, схему температурной компенсации и ПЗУ знакогенератора
располагают непосредственно на подложке дисплея, что позволяет умень-
шить габариты и стоимость модуля. Дисплеи, изготовленные по техноло-
гии COG, широко применяются в портативных приборах. Недостатком
такой компоновки являются необходимость дополнительных элементов
конструкций для защиты от электромагнитных помех и инфракрасного
излучения.
Кристаллы микросхем монти-
руют на подложку одним из четырех
методов:
1. Термокомпрессионная мик-
росварка (wire-bonding) – наиболее
старый, гибкий и широко приме-
няемый метод (рис. 1.12). Этим
методом до сих пор изготавливают
более 96% всех микросхем.
2. Присоединение кристал-
лов к выво дам ленточного носи-
теля (рис. 1.13) или TAB (Tape-automated
Bonding). Этот метод ис-
пользуется для автоматического
монтажа кристаллов с малым ша-
гом выводов на промежуточный
носитель. Кроме возможности
автоматизации монтажа он обеспечивает возможность предварительного
тестирования кри сталлов перед окончательной установкой его на мон-
тажную подложку.
1 2 3
4
Рис. 1.12. Разводка кристалла мето-
дом комп рессионной микросварки:
1 – кристалл микросхемы, 2 – микро-
проволока, 3 – контактная площадка
монтажной подложки, 4 – подложка
Глава 1. Электронные компоненты
1 2
3
4
Рис. 1.13. Ленточный носитель кристалла
микросхемы: 1 – кристалл микросхемы, 2 –
кадр ленточного носителя, 3 – контакт ные
площадки для монтажа носителя на монтаж-
ной подложке, 4 – транспортная лента для
автоматизации установки кристалла на мон-
тажную подложку
3. Присоединение перевернутого кристалла (Flip-chipping)* через ша-
риковые выводы (рис. 1.14). Компактность и улучшенные электрические
характеристики этого метода межсоединений способствуют его расширяю-
щемуся применению.
4. Присоединение кристалла балочными выводами (рис. 1.15). В этом
методе используют технологии термокомпрессионной и ультразвуковой
микросварки балочных выводов к периферийным контактным площадкам
на кристалле и затем – балочных выводов к монтажной подложке.
При оценке возможности использования этих методов необходимо
принимать во внимание разные температурные коэффициенты расшире-
ния кристаллов из кремния и монтажной подложки. Кроме прямого реше-
ния этой проблемы выбором соответствующего материала подложки она
может быть эффективно решена заливкой эпоксидной смолой, разделяю-
щей кристалл и плату. Подобный прием позволяет выровнять деформации
кристалла и подложки и за счет этого существенно улучшить надежность
таких сборок.
1.4. Микрокорпуса (CSP)
При непосредственной установке кристаллов на монтажные подложки
не всегда есть возможность предварительно убедиться в их правильной ра-
боте до монтажа на подложку. К настоящему времени существует несколько
технологий для решения этой проблемы. В зарубежной терминологии эта
проблема имеет название «заведомо исправный кристалл» (KGD – Known
Good Die). Один из путей ее решения – использование микрокорпусов, раз-
1 2 3 4
Рис. 1.14. Монтаж микросхемы на под-
ложку методом перевернутого кристалла:
1 – кристалл микросхемы, 2 – шариковый
вывод, 3 – контактная площадка монтаж-
ной подложки, 4 – монтажная подложка
(печатная плата)
1 2 3 4
Рис. 1.15. Монтаж микросхемы с по-
мощью балочных выводов: 1 – крис-
талл микросхемы, 2 – балочный вывод,
3 – контактная площадка монтажной под-
ложки 4 – монтажная подложка (печатная
плата)
1.4. Микрокорпуса (CSP)
* На пластину кремния («вафлю») со сформированными на ней микросхемами мето-
дами прецизионной трафаретной печати наносится паяльная паста на монтажные
точки кристалла. После оплавления паста превращается в шарики, которые служат
монтажными выводами, как у компонентов типа BGA, только с гораздо меньшим
шагом. На конечной стадии «вафля» разрезается на отдельные микросхемы (чипы).
Далее эти «flip-chipping» устанавливаются на монтажную подложку, шарики выводов
оплавляются, образуя паяное соединение с монтажным полем подложки. Эти «flipchipping
» используют в системе «Кристалл-на-плате» (Chip-on-Board).
меры которых лишь ненамного превышают
размеры кристалла, но выполняют функции
защиты от внешней среды и перераспреде-
ляют выводы кристалла на матрицу выво-
дов микрокорпуса (рис. 1.16). Применение
микрокорпусов позволя ет тестировать мик-
росхему до установ ки ее на монтажную под-
ложку. На микросхемах с программируемой
логикой (ПЛИС) создается возможность программировать их пережиганием
перемы чек в соответствии с задуманной схемой. Типовой пример микрокор-
пусов – CSP+корпус (CSP — Chip-scale Packaging).
Кремниевый кристалл стал ближе к печатной плате. Поскольку для не-
которых CSP-корпусов шаг матричных выводов составляет 0,5 мм (0,020 дюй-
ма) и менее, требуется использование специальных технологий про изводства
печатных плат, позволяющих обеспечить разводку сигнальных цепей в узких
пространствах между элементами монтажного поля. Уменьшение размеров
элементов межсоединений приводит к значительным концентрациям меха-
нических напряжений, вызванных разницей в их коэффициентах теплового
расширения. Из+за этого повысились требования к паяным соединениям, ко-
торые помимо обеспечения электрических соединений призваны поглощать
механическую нагрузку. При уменьшении шага выводов до размера менее
0,8 мм происходит значительное уменьшение размера контактной площадки
под пайку, что может привести к механической перегрузке и в конце концов
к разрушению паяных соединений. Для решения этой проблемы были разра-
ботаны новые способы подготовки поверхностей под пайку, которые обеспе-
чили более стойкие паяные соединения.
Существующие технологии производства печатных плат способны обес-
печить монтаж выводов бескорпусных микросхем, если он выполняется по
технологии термокомпрессионной сварки или с использованием лен точных
носителей (TAB+технологии). И хотя такое решение переносит трудности за-
щиты открытых кристаллов микросхем на корпусирование электронных мо-
дулей, оно все еще остает ся одним из наиболее эффективных методов монта-
жа бескорпусных микросхем.
При использовании корпусов с малым шагом матричных выводов ситу-
ация усложняется тем, что сигнальные связи от внутренних выводов матрицы
не обходимо вывести между контактными площадками матрицы. При этом
имеется возможность провести между контактными площадками один, мак-
симум два проводника. Поэтому в большинстве случаев проводники от внут-
ренних выводов матрицы выводятся по внутренним слоям многослойных пе-
чатных плат.
Традиционные технологии многослойных печатных плат методом ме-
таллизации сквозных отверстий не способны к монтажу микросхем с мат-
Рис. 1.16. Микрокорпус CSP
Глава 1. Электронные компоненты
ричными выводами с шагом менее 1,0 мм (0,040 дюйма). И в то же время 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 от-
верстиями, на которых реализуется разводка цепей из+под микрокорпусов
или из+под бескорпусных кристаллов микросхем (рис. 1.11).
Такие тонкие дополнительные специализированные слои напрессовы-
ваются на МПП, после чего в них выполняются глухие металлизированные
отверстия. Поэтому данный метод за рубежом получил названием (бук-
вально) «напрессованная на поверхность схема» или SLC (Surface Laminar
Circuit). Наряду с этим приобретает большее распространение термин builtup
(надстройка). 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 русской среде специалистов не уста-
новится более лаконичное название.
При выборе новых решений
корпусирования нужно иметь в виду,
что корпусирование без промежу-
точной подложки хотя и вызывает
слож ности на первых этапах освое-
ния этой технологии, но в конечном
итоге оно оказывается наиболее рентабельным. Как видно из рис. 1.17, кор-
пусирование кристалла в микрокорпус имеет высокий шанс стать основой
компоновки будущего.
В этом случае корпус начинается с диэлектрика, который соединяет
полупроводник через микропереходы со сформированным поверх слоем,
на котором находятся шарики припоя, позволяющие создать соединения
с печатной платой в процессе пайки оплавлением. В этом случае отпадает
нужда в промежуточном органическом носителе, так как носителем являет-
Рис. 1.17. Микрокорпус
1.4. Микрокорпуса (CSP)
Кристалл
PCB
Верхний рисунок
Нижний рисунок
Шарики припоя
Сверленые
отверстия
Фотопрояв+
ляемые
отверстия
Рис. 1.18. Двухэтажная сборка кристаллов или микрокорпусов
ся сам кремниевый кристалл, а проводные соединения заменены надежной
технологией формирования межсоединений со сформированным поверх
слоем.
До последнего времени CSP
такого типа использовались относи-
тельно редко. Причина этого, очевид-
но, не в стоимости корпусирования, а
в недо статочно развитой технологии
форми рования межсоединений.
Это означает, что с распространением таких корпусов конструктивные
нормы для печатных плат должны быть серьезно пересмотрены и станут ис-
пользоваться новые типы межсо единения по оси Z. Требования к технологии
пайки также предельно ужесточаются, поскольку значительно уменьшается
размер каждого паяного соединения на печатной плате.
Дальнейшие перспекти-
вы развития технологии кор-
пусирования связаны с раз-
работкой многоуровневой
(стековой), или модульной,
технологии, которая призвана
сократить плотность межсо-
единений вне корпусов за счет
использования концепции
перенесения меж соединений внутрь многокристального модуля. Для этого
уже используются двухэтажные (рис. 1.18), трехэтажные конструкции на жест-
ких основаниях (рис. 1.19). Гибкие многослойные подложки позволяют умень-
шить монтажную площадь многокристальных модулей (рис. 1.20) путем свер-
тывания их в кубическую форму (рис. 1.21).
1.5. Дискретные компоненты
Элементная база для поверхностного монтажа включает в себя обширную
номенклатуру дискретных (рассыпных) элементов самого разного назна-
чения. Наиболее простым и распространенным типом корпусов является
прямоугольный или чип (Chip). Практически все конденсаторы и резис-
Рис. 1.19. Трехэтажное стапелирование мик -
рокорпусов
Рис. 1.20. Многокристальный модуль на гибкой
основе
Рис. 1.21. Многокристальный модуль на гибкой основе
Глава 1. Электронные компоненты
торы имеют прямоугольную форму корпуса с металлическими контактами
по бокам.
Зарубежные производители предлагают широкую номенклатуру чип+
элементов (рис. 1.22). Кроме конденсаторов и резисторов имеются индук-
тивности, электролитические конденсаторы, диоды, стабилитроны, пере-
ключатели и другие элементы.
Большая часть чип+компонентов по размерам обозначают в системе mil
таким образом, что первые две цифры обозначают длину компонента в долях
mil, две последние – ширину:
Обозначение Размеры, mil Размеры, мм
0201 0,2×0,1 0,50×0,25
0402 0,4×0,2 1,00×0,50
0603 0,6×0,3 1,50×0,75
0805 0,8×0,5 2,00×1,25
5845 5,8×4,5 14,5×11,2
DA DB DBС1 DBС4 DD
DH DK DM DP DQ
DR DT DV DW E16
F+0127 SO8 SOT171 SOT223
SOT220 SOT251 SOT263 TO39
Рис. 1.22. Дискретные чип+компоненты
1.5. Дискретные компоненты
Другим массовым типом корпуса является цилиндрический или MELF
(Metal ELectrode Face-bonding) и MiniMELF. Эти корпуса имеют стеклянный
корпус и металлические контакты по торцам. В таких корпусах монтируются
резисторы и диоды.
Специально для диодов разработан корпус типа SOD (Small Outline
Device), представляющий собой стеклянный корпус с металлической крыш-
кой. Для того чтобы отличать катод от анода, помещенного в такие корпуса
на стеклянный корпус, ближе к катоду наносят черное кольцо.
Специально для транзисторов разработан корпус типа SOT (Small
Outline Transistor). Корпуса этого типа имеют пластмассовый корпус и метал-
лические выводы по бокам.
В корпуса типа SOT помещают не только транзисторы и диоды, но и
транзисторы с резисторами, стабилитроны, стабилизаторы напряжения на
базе операционного усилителя и многое другое, а количество выводов может
быть более трех.
Электроника, информационные технологии, средства коммуникаций стали
технической базой высоких технологий. Ядром этих технологий являются
технические и программные средства обработки информации и вычислений.
Вооруженность этими средствами, полнота их использования определяет об-
лик современного общества.
Со времен создания первых средств информационной и вычислитель-
ной техники (электронных, магнитных, релейных, пневматических, хи-
мических, оптических) главная тенденция развития этой техники состоит
в стремлении к микроминиатюризации и повышению функциональности ее
компонентов. Эта тенденция проявилась в изобретении транзисторов с пос-
ледующей их интеграцией в микросхемы. Успехи технологии полупровод-
никовых микросхем создали для микроэлектроники приоритет над другими
принципами обработки информации и вычислений. Только в средствах ком-
муникации электроника уступает волоконно-оптической технике. Но в об-
работке информации электронный принцип довлеет над другими.
Постоянное совершенствование микроэлектронной технологии, рост
сте пени интеграции микросхем, увеличение функциональной насыщен ности
электронной аппаратуры, повышение производительности вычислительных
процессов требуют постоянного роста плотности печатного монтажа, ос-
воения новых технологий сборочно-монтажного производства, улучшения
мер технологического обеспечения надежности. Современные требования
к электронным приборам и оборудованию заставляют эти процессы идти со
все возрастающей скоростью.
Кардинально изменился подход к созданию электронной аппаратуры,
которая должна одновременно обеспечивать высокое быстродействие, рас-
ширенный динамический диапазон, относительно малое энергопотребле-
ние, высокую чувствительность, повышенную стойкость к воздействию вне-
шних факторов.
Постоянно увеличивается сложность конструкций средств информаци-
онной и вычислительной техники. При этом все больше усложняются техно-
логии их реализации. Совершенствование известных технологий сопровож-
дается привлечением новых, без которых сегодня невозможно изготовить
сложный электронный узел. Растущие конструктивно-технологические
требования к электронной аппаратуре особенно четко установились именно
в области информационной и вычислительной техники, поскольку увеличе-
ние производительности процессов обработки информации и вычислений
находится в непосредственной зависимости от плотности межсоединений,
так как время переключения элементов интегральных схем стало соизме-
римым с временами задержки сигналов в линиях связи. Можно сказать, что
основная тенденция развития технологий производства информационной
и вычислительной техники – увеличение плотности межсоединений вслед
за увеличением интеграции и миниатюризации электронных компонентов.
В отечественной и зарубежной практике ведется непрерывный поиск
новых и совершенствование известных методов межсоединений. Ежемесяч-
но публикуются сотни патентов, описывающих новые процессы и операции,
претендующих на новое слово в технологиях электронной аппаратуры. Среди
достижений в технологии монтажа появлялись и методы, изобретение кото-
рых сопровождалось значительной рекламой, но на практике они оказались
маловыгодными или ненадежными либо нашли ограниченное применение.
Ежегодные международные конференции, симпозиумы по международной
стандартизации, практика производства, дискуссии специалистов способс-
твуют отбору выверенных решений, на основе которых родились базовые
технологии. Именно для базовых общепринятых технологий разрабатыва-
ются стандарты, оборудование и материалы. На их основе строятся новые
производства с многомиллионными вложениями капитала.
Конечно, как сказал один мудрец: «Если бы человечество придержи-
валось мнения большинства, Земля до сих пор плавала бы на трех китах».
Но технология традиционно наиболее консервативная отрасль техники, она
не терпит революций и развивается эволюционно. Промышленное освоение
новых технологических принципов обходится слишком дорого, чтобы пере-
страивать под них производство без предварительного опробования в техно-
логических лабораториях.
Сегодня, в условиях рыночной экономики, особенно важно проявлять
профессионализм в инвестировании производства, поскольку каждая даже,
казалось бы, малозначительная ошибка может привести к большим эконо-
мическим потерям. В этом принципиальное отличие нашего времени от пре-
дыдущего периода затратной экономики, мало считавшейся с потерями ради
дальней цели.
Производство средств информационной и вычислительной техники
относится к высоким технологиям, требующим от специалистов высокой
степени профессионализма. Безусловно, эта книга может служить лишь вве-
дением в технологию электроники. Жизнь показывает, что успеха достигают
лишь те специалисты-технологи, которые постоянно пополняют свою ин-
формационную базу, смело и обдуманно идут на эксперимент и в практике
производства приобретают столь ценный опыт, позволяющий им уверенно
чувствовать себя в управлении производством.
Тема сборочно-монтажного производства непосредственно связана
с тех нологиями печатных плат. Им посвящены соответствующие издания
[1–5] и многочисленные публикации в популярных журналах [6–10].
ЭЛЕКТРОННЫЕ
КОМПОНЕНТЫ
1.1. Тенденции – постоянная интеграция
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 необ-
ходимость в увели чении количества их выводов на корпусе на 40% в год.
Казалось бы, с увеличением интеграции микросхем количество внешних
межсоединений и, соответственно, выводов должно было бы уменьшаться.
Однако выведенное давным-давно инженером фирмы IBM правило Рента
[1] до сих пор оказывается справедливым для развивающейся элементной
базы:
n = kNR,
где n – количество выводов микросхемы, k – среднее число межсоединений,
приходящихся на один логический элемент микросхемы (k = 3…4), N – ко-
личество логических элементов, R – соотношение Рента (например, для про-
цессоров R = 0,5…0,74).
Поэтому растет спрос на новые методы корпусирования (конструкции
выводов), а вслед за этим – на увеличение плотности межсоединений на пе-
чатной плате. Этот спрос обусловлен стрем-
лением уменьшить дезинтеграцию актив-
ных компонентов при переходе на очеред-
ной иерархический уровень межсоедине-
ний в аппаратуре: кристалл микросхемы,
корпус микросхемы, монтажное поле для
размещения выводов и соединений на пе-
чатной плате, печатный узел (электронный
модуль), электронный блок, системный
блок… На уровне печатного узла степень
дезинтеграции можно было бы характери-
зовать соотношением площадей кристал-
ла (S1), корпуса (S2) и монтажного поля на
плате (S3):
S1
S2
S3
Рис. 1.1. Площади кристалла (S1),
корпуса (S2) и монтажного поля на
плате (S3)
01_chapter1.indd 101_chapter1.indd 17 11.05.2007 8:39:15
18
Q1 = S3 / S1, когда выводы микросхемы находятся за внешним перимет-
ром корпуса,
Q2 = S2 / S1, когда выводы и монтажное поле целиком находятся под кор-
пусом (рис. 1.1).
Например, если кристалл процессора имеет размер 10×10 мм, а мон-
тажное поле его корпуса на плате занимает площадь 4000 мм, такое конс-
труктивное исполнение системы межсоединений характеризуется дезин-
теграцией с числом 40. Этой цифрой оценивается матрица из 800 выводов.
Периферийное расположение такого количества выводов с шагом 0,4 мм за-
нимает монтажное поле площадью 10 000 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
цифры 100 тыс.
В табл. 1.1 приведены данные грубой оценки дезинтеграции при ис-
пользовании различных методов корпусирования и установки кристаллов
микросхем процессора на монтажное основание (плату).
Таблица 1.1. Оценка дезинтеграции при переходе на следующий уровень межсоединений
Вариант монтажа
или установки
Площадь монтажного
поля на подложке, мм
Степень дезинтеграции
Кристалл 10×10 1
Flip-Chip 12,5×12,5 1,5
Wire-Bond 14×14 2
Flip-TAB 24×24 6
TAB 42×42 18
Flat-Pack 72×72 52
Корпус с перифе-
рийными выводами
105×105 110
Очевидно, что степени интеграции и дезинтеграции должны соответ-
ствовать техническому уровню развития производства. При стремлении вы-
полнить конструкцию на предельных возможностях производства стоимость
изделия станет неоправданно высокой из+за большого объема отходов на
брак. Надежность таких конструкций также не будет гарантирована. Если же
в производство поступит изделие, спроектированное по низким проектным
нормам, т.е. с большой степенью дезинтеграции (больших габаритов), его
большая материалоемкость, низкая фондоотдача («из пушки по воробьям»)
также пагубно скажется на его себестоимости.
Глава 1. Электронные компоненты
Но эти соотношения справедливы только для микросхем с одинаковым
уровнем интеграции. А поскольку процессы увеличения плотности активных
компонентов микросхем и увеличение плотности монтажного поля корпусов
микросхем идут параллельно, более справедливо демонстрировать процессы
увеличения плотности монтажа количеством выводов, размещаемых на опреде-
ленной площади монтажного поля печатной платы, как показано на рис. 1.2.
В результате общих тенденций площадь монтажных подлож ек умень-
шается примерно на 7%, а физические размеры электронной аппаратуры –
на 10–20% в год. Эта тенденция поддерживается непре рывным увеличением
плотности межсоединений за счет уменьшения монтажных поверхностей
вместе с увеличением количества выводов, и вслед за этим уменьшаются эле-
менты присоединения, шаг и конструкции выводов компонентов.
Таблица 1.2. Численные характеристики МПП (см. рис. 1.27)
Символ Наименование параметра
Минимальный размер, мм
Сегодня Завтра Послезавтра
Характеристики рисунка
А
Ширина проводника
на внешней поверхности 0,1 0,075 0,05
В Зазор на внешней поверхности 0,1 0,085 0,062
С
Ширина проводника
на внутреннем слое 0,1 0,075 0,025
D Зазор на внутреннем слое 0,1 0,085 0,062
Характеристики сквозных отверстий
H
Диаметр сверления
сквозного отверстия 0,25 0,2 0,15
I
Контактные площадки
сквозного отверстия 0,48 0,35 0,3
Отношение толщины платы к диамет-
ру сквозного сверления 10 15 20
0
0
DIL PLCC
QFP
COB
Количество выводов
Площадь монтажного поля, см2
20 40 60 80 100 120 140 160
5
10
15
Рис. 1.2. Размер монтажного поля для размещения выводов кор-
пусов различных конструкций
1.1. Тенденции – постоянная интеграция
Символ Наименование параметра
Минимальный размер, мм
Сегодня Завтра Послезавтра
Характеристики глухих отверстий
Е Диаметр глухого отверстия 0,1 0,075 0,025
F
Контактная площадка основания глу-
хого отверстия 0,25 0,2 0,05
G
Контактная площадка входа глухого
отверстия 0,3 0,25 0,05
J
Отношение глубины к диаметру глухо-
го отверстия = 1 = 1 = 1
K Диаметр верхнего глухого отверстия 0,175 0,15 0,075
L Диаметр нижнего глухого отверстия 0,1 0,075 0,025
Р
Контактная площадка верхнего глухо-
го отверстия 0,375 0,325 0,25
Характеристики слепых (скрытых) отверстий
М
Диаметр металлизированного
слепого отверстия 0,2 0,15 0,1
N Диаметр сверления слепого отверстия 0,25 0,2 0,15
О
Контактные площадки слепого от-
верстия 0,48 0,35 0,3
В конце 80+х гг. прошлого столетия в производстве электроники на-
чалась своеобразная революция – переход на технологии поверхностного
монтажа. Тогда казалось, что она полностью вытеснит монтаж выводов
в отверстия. Но, как выяснилось, это не всегда возможно: крупные эле-
менты (конденсаторы большой емкости, разъемы, трансформаторы и др.)
удобнее монтировать выводами в отверстия. Поэтому развитие технологий
идет не столько за счет вытеснения компонентов с выводами для пайки в
отверстия, сколько за счет увеличения доли компонентов поверхностного
монтажа.
До последнего времени подавляющее большинство конструкций кор-
пусов микросхем использовало периферийную систему выводов. Развитие
технологий корпусирования и монтажа таких компонентов дошло до свое-
го предела: плотность расположения периферийных выводов достигла шага
0,4 мм (в редких случаях – 0,3 мм). Поэтому в 90+е гг. началась очередная
революция в технике монтажа – переход к матрице выводов. Чтобы еще
и в матричных корпусах увеличить плотность монтажа, шаг сетки выводов
постоянно уменьшается: недавно он был 1,0 мм, потом он стал 0,8 мм, те-
перь назревает шаг 0,5 мм.
За этим следует уменьшение элементов печатного монтажа: ширины
проводников и зазоров, отверстий и контактных площадок, пространствен-
ного (послойного) распределения межслойных переходов за счет исполь-
зования сквозных, глухих, слепых отверстий. Все это серьезно влияет на
Таблица 1.2. Окончание.
Глава 1. Электронные компоненты
облик сборочно+монтажного производства: оно все в большей мере стано-
вится автоматическим, вручную многие компоненты невозможно ни уста-
новить, ни припаять. Поэтому увеличивается стоимость основных фондов
сборочно+монтажного производства, но уменьшается объем прямых затрат,
приходящихся на единичный логический элемент микросхем, сокращается
цикл производства. В свою очередь, печатные платы, как монтажные под-
ложки для SMT+компонентов, становятся сложнее и дороже, но за счет уве-
личения функциональности электронных изделий стоимость выполняемых
ими функций становится в конечном итоге меньше.
Зримо идет сращивание кристаллов микросхем с монтажной подложкой
без промежуточного монтажа кристалла в корпус, которое вскоре должно
завершиться созданием технологии многокристальных модулей. По сущес-
тву ее реализация возможна уже сегодня. Но тут вступают в силу проблемы
теплоотвода: чем выше плотность размещения кристаллов на подложке, тем
выше удельная плотность тепловыделений – следствия неизбежного рассеи-
вания мощности. Без эффективного теплоотвода многокристальный мо-
дуль попросту перегреется и сгорит. Совмещение электрических и тепловых
структур в одной монтажной подложке – назревшая задача современного
конструирования электронной аппаратуры.
Рис. 1.3 достаточно наглядно демонстрирует эволюцию и разнообразие
корпусов и монтажных подложек, чтобы понять, что сегодня не сформиро-
вались еще устойчивые, всех удовлетворяющие решения, из которых можно
было бы выбрать ограниченный ряд конструкций, чтобы можно было огра-
ничить разнообразие технологий для их реализации.
1997 г.
DIP
SO SOJ
TFP
VSO
FC
MCM
COB
CSP
Тонкий кремний
COF/FCOB
WLP
FC+MCM
TB+BGA MC+BGA
LC+TB+BGA Многоуровневые
модули
Многоуровневый CSP
VSI
Чип в полимере
Sy+CSP
ULC+CSP
Polytronic
Flex+Sys
BGA SQFP
PGA QFP
CCC
1999 г.
1998 г.
с 2000
по 2004 гг.
VTFP V+PAK Многоуровневые
чипы
Рис. 1.3. Эволюция корпусов микросхем
1.1. Тенденции – постоянная интеграция
01_chapter1.indd 21 11.05.2007 8:39:16
22
1.2. Конструкции корпусов микросхем
С самого начала кристаллы микросхем помещали внутрь керамиче ских или
пластмассовых корпусов. Примерно до 1986 г. все корпуса мик росхем име-
ли выводы, предназначенные для монтажа в металлизирован ные отверстия
СС
Chip Carrier
Обозначение Примеры
СY
Cylinder
DB
Disk Button
FP
Flatpack
PF
Press Fit
PM
Post/Stud
mount
SO
Small
Outline
SS
Special
Shape
PQCC PQCC
(PLCC)
PQCC
(CLCC)
PQCC
(CLCC)
MBCY MBCY PBCY
PADB
CQFP
MUPF
CDFP PQFP
LRDB GRDB PRDB
MUPM
PDSO PDSO PSSO
MUPM CRPM
PDBS
Рис. 1.4. Обозначение конструкций корпусов микросхем
Глава 1. Электронные компоненты
01_chapter1.indd 22 11.05.2007 8:39:16
23
(РТН — Plated Through-hole — металлизированное отвер стие) печатной пла-
ты и последующей пайки. Позднее, с увеличением интеграции, их выводы
стали делать в форме, при годной для технологии поверхностного монтажа
(SMT — Surface Mounting Technology), ставшей преобладающей технологией
монтажа электронных компонентов.
На промежуточном этапе развития технологий монтажа получили рас-
пространение корпуса микросхем, пригодные как для монта жа в отверстие,
так и для поверхностного монтажа.
Основными типами корпусов микросхем в зависимости от расположе-
ния их выводов (рис. 1.4) являются:
• корпуса с периферийным расположением выводов, когда выводы рас-
положены по краям кристалла или корпуса микросхемы;
• корпуса с матричным расположением выводов.
Большинство типов микросхем имеют периферийное расположение
выводов. Шаг периферийных выводов ограничен 0,3 мм (практически –
0,4…0,5 мм), что позволяет микросхемам с корпусами больших размеров
иметь до 500 вы водов. Но нужно принять во внимание, что при шаге вы-
водов меньше 0,5 мм выход годных изделий резко снижается, уменьшается
прочность контактных узлов, увеличивается вероятность появления пере-
мычек припоя между выводами, травмирования изоляционных зазоров.
Разнообразие форм выводов показано на рис. 1.5.
B S N
D U R
G C T
J F W
P H
BUTT
“C” BEND
SOLDER LUG
FLAT
GULL WING
HULL+CURRENT CABLE
“J” BEND
NO LEAD
PIN/PEG
WRAPAROUND
“S” BEND
THROUGH+HOLE
“J” INVERTED
КОРПУС КОМПОНЕНТА ЭЛЕМЕНТ ПРИСОЕДИНЕНИЯ
WIRE
Рис. 1.5. Обозначение выводов микросхем
1.2. Конструкции корпусов микросхем
01_chapter1.indd 201_chapter1.indd 23 11.05.2007 8:39:16
24
Наибольшее распространение получили плоские L+образные выводы типа
«крыла чайки», «крыла альбатроса», I+образные и J+образные выводы, которые
за счет изгиба компенсируют тепловые и механические деформации (рис. 1.6).
Корпус с J+образными выводами (рис. 1.7) занимает на ПП меньше мес-
та, устойчив при транспортировке, хорошо согласуется с различными упа-
ковками, корпуса не застревают в механизмах подачи автоматов установки
микросхем на ПП. Основной недостаток этих выводов – сложность визуаль-
ного контроля паяного соединения.
В варианте формовки с J+образными скрытыми выводами предусмотрена
возможность переноса места пайки под корпус микросхемы, благодаря чему
возможна компоновка с предельно малыми зазорами между смежными корпу-
сами. Кроме того, корпуса с такой формой выводов способны вставать в разъ-
емные колодки, контакты которых обжимают J+образные выводы корпуса.
Корпуса с L+образными выводами (рис. 1.6, б) лучше контролируются и
при их контроле легко применять стандартные зонды. При автоматическом
монтаже ИМС с расположением выводов с четырех сторон возникают труд-
ности, так как корпуса застревают в транспортных трактах и возникают де-
формации выводов. Основным отличием варианта формовки с L+образными
выводами («крыло чайки») от обычного «крыла альбатроса» является значи-
тельное сокращение длины припаиваемого вывода (до размера, равного или
близкого ширине самого вывода).
Микросхемы в корпусах типа
DIP (с I+образными выводами)
разрабатывались исключительно
для монтажа в отверстия, но в связи
с внедрением технологии поверх-
ностного монтажа эти микросхемы
приспосабливают и к монтажу на
поверхность. Микросхемы с такой
формовкой выводов могут быть
смонтированы так же, как микро-
схемы в корпусах с планарными
а б в
г д
Рис. 1.6. Формы выводов: а – «Крыло альбатроса»; б – L+образный; в – J+образ-
ный открытый; г – J+образный скрытый; д – I+образный (пайка встык)
Корпус
Вывод
Микросхема Проволока
соединитель
Рис. 1.7. Структура корпуса с J+выводами
Глава 1. Электронные компоненты
выводами. Кроме того, микросхемы в DIP+корпусах могут монтироваться на
поверхность пайкой встык.
Вероятнее всего, в перспективе монтаж элементов на печатные платы будет
ориентироваться на пайку выводов под корпусом элементов по технологии повер-
хностного монтажа, а шаг выводов будет сокращаться. В связи с этим большой ин-
терес у проектировщиков электронной аппаратуры вызывают корпуса микросхем
с матричным расположением выводов типа BGA (Ball Grid Array).
Компоненты с матричным расположением выводов очень разнообраз-
ны (рис. 1.8):
• 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 — керамиче ские корпуса со столби-
ковыми матричными выводами).
Матричное расположение контактов обеспечивает наибольшую плот-
ность монтажа, максимальное количество контактов на площадь корпуса
(до 700 контактов на корпусе размером 35×35мм). Минимальные переход-
ные емкости контактов у них лучше по сравнению с другими монтируемыми
на поверхность корпусами, что обеспечивает работоспособность при более
высоких тактовых часто-
тах внешних информаци-
он ных магистралей. Для
теплопередачи между кор-
пусом и печатной платой
на нижней поверхности
корпуса по его центру вы-
деляется специальная теп-
лоотводящая площадка.
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 межсоединений на ограниченной площади.
Конструкции плавких выводов в матричной системе:
• столбиковые выводы из припоя, армированного «путанкой» из тонкого
провода, для корпусов микросхем и многокристальных модулей МСМ
(Multichip Module), часто на зываемых также «матрица контактных пло-
щадок» (pad grid), «матрица выводов» (land grid),
Вид снизу
Рис. 1.8. BGA-корпуса
1.2. Конструкции корпусов микросхем
• 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,
• лучшие условия обеспечения функциональной производительности
электронных модулей за счет меньших паразит ных эффектов на быст-
родействующих операциях,
• упрощение технологии поверхностного монтажа на печатную плату,
• больший выход готовой продукции вопреки опасениям потери качества
из+за невозможности прямого визуального контроля соеди нений.
Для непаяных методов присоединения, например при использовании разъ-
емных соединений, выводы корпуса выполняют в виде матрицы контактных
штырей, сопрягаемых с матрицей гнезд (рис. 1.9). На свободной от контактных
штырей поверхности располагают активные
и пассивные дискретные компоненты в со-
ответствии со схемотехническими требова-
ниями. Теплоотвод осуществляется от верх-
ней поверхности корпуса с ис пользованием
радиатора и вентилятора или, если это кон-
дуктивный теплоотвод, – от специальных
теплоотводящих элементов, соединяемых с
теплоотводящими конструкциями монтаж-
ной подложки через теплопроводную склеи-
вающую прокладку.
С уменьшением шага выводов особенно важно, чтобы разработчики пе-
чатных плат считались с необходимостью обеспечения технологичности их
конструкций, правильно с этих позиций оценивали не только сборочные, но
и производствен ные характеристики печатных плат, чтобы разработанные
конструкции гарантировали наибольший выход и наименьшую себестои-
мость готовой продукции.
1.3. Непосредственный монтаж кристаллов
на подложку
Потребности в уменьшении массы и габаритов конструкций электронной
аппаратуры обусловили интерес к методам не посредственного монтажа
кристаллов микросхем на пла ту DCA (Direct Chip Attach): «Кристалл на пла-
те» – СОВ (Chip-on-Board), «Кристалл на стекле» – COG (Chip-on-Glass),
«Кристалл на полимере» – COF (Chip-On-Flex) и, если их много на подлож-
ке, «Многокристальные модули» – MCM (Multi-Chip-Module).
Рис. 1.9. Корпус с матрицей кон так-
тов, вставляемых в гнез да разъе мов.
центральной об ласти корпуса – кон-
денсаторы развязки
Глава 1. Электронные компоненты
Технология «Кристалл на плате» предусматривает расположение микро-
схем непосредственно на монтажной поверхности печатной платы. Кристалл
микросхемы приклеивается к плате и соединяется к ней тонкими проволоч-
ками, как правило, золотыми диаметром порядка 25 мкм. Затем вся конс-
трукция заливается защитным компаундом (рис. 1.10).
Преимуществами СОВ являются:
• низкая стоимость;
• разнообразие вариантов разводки платы;
• короткий период производства;
• широкий температурный диапазон и высокая механическая прочность
конструкции.
Но сравнительно большие габариты модуля с СОВ в сборе не позволя-
ют использовать наработки традиционных технологий монтажа кристалла на
подложку, в частности, возникают трудности с позиционированием кристал-
ла на плате и совмещением рабочих элементов инструмента с площадками
присоединения проволочек на кристалле. Поэтому для размещения кристал-
лов на монтажной подложке начинают использовать технологии печатных
плат (рис. 1.11).
Печатная
плата
Печатная
дорожка
Проводник
Контактная
площадка
Клей
Кристалл
Компаунд
Рис. 1.10. Монтаж кристалла микросхемы непосредственно на плате. Технология
«Кристалл на плате» (COB)
1.3. Непосредственный монтаж кристаллов на подложку
КРИСТАЛЛ
Cu line
build+up layer
substrate
Заливка фоторезистом Наслоение фольгированной пленки
Лазерное сверление отверстий
Металлизация, травление рисунка
Проявление фоторезиста
Аддитивная металлизация
а б
в
Рис. 1.11. Присоединение контактных точек кристалла микросхемы к монтаж-
ной подложке приемами технологий печатных плат: а – аддитивным
методом, б – субтрактивным методом, в – конструкция межсоедине-
ний между кристаллом и печатной платой
01_chapter1.indd 201_chapter1.indd 27 11.05.2007 8:39:17
28
Кристалл на полимере представ-
ляет собой способ компоновки, при
котором кристалл микросхемы, пас-
сивные и активные компоненты рас-
полагаются на тонкой полиимидной
пленке. Такая технология обеспечивает
очень малую толщину и массу готового
изделия, что важно при использовании
такой сборки в компактных устройс-
твах (например, в сотовых телефонах).
Основные недостатки – сравнительно
высокая стоимость и низкая механи-
ческая прочность.
Конструкция «Кристалл на стекле» преимущественно использует-
ся в технологиях дисплеев, когда управляющую микросхему, пассивные
компоненты, схему температурной компенсации и ПЗУ знакогенератора
располагают непосредственно на подложке дисплея, что позволяет умень-
шить габариты и стоимость модуля. Дисплеи, изготовленные по техноло-
гии COG, широко применяются в портативных приборах. Недостатком
такой компоновки являются необходимость дополнительных элементов
конструкций для защиты от электромагнитных помех и инфракрасного
излучения.
Кристаллы микросхем монти-
руют на подложку одним из четырех
методов:
1. Термокомпрессионная мик-
росварка (wire-bonding) – наиболее
старый, гибкий и широко приме-
няемый метод (рис. 1.12). Этим
методом до сих пор изготавливают
более 96% всех микросхем.
2. Присоединение кристал-
лов к выво дам ленточного носи-
теля (рис. 1.13) или TAB (Tape-automated
Bonding). Этот метод ис-
пользуется для автоматического
монтажа кристаллов с малым ша-
гом выводов на промежуточный
носитель. Кроме возможности
автоматизации монтажа он обеспечивает возможность предварительного
тестирования кри сталлов перед окончательной установкой его на мон-
тажную подложку.
1 2 3
4
Рис. 1.12. Разводка кристалла мето-
дом комп рессионной микросварки:
1 – кристалл микросхемы, 2 – микро-
проволока, 3 – контактная площадка
монтажной подложки, 4 – подложка
Глава 1. Электронные компоненты
1 2
3
4
Рис. 1.13. Ленточный носитель кристалла
микросхемы: 1 – кристалл микросхемы, 2 –
кадр ленточного носителя, 3 – контакт ные
площадки для монтажа носителя на монтаж-
ной подложке, 4 – транспортная лента для
автоматизации установки кристалла на мон-
тажную подложку
3. Присоединение перевернутого кристалла (Flip-chipping)* через ша-
риковые выводы (рис. 1.14). Компактность и улучшенные электрические
характеристики этого метода межсоединений способствуют его расширяю-
щемуся применению.
4. Присоединение кристалла балочными выводами (рис. 1.15). В этом
методе используют технологии термокомпрессионной и ультразвуковой
микросварки балочных выводов к периферийным контактным площадкам
на кристалле и затем – балочных выводов к монтажной подложке.
При оценке возможности использования этих методов необходимо
принимать во внимание разные температурные коэффициенты расшире-
ния кристаллов из кремния и монтажной подложки. Кроме прямого реше-
ния этой проблемы выбором соответствующего материала подложки она
может быть эффективно решена заливкой эпоксидной смолой, разделяю-
щей кристалл и плату. Подобный прием позволяет выровнять деформации
кристалла и подложки и за счет этого существенно улучшить надежность
таких сборок.
1.4. Микрокорпуса (CSP)
При непосредственной установке кристаллов на монтажные подложки
не всегда есть возможность предварительно убедиться в их правильной ра-
боте до монтажа на подложку. К настоящему времени существует несколько
технологий для решения этой проблемы. В зарубежной терминологии эта
проблема имеет название «заведомо исправный кристалл» (KGD – Known
Good Die). Один из путей ее решения – использование микрокорпусов, раз-
1 2 3 4
Рис. 1.14. Монтаж микросхемы на под-
ложку методом перевернутого кристалла:
1 – кристалл микросхемы, 2 – шариковый
вывод, 3 – контактная площадка монтаж-
ной подложки, 4 – монтажная подложка
(печатная плата)
1 2 3 4
Рис. 1.15. Монтаж микросхемы с по-
мощью балочных выводов: 1 – крис-
талл микросхемы, 2 – балочный вывод,
3 – контактная площадка монтажной под-
ложки 4 – монтажная подложка (печатная
плата)
1.4. Микрокорпуса (CSP)
* На пластину кремния («вафлю») со сформированными на ней микросхемами мето-
дами прецизионной трафаретной печати наносится паяльная паста на монтажные
точки кристалла. После оплавления паста превращается в шарики, которые служат
монтажными выводами, как у компонентов типа BGA, только с гораздо меньшим
шагом. На конечной стадии «вафля» разрезается на отдельные микросхемы (чипы).
Далее эти «flip-chipping» устанавливаются на монтажную подложку, шарики выводов
оплавляются, образуя паяное соединение с монтажным полем подложки. Эти «flipchipping
» используют в системе «Кристалл-на-плате» (Chip-on-Board).
меры которых лишь ненамного превышают
размеры кристалла, но выполняют функции
защиты от внешней среды и перераспреде-
ляют выводы кристалла на матрицу выво-
дов микрокорпуса (рис. 1.16). Применение
микрокорпусов позволя ет тестировать мик-
росхему до установ ки ее на монтажную под-
ложку. На микросхемах с программируемой
логикой (ПЛИС) создается возможность программировать их пережиганием
перемы чек в соответствии с задуманной схемой. Типовой пример микрокор-
пусов – CSP+корпус (CSP — Chip-scale Packaging).
Кремниевый кристалл стал ближе к печатной плате. Поскольку для не-
которых CSP-корпусов шаг матричных выводов составляет 0,5 мм (0,020 дюй-
ма) и менее, требуется использование специальных технологий про изводства
печатных плат, позволяющих обеспечить разводку сигнальных цепей в узких
пространствах между элементами монтажного поля. Уменьшение размеров
элементов межсоединений приводит к значительным концентрациям меха-
нических напряжений, вызванных разницей в их коэффициентах теплового
расширения. Из+за этого повысились требования к паяным соединениям, ко-
торые помимо обеспечения электрических соединений призваны поглощать
механическую нагрузку. При уменьшении шага выводов до размера менее
0,8 мм происходит значительное уменьшение размера контактной площадки
под пайку, что может привести к механической перегрузке и в конце концов
к разрушению паяных соединений. Для решения этой проблемы были разра-
ботаны новые способы подготовки поверхностей под пайку, которые обеспе-
чили более стойкие паяные соединения.
Существующие технологии производства печатных плат способны обес-
печить монтаж выводов бескорпусных микросхем, если он выполняется по
технологии термокомпрессионной сварки или с использованием лен точных
носителей (TAB+технологии). И хотя такое решение переносит трудности за-
щиты открытых кристаллов микросхем на корпусирование электронных мо-
дулей, оно все еще остает ся одним из наиболее эффективных методов монта-
жа бескорпусных микросхем.
При использовании корпусов с малым шагом матричных выводов ситу-
ация усложняется тем, что сигнальные связи от внутренних выводов матрицы
не обходимо вывести между контактными площадками матрицы. При этом
имеется возможность провести между контактными площадками один, мак-
симум два проводника. Поэтому в большинстве случаев проводники от внут-
ренних выводов матрицы выводятся по внутренним слоям многослойных пе-
чатных плат.
Традиционные технологии многослойных печатных плат методом ме-
таллизации сквозных отверстий не способны к монтажу микросхем с мат-
Рис. 1.16. Микрокорпус CSP
Глава 1. Электронные компоненты
ричными выводами с шагом менее 1,0 мм (0,040 дюйма). И в то же время 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 от-
верстиями, на которых реализуется разводка цепей из+под микрокорпусов
или из+под бескорпусных кристаллов микросхем (рис. 1.11).
Такие тонкие дополнительные специализированные слои напрессовы-
ваются на МПП, после чего в них выполняются глухие металлизированные
отверстия. Поэтому данный метод за рубежом получил названием (бук-
вально) «напрессованная на поверхность схема» или SLC (Surface Laminar
Circuit). Наряду с этим приобретает большее распространение термин builtup
(надстройка). 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 русской среде специалистов не уста-
новится более лаконичное название.
При выборе новых решений
корпусирования нужно иметь в виду,
что корпусирование без промежу-
точной подложки хотя и вызывает
слож ности на первых этапах освое-
ния этой технологии, но в конечном
итоге оно оказывается наиболее рентабельным. Как видно из рис. 1.17, кор-
пусирование кристалла в микрокорпус имеет высокий шанс стать основой
компоновки будущего.
В этом случае корпус начинается с диэлектрика, который соединяет
полупроводник через микропереходы со сформированным поверх слоем,
на котором находятся шарики припоя, позволяющие создать соединения
с печатной платой в процессе пайки оплавлением. В этом случае отпадает
нужда в промежуточном органическом носителе, так как носителем являет-
Рис. 1.17. Микрокорпус
1.4. Микрокорпуса (CSP)
Кристалл
PCB
Верхний рисунок
Нижний рисунок
Шарики припоя
Сверленые
отверстия
Фотопрояв+
ляемые
отверстия
Рис. 1.18. Двухэтажная сборка кристаллов или микрокорпусов
ся сам кремниевый кристалл, а проводные соединения заменены надежной
технологией формирования межсоединений со сформированным поверх
слоем.
До последнего времени CSP
такого типа использовались относи-
тельно редко. Причина этого, очевид-
но, не в стоимости корпусирования, а
в недо статочно развитой технологии
форми рования межсоединений.
Это означает, что с распространением таких корпусов конструктивные
нормы для печатных плат должны быть серьезно пересмотрены и станут ис-
пользоваться новые типы межсо единения по оси Z. Требования к технологии
пайки также предельно ужесточаются, поскольку значительно уменьшается
размер каждого паяного соединения на печатной плате.
Дальнейшие перспекти-
вы развития технологии кор-
пусирования связаны с раз-
работкой многоуровневой
(стековой), или модульной,
технологии, которая призвана
сократить плотность межсо-
единений вне корпусов за счет
использования концепции
перенесения меж соединений внутрь многокристального модуля. Для этого
уже используются двухэтажные (рис. 1.18), трехэтажные конструкции на жест-
ких основаниях (рис. 1.19). Гибкие многослойные подложки позволяют умень-
шить монтажную площадь многокристальных модулей (рис. 1.20) путем свер-
тывания их в кубическую форму (рис. 1.21).
1.5. Дискретные компоненты
Элементная база для поверхностного монтажа включает в себя обширную
номенклатуру дискретных (рассыпных) элементов самого разного назна-
чения. Наиболее простым и распространенным типом корпусов является
прямоугольный или чип (Chip). Практически все конденсаторы и резис-
Рис. 1.19. Трехэтажное стапелирование мик -
рокорпусов
Рис. 1.20. Многокристальный модуль на гибкой
основе
Рис. 1.21. Многокристальный модуль на гибкой основе
Глава 1. Электронные компоненты
торы имеют прямоугольную форму корпуса с металлическими контактами
по бокам.
Зарубежные производители предлагают широкую номенклатуру чип+
элементов (рис. 1.22). Кроме конденсаторов и резисторов имеются индук-
тивности, электролитические конденсаторы, диоды, стабилитроны, пере-
ключатели и другие элементы.
Большая часть чип+компонентов по размерам обозначают в системе mil
таким образом, что первые две цифры обозначают длину компонента в долях
mil, две последние – ширину:
Обозначение Размеры, mil Размеры, мм
0201 0,2×0,1 0,50×0,25
0402 0,4×0,2 1,00×0,50
0603 0,6×0,3 1,50×0,75
0805 0,8×0,5 2,00×1,25
5845 5,8×4,5 14,5×11,2
DA DB DBС1 DBС4 DD
DH DK DM DP DQ
DR DT DV DW E16
F+0127 SO8 SOT171 SOT223
SOT220 SOT251 SOT263 TO39
Рис. 1.22. Дискретные чип+компоненты
1.5. Дискретные компоненты
Другим массовым типом корпуса является цилиндрический или MELF
(Metal ELectrode Face-bonding) и MiniMELF. Эти корпуса имеют стеклянный
корпус и металлические контакты по торцам. В таких корпусах монтируются
резисторы и диоды.
Специально для диодов разработан корпус типа SOD (Small Outline
Device), представляющий собой стеклянный корпус с металлической крыш-
кой. Для того чтобы отличать катод от анода, помещенного в такие корпуса
на стеклянный корпус, ближе к катоду наносят черное кольцо.
Специально для транзисторов разработан корпус типа SOT (Small
Outline Transistor). Корпуса этого типа имеют пластмассовый корпус и метал-
лические выводы по бокам.
В корпуса типа SOT помещают не только транзисторы и диоды, но и
транзисторы с резисторами, стабилитроны, стабилизаторы напряжения на
базе операционного усилителя и многое другое, а количество выводов может
быть более трех.