eng
Содержание
Содержание
Введение .................................................................................................................... 11
ЧАСТЬ 1. ЗАКОНОДАТЕЛЬСТВО ПО ОГРАНИЧЕНИЮ
ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СВИНЦА .............................................................................. 14
Глава 1. Законодательство и его влияние на печатные платы ............................... 14
1.1.
Обзор законодательства ............................................................................... 14
1.2.
Отходы электрического и электронного оборудования (WEEE) .............. 14
1.3.
Ограничение использования опасных веществ (RoHS) ............................ 15
1.4.
Воздействие законодательства в области RoHS на промышленное
изготовление печатных плат ........................................................................ 19
1.5.
Перспективы бессвинцового монтажа........................................................ 24
Литература ........................................................................................................... 26
ЧАСТЬ 2. ДВИЖУЩИЕ СИЛЫ РАЗВИТИЯ ТЕХНОЛОГИИ
ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ.................................................................. 27
Глава 2. Монтаж электронных схем в корпусе и межсоединения
высокой плотности .................................................................................................. 27
2.1.
Введение ........................................................................................................ 27
2.2.
Оценка революционных межсоединений
(межсоединений высокой плотности) ........................................................ 27
2.3.
Иерархия межсоединений ........................................................................... 31
2.4.
Факторы, влияющие на выбор межсоединений......................................... 32
2.5.
Интегральные схемы и корпуса ................................................................... 36
2.6.
Оценки плотности ........................................................................................ 41
2.7.
Методы увеличения плотности печатных плат .......................................... 45
Литература ........................................................................................................... 51
Глава 3. Технология корпусирования полупроводников ....................................... 52
3.1.
Введение ........................................................................................................ 52
3.2.
Однокристальный модуль ............................................................................ 56
3.3.
Многокристальные модули ......................................................................... 67
3.4.
Оптические межсоединения ........................................................................ 73
3.5.
Обзор корпусирования высокой плотности с улучшенными
техническими характеристиками ................................................................ 75
3.6.
Информация по перспективному плану развития ..................................... 75
Литература ........................................................................................................... 75
Глава 4. Пакетирование современных компонентов ............................................. 77
4.1.
Введение ........................................................................................................ 77
4.2.
Без применения свинца ............................................................................... 79
4.3.
Система на одном кристалле (SOC) и система на одном корпусе (SOP) ...... 80
4.4.
Многокристальные модули ......................................................................... 83
4.5.
Многокристальные корпуса ........................................................................ 84
4.6.
Поддерживающие технологии ..................................................................... 89
4
Содержание
4.7.
Благодарности ............................................................................................ 101
Литература ......................................................................................................... 101
Глава 5. Типы печатных плат ................................................................................. 104
5.1.
Введение ...................................................................................................... 104
5.2.
Классификация печатных плат ................................................................. 104
5.3.
Подложки из органических и неорганических веществ .......................... 106
5.4.
Графическая плата и плата с дискретными межсоединениями .............. 106
5.5.
Жесткие и гибкие платы ............................................................................ 108
5.6.
Платы, изготавливаемые графическим способом.................................... 109
5.7.
Прессованные устройства межсоединений .............................................. 114
5.8.
Технологии металлизированных сквозных отверстий (PTH) ................. 114
5.9.
Краткие выводы ......................................................................................... 119
Литература ......................................................................................................... 119
ЧАСТЬ 3. МАТЕРИАЛЫ ....................................................................................... 120
Глава 6. Введение в базовые материалы ................................................................ 120
6.1.
Введение ...................................................................................................... 120
6.2.
Марки и технические характеристики ...................................................... 120
6.3.
Свойства, используемые для классификации базовых материалов ........ 128
6.4.
Типы материалов марки FRQ4 ................................................................... 133
6.5.
Идентификационная схема слоистых плат .............................................. 135
6.6.
Идентификационная схема препрега ....................................................... 139
6.7.
Процессы изготовления слоистых плат и препрегов ............................... 140
Литература ......................................................................................................... 146
Глава 7. Компоненты базовых материалов ........................................................... 147
7.1.
Введение...................................................................................................... 147
7.2.
Системы с эпоксидной смолой ................................................................. 147
7.3.
Другие полимерные системы..................................................................... 152
7.4.
Добавки ....................................................................................................... 154
7.5.
Армирование .............................................................................................. 160
7.6.
Проводящие материалы ............................................................................. 168
Литература ......................................................................................................... 176
Глава 8. Свойства базовых материалов ................................................................. 177
8.1.
Введение ...................................................................................................... 177
8.2.
Тепловые, физические и механические свойства .................................... 177
8.3.
Электрические свойства ............................................................................ 192
Литература ......................................................................................................... 196
Глава 9. Базовые материалы. Рабочие характеристики ........................................ 197
9.1.
Введение ...................................................................................................... 197
9.2.
Методы увеличения плотности монтажа схем ......................................... 198
9.3.
Медная фольга ............................................................................................ 198
9.4.
Конструкции композиционных диэлектриков ........................................ 204
9.5.
Пропитанная стеклоткань (препрег) и результирующие величины
в расчете на слой ......................................................................................... 207
Содержание 5
9.6.
Стабильность размеров .............................................................................. 208
9.7.
Материалы для плат с высокой плотностью межсоединений (HDI) ...... 212
9.8.
Образование проводящих анодных нитей ................................................ 214
9.9.
Электрические характеристики................................................................. 224
9.10.
Электрические характеристики материалов
с низкими значениями Dk/Df, совместимыми
с бессвинцовыми технологиями пайки ..................................................... 237
Литература ......................................................................................................... 238
Глава 10. Влияние бессвинцовой пайки на базовые материалы ......................... 239
10.1.
Введение .................................................................................................... 239
10.2.
Основы Директивы RоHS ........................................................................ 239
10.3.
Проблемы совместимости базовых материалов ..................................... 240
10.4.
Влияние бессвинцовой пайки на компоненты базовых материалов ........ 243
10.5.
Наиболее важные свойства базового материала..................................... 243
10.6.
Связь надежности печатных плат с выбором материала ....................... 259
10.7.
Выводы ...................................................................................................... 264
Литература ......................................................................................................... 265
Глава 11. Выбор базовых материалов применительно к бессвинцовой
технологии пайки ................................................................................................... 266
11.1.
Введение .................................................................................................... 266
11.2.
Взаимосвязь изготовления печатных плат и сборки
печатных узлов [1] .................................................................................... 266
11.3.
Правильный выбор базового материала для специального
использования [2, 3] ................................................................................. 273
11.4.
Пример применения механизма выбора ................................................. 281
11.5.
Пиковые температуры бессвинцовой пайки .......................................... 282
11.6.
Бессвинцовые технологии и требования стандарта IPCQ4101 ............... 283
11.7.
Дополнительные варианты выбора базовых материалов
для бессвинцовых технологий ................................................................. 284
11.8.
Выводы ...................................................................................................... 285
Литература ......................................................................................................... 286
Глава 12. Свойства базовых материалов и их испытания .................................... 287
12.1.
Введение .................................................................................................... 287
12.2.
Промышленные стандарты ...................................................................... 289
12.3.
Стратегия испытаний диэлектриков ....................................................... 290
12.4.
Начальные испытания ............................................................................. 292
12.5.
Полная оценка материала ........................................................................ 298
12.6.
Технологичность производства ............................................................... 316
ЧАСТЬ 4. РАЗРАБОТКА И ПРОЕКТИРОВАНИЕ ............................................. 318
Глава 13. Физические характеристики печатных плат ......................................... 318
13.1.
Классы конструкций печатных плат ....................................................... 318
13.2.
Типы печатных плат или компоновка электронных схем ..................... 325
13.3.
Методы монтажа компонентов ............................................................... 331
6
Содержание
13.4.
Типы корпусов компонентов ................................................................... 333
13.5.
Выбор материалов .................................................................................... 338
13.6.
Методы изготовления .............................................................................. 343
13.7.
Выбор типа компоновки и производителя ............................................. 345
Глава 14. Процесс проектирования печатных плат .............................................. 348
14.1.
Цель проектирования печатных плат ...................................................... 348
14.2.
Процесс проектирования ......................................................................... 348
14.3.
Средства проектирования ........................................................................ 355
14.4.
Выбор комплекта средств проектирования ............................................ 362
14.5.
Согласование CAEQ, CADQ и CAMQинструментов друг с другом ......... 363
14.6.
Входные данные для процесса проектирования .................................... 364
Глава 15. Электрические и механические параметры конструкции ................... 366
15.1.
Требования к проектированию печатных плат ....................................... 366
15.2.
Введение в устойчивость электрического сигнала ................................. 366
15.3.
Введение в электромагнитную совместимость ....................................... 369
15.4.
Расчет помех ............................................................................................. 369
15.5.
Проектирование с учетом устойчивости сигнала
и электромагнитной совместимости ....................................................... 370
15.6.
Требования к механической конструкции .............................................. 376
Литература ......................................................................................................... 386
Глава 16. Токонесущая способность печатных плат ............................................. 388
16.1.
Введение .................................................................................................... 388
16.2.
Диаграммы выбора размера проводника (трассы) ................................. 388
16.3.
Допустимая токовая нагрузка .................................................................. 390
16.4.
Диаграммы ................................................................................................ 391
16.5.
Диаграммы с базовой линией .................................................................. 400
16.6.
Эффект неправильной геометрии и «швейцарского сыра» ................... 411
16.7.
Толщина меди ........................................................................................... 412
Литература ......................................................................................................... 413
Глава 17. Проектирование тепловых характеристик печатных плат ................... 414
17.1.
Введение .................................................................................................... 414
17.2.
Печатная плата как теплосток для припаянных компонентов ............. 415
17.3.
Оптимизация печатной платы по тепловым характеристикам ............. 416
17.4.
Кондуктивный теплоотвод на корпус ..................................................... 428
17.5.
Требования к теплостокам ....................................................................... 432
17.6.
Моделирование тепловых характеристик печатной платы ................... 433
Литература ......................................................................................................... 437
Глава 18. Форматирование и обмен информацией .............................................. 439
18.1.
Введение в обмен данными...................................................................... 439
18.2.
Процесс обмена данными ........................................................................ 442
18.3.
Форматы обмена данными ...................................................................... 448
18.4.
Движение к совершенству ....................................................................... 464
Содержание 7
18.5.
Благодарности .......................................................................................... 465
Литература ......................................................................................................... 465
Глава 19. Планирование проектирования, изготовления и монтажа ................. 466
19.1.
Введение .................................................................................................... 466
19.2.
Общие соображения ................................................................................. 468
19.3.
Проектирование новой продукции ......................................................... 469
19.4.
Планирование компромиссных топологий ............................................ 475
19.5.
Планирование компромиссов при изготовлении платы ....................... 483
19.6.
Планирование компромиссов при сборке .............................................. 491
Литература ......................................................................................................... 494
Глава 20. Производственная информация, документация и ее передача,
включая данные автоматизированной технологической обработки
для изготовления и сборки .................................................................................... 495
20.1.
Введение .................................................................................................... 495
20.2.
Производственная информация.............................................................. 496
20.3.
Предварительный анализ проекта ........................................................... 502
20.4.
Ввод задания на проектирование ............................................................ 513
20.5.
Анализ и проверка конструкции ............................................................. 517
20.6.
Процессы наладки САМ .......................................................................... 518
20.7.
Дополнительные процессы ...................................................................... 535
20.8.
Признательность ...................................................................................... 537
Глава 21. Встроенные компоненты ....................................................................... 538
21.1.
Введение .................................................................................................... 538
21.2.
Определения и примеры .......................................................................... 538
21.3.
Использование и компромиссы .............................................................. 539
21.4.
Проектирование встраиваемых компонентов ........................................ 541
21.5.
Материалы ................................................................................................ 544
21.6.
Применяемые материалы ........................................................................ 547
ЧАСТЬ 5. МЕЖСОЕДИНЕНИЯ ВЫСОКОЙ ПЛОТНОСТИ ............................ 551
Глава 22. Введение в технологии межсоединений высокой плотности (HDI) ........ 551
22.1.
Введение .................................................................................................... 551
22.2.
Определения ............................................................................................. 551
22.3.
Структуры HDI ......................................................................................... 556
22.4.
Проектирование ....................................................................................... 562
22.5.
Диэлектрические материалы и методы нанесения покрытий ............... 564
22.6.
Технологические процессы изготовления HDI ...................................... 581
Литература ......................................................................................................... 593
Дополнительные библиографические ссылки ................................................ 594
Глава 23. Современные технологии межсоединений
высокой плотности (HDI) ..................................................................................... 595
23.1.
Введение .................................................................................................... 595
23.2.
Определения технологических факторов HDI ....................................... 595
8
Содержание
23.3.
Процесс изготовления плат категории HDI ........................................... 597
23.4.
Технологические процессы HDI следующего поколения ..................... 630
Литература ......................................................................................................... 635
ЧАСТЬ 6. ПРОИЗВОДСТВО................................................................................. 636
Глава 24. Процессы сверления............................................................................... 636
24.1.
Введение .................................................................................................... 636
24.2.
Материалы ................................................................................................ 637
24.3.
Станки ....................................................................................................... 645
24.4.
Методы ...................................................................................................... 651
24.5.
Качество отверстия................................................................................... 656
24.6.
Проверка после сверления ....................................................................... 656
24.7.
Затраты на сверление в расчете на одно отверстие ................................ 657
Глава 25. Прецизионное сверление межсоединений ........................................... 661
25.1.
Введение .................................................................................................... 661
25.2.
Факторы, определяющие сверление HDIQплат ...................................... 661
25.3.
Лазер в сравнении с механическим способом ........................................ 662
25.4.
Факторы эффективности сверления HDIQплат ..................................... 665
25.5.
Методы сверления с контролем глубины ............................................... 671
25.6.
Сверление глубоких отверстий ................................................................ 672
25.7.
Проверка внутренних слоев многослойных плат ................................... 676
Глава 26. Формирование изображения ................................................................. 683
26.1.
Введение .................................................................................................... 683
26.2.
Фоточувствительные материалы ............................................................. 684
26.3.
Сухие пленочные фоторезисты ............................................................... 687
26.4.
Жидкие фоторезисты ............................................................................... 691
26.5.
Электрофоретически осаждаемый фоторезист ...................................... 692
26.6.
Обработка фоторезиста ............................................................................ 693
26.7.
Проектирование для производства ......................................................... 716
Литература ......................................................................................................... 719
Глава 27. Материалы и процессы многослойных плат ........................................ 721
27.1.
Введение .................................................................................................... 721
27.2.
Материал для печатных плат ................................................................... 723
27.3.
Типы многослойных конструкций .......................................................... 743
27.4.
Обработка многослойных печатных плат (МПП)
и соответствующие им технологические схемы ..................................... 773
27.5.
Процесс прессования ............................................................................... 795
27.6.
Управление процессом прессования и устранение неполадок.............. 805
27.8.
Выводы относительно МПП ................................................................... 810
Литература ......................................................................................................... 811
Глава 28. Подготовка плат к металлизации .......................................................... 812
28.1.
Введение .................................................................................................... 812
28.2.
Технологические решения ....................................................................... 812
Содержание 9
28.3.
Процессы водоподготовки ....................................................................... 815
28.4.
Подготовка отверстий к металлизации ................................................... 817
28.5.
Химическое меднение [5–10] .................................................................. 822
28.6.
Благодарности .......................................................................................... 825
Литература ......................................................................................................... 825
Глава 29. Гальванические покрытия ...................................................................... 827
29.1.
Введение .................................................................................................... 827
29.2.
Основы гальванических покрытий ......................................................... 827
29.3.
Отверстия с высоким характеристическим отношением
и металлизация микропереходов ............................................................ 828
29.4.
Горизонтальное гальванопокрытие ......................................................... 830
29.5.
Общие вопросы медного гальванопокрытия .......................................... 833
29.6.
Кислые сернокислые электролиты меднения и их эксплуатация ......... 843
29.7.
Гальваническое осаждение припоя (оловаQсвинца) ............................... 850
29.8.
Электролитическое осаждение олова ..................................................... 853
29.9.
Электролитическое осаждение никеля ................................................... 855
29.10.
Электролитическое осаждение золота .................................................. 858
29.11.
Платиновые металлы .............................................................................. 862
29.12.
Электролитическое осаждение серебра ................................................ 863
29.13.
Лабораторный контроль процесса......................................................... 863
29.14.
Благодарности ......................................................................................... 866
Литература ......................................................................................................... 866
Глава 30. Прямая металлизация ............................................................................ 867
30.1.
Технология прямой металлизации .......................................................... 867
Литература ......................................................................................................... 879
Глава 31. Производство печатных плат на основе толстослойного
химического меднения .......................................................................................... 880
31.1.
Толстослойное химическое меднение ..................................................... 880
31.2.
Аддитивный процесс и его варианты ...................................................... 881
31.3.
Аддитивный процесс металлизации рисунка ......................................... 881
31.4.
Адитивный процесс панельной металлизации ....................................... 887
31.5.
Частично аддитивный процесс ................................................................ 889
31.6.
Химия химической металлизации ........................................................... 890
31.7.
Проблемы толстослойного химического меднения ............................... 894
Литература ......................................................................................................... 896
Глава 32. Финишные покрытия печатных плат .................................................... 898
32.1.
Введение .................................................................................................... 898
32.2.
Альтернативные виды финишных покрытий ......................................... 900
32.3.
Облуживание с выравниванием горячим воздухом
(HASL или HAL) ...................................................................................... 901
32.4.
Химическое осаждение никеля и иммерсионное золочение (ENIG) ....... 903
32.5.
Органическое защитное покрытие (ОЗП) .............................................. 906
32.6.
Иммерсионное серебро ............................................................................ 909
10
Содержание
32.7.
Иммерсионное олово ............................................................................... 911
32.8.
Другие виды финишных покрытий ......................................................... 912
32.9.
Совместимость сборки ............................................................................. 915
32.10.
Методы испытания надежности ............................................................ 919
32.11.
Специальные темы ................................................................................. 920
32.12.
Режимы отказов ...................................................................................... 922
32.13.
Сравнение свойств финишных покрытий ............................................ 926
Литература ......................................................................................................... 927
Глава 33. Паяльная маска ....................................................................................... 928
33.1.
Введение .................................................................................................... 928
33.2.
Тенденции и проблемы, связанные с паяльной маской ........................ 929
33.3.
Типы паяльной маски............................................................................... 931
33.4.
Выбор паяльной маски............................................................................. 932
33.5.
Нанесение и обработка паяльной маски ................................................ 938
33.6.
Защита переходных отверстий................................................................. 951
33.7.
Финальные свойства паяльной маски .................................................... 953
33.8.
Условные обозначения и маркировка (номенклатура) .......................... 953
Глава 34. Технологии и процессы травления ........................................................ 956
34.1.
Введение .................................................................................................... 956
34.2.
Основные положения и процедуры травления ...................................... 957
34.3.
Удаление резиста....................................................................................... 960
34.4.
Травильные растворы ............................................................................... 962
34.5.
Другие материалы, использующиеся в конструкции платы .................. 980
34.6.
Прочие металлы ........................................................................................ 981
34.7.
Основы травления рисунка ...................................................................... 982
34.8.
Оборудование и методы ........................................................................... 990
Литература ......................................................................................................... 994
Глава 35. Механическая обработка по контуру .................................................... 997
35.1.
Введение .................................................................................................... 997
35.2.
Пробивка отверстий ................................................................................. 997
35.3.
Вырубка и резка заготовок из фольгированных
слоистых материалов ............................................................................. 1000
35.4.
Фрезерование.......................................................................................... 1003
35.5.
Скрайбирование ..................................................................................... 1012
35.6.
Благодарности ........................................................................................ 1015
ЧАСТЬ 7. ТЕСТИРОВАНИЕ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ.....................................................1026
Глава 36. Тестирование печатных плат. Основные цели и определения....... 1026
36.1.
Введение .............................................................................................. 1026
36.2.
Влияние плат HDI ..............................................................................1026
36.3.
Зачем нужны испытания? ..................................................................1028
36.4.
Виды брака печатных плат.................................................................1032
Глава 37. Методы испытаний печатных плат ...................................................1036
37.1.
Введение .............................................................................................. 1036
37.2.
Неэлектрические методы испытаний ...............................................1036
37.3.
Основные методы электрических испытаний..................................1037
37.4.
Специальные методы электрических испытаний ............................1047
37.5.
Подготовка данных и испытательного оборудования(адаптеров) 1053
37.6.
Комбинированные методы испытаний.............................................1062
Глава 38. Оборудование дляи спытаний печатных плат..................................1064
38.1.
Введение .............................................................................................. 1064
38.2.
Виды тест-систем................................................................................1064
38.3.
Универсальные матричные системы.................................................1067
38.4.
Тест-системы с летающими зондами................................................1084
38.5.
Верификацияр езультатов испытаний и ремонт ..............................1089
38.6.
Планирование и управление отделом испытаний ...........................1091
Глава 39. Специальные методы испытаний печатных плат
с высокой плотностью проводящего рисунка ..................................................1094
39.1.
Введение .............................................................................................. 1094
39.2.
Адаптеры с большой плотностью наводящихся зондов ..................1095
39.3.
Адаптеры с гибкими зондами............................................................1096
39.4.
Летающие зонды.................................................................................1097
39.5.
Связанная (парная) пластина ............................................................1098
39.6.
Закорачивающие пластины ...............................................................1098
39.7.
Адаптер из проводящей резины........................................................1099
39.8.
Оптический контроль.........................................................................1100
39.9.
Бесконтактные методы испытаний...................................................1100
39.10.
Комбинированные методы испытаний.............................................1102
ЧАСТЬ 8. МОНТАЖ ......................................................................................................1103
Глава 40. Процессы монтажа .............................................................................1103
40.1.
Введение .............................................................................................. 1103
40.2.
Технологиям онтажа в сквозные отверстия..................................... 1106
40.3.
Технологияповерх ностного монтажа ...............................................1121
40.4.
Монтаж компонентов сложной формы ............................................1158
40.5.
Контроль процессов монтажа............................................................1166
40.6.
Выбор технологического оборудования............................................1176
40.7.
Восстановление и доработка печатных плат ....................................1180
40.8.
Конформные покрытия, герметики и наполнители........................1191
40.9.
Благодарности..................................................................................... 1194
Глава 41. Конформные покрытия..................................................................... 1195
41.1.
Введение .............................................................................................. 1195
41.2.
Виды конформных покрытий............................................................1199
41.3.
Подготовка печатных плат.................................................................1203
41.4.
Нанесение покрытий..........................................................................1204
41.5.
Сушка, контроль и финишные операции ........................................1208
41.6.
Удаление и восстановление покрытий при ремонте
и доработке печатных плат ...............................................................1211
41.7.
Проектирование конформных покрытий.........................................1212
Литература ..................................................................................................... 1216
ЧАСТЬ 9. ТЕХНОЛОГИИ ПАЙКИ .............................................................................1217
Глава 42. Паяемость: методы входного контроля
и испытанияпо балансу смачиваемости...........................................................1217
42.1.
Введение.............................................................................................. 1217
42.2.
Паяемость............................................................................................ 1218
42.3.
Испытание паяемости. Научный подход..........................................1223
42.4.
Влияние температуры на результаты испытаний.............................1229
42.5.
Интерпретации результатов: испытанияпая емости
с использованием баланса смачивания............................................1230
42.6.
Капельный метод испытаний ............................................................1233
42.7.
Финишные поверхности печатных плат и испытание паяемости 1234
42.8.
Паяемость компонентов ....................................................................1242
Глава 43. Флюсы и отмывка...............................................................................1247
43.1.
Введение.............................................................................................. 1247
43.2.
Процесс монтажа................................................................................1248
43.3.
Финишные покрытия......................................................................... 1250
43.4.
Паяльные флюсы................................................................................1252
43.5.
Виды флюсов и процесс пайки .........................................................1254
43.6.
Флюсы на основе канифоли..............................................................1255
43.7.
Водорастворимые флюсы...................................................................1257
43.8.
Флюсы с низким содержанием твердых веществ ............................1258
43.9.
Вопросы отмывки...............................................................................1259
43.10.
Заключение ......................................................................................... 1263
Литература ..................................................................................................... 1263
ЧАСТЬ 10. МАТЕРИАЛЫ И ПРОЦЕССЫ ПАЙКИ .................................................1265
Глава 44. Основы пайки ..................................................................................... 1265
44.1.
Введение .............................................................................................. 1265
44.2.
Элементы паяного соединения .........................................................1267
44.3.
Методы соединениям еталлов ...........................................................1267
44.4.
Припои ................................................................................................ 1268
44.5.
Основы пайки ..................................................................................... 1269
Глава 45. Материалы дляпайки и их металлургические свойства .................1275
45.1.
Введение .............................................................................................. 1275
45.2.
Припои ................................................................................................ 1277
45.3.
Припои и коррозия............................................................................ 1280
1020
Содержание
45.4.
Бессвинцовые припои: поиск альтернатив и сложности ................1281
45.5.
Пригодные дляприпоев сплавы элементов,
не содержащие свинца ......................................................................1282
45.6.
Покрытияп оверхностей плат............................................................1290
Литература ..................................................................................................... 1302
Глава 46. Флюсы дляп айки ...............................................................................1304
46.1.
Введение: флюсы ................................................................................1304
46.2.
Активность и свойства флюса ...........................................................1306
46.3.
Флюс: идеальное против реального ..................................................1307
46.4.
Типы флюсов ...................................................................................... 1308
46.5.
Водосмываемые (водные) флюсы .....................................................1309
46.6.
Несмываемые флюсы.........................................................................1313
46.7.
Прочие рекомендации по использованию флюса ...........................1316
46.8.
Среда пайки ........................................................................................ 1320
Литература ..................................................................................................... 1325
Глава 47. Технология пайки...............................................................................1327
47.1.
Введение.............................................................................................. 1327
47.2.
Методы групповой пайки ..................................................................1327
47.3.
Пайка оплавлением в печи ................................................................1328
47.4.
Пайка волной припоя........................................................................ 1367
47.5.
Дефекты пайки волной припоя......................................................... 1385
47.6.
Пайка оплавлением в паровой фазе .................................................1388
47.7.
Пайка лазерным оплавлением...........................................................1391
47.8.
Инструментарий, копланарность и плотный контакт.....................1401
47.9.
Дополнительные информационные источники...............................1405
47.10.
Термокомпрессионнаяп айка ............................................................1405
47.11.
Пайка горячим газом..........................................................................1413
47.12.
Ультразвуковаяпайк а.........................................................................1414
Литература ..................................................................................................... 1416
Глава 48. Ремонт и перепайка паяных соединений .........................................1418
48.1.
Вводная часть...................................................................................... 1418
48.2.
Ремонт методом пайки струей горячего газа....................................1418
48.3.
Ручнаяпайк а микроволной ...............................................................1424
48.4.
Автоматизированная пайка микроволной........................................1425
48.5.
Пайка лазером .................................................................................... 1426
48.6.
Соображения по ремонту...................................................................1426
Литература ..................................................................................................... 1428
ЧАСТЬ 11. НЕПАЯННЫЕ СОЕДИНЕНИЯ ...............................................................1429
Глава 49. Непаянные соединения, выполняемые запрессовкой.....................1429
49.1.
Вводная часть...................................................................................... 1429
49.2.
Продвижение press-fit-технологии ....................................................1430
49.3.
Геометриятипа compliant pin ............................................................1431
49.4.
Важные факторы press-fit-технологии ..............................................1433
49.5.
Материалы дляpre ss-fit-контактов....................................................1434
49.6.
Роль поверхностных покрытий .........................................................1435
49.7.
Оборудование...................................................................................... 1438
49.8.
Технологиясбор ки .............................................................................1440
Содержание 1021
49.9.
Режимы запрессовки ..........................................................................1441
49.10.
Рекомендации по конструкции печатных плат
и материально техническому обеспечению ......................................1444
49.11.
Рекомендации по технологии запрессовки ......................................1445
49.12.
Контроль и испытания....................................................................... 1447
49.13.
Пайка и запрессовка штырьковых выводов .....................................1448
Литература ..................................................................................................... 1448
Глава 50. Межкомпонентные соединенияLGA-компон ентов .......................1449
50.1.
Вводная часть...................................................................................... 1449
50.2.
СоединенияLGA и экологические требования ...............................1449
50.3.
Элементы LGA-системы....................................................................1450
50.4.
Сборка ................................................................................................. 1454
50.6.
Замечанияпо конструкции платы ....................................................1458
Литература ..................................................................................................... 1458
ЧАСТЬ 12. КАЧЕСТВО..................................................................................................1459
Глава 51. Контроль качества изготовления плат..............................................1459
51.1.
Введение.............................................................................................. 1459
51.2.
Критерии особого качества и приемлемости по типам PCB..........1461
51.3.
Методы подтвержденияк ачества ......................................................1462
51.4.
Формирование контрольной партии.................................................1464
51.5.
Категории проверок ...........................................................................1465
51.6.
Приемлемость и качество после цикла(ов) имитируемой пайки ...1466
51.7.
ПП, не соответствующие требованиям, и функция комиссии
по проверке качества материалов (MRB) ........................................1468
51.8.
Стоимость смонтированной PCB......................................................1469
51.9.
Как разработать критерии качества ..................................................1469
51.10.
Классы применения........................................................................... 1472
51.11.
Критерии проверки ............................................................................1472
51.12.
Оценка надежности ускоренными испытаниями ............................1497
Глава 52. Критерии приемлемости печатных узлов.........................................1500
52.1.
Понимание требований заказчика ....................................................1500
52.2.
Правильное обращение с печатными узлами...................................1509
52.3.
Критерии качества креплений печатных узлов................................1512
52.4.
Требованияк установке или размещению компонентов ................1518
52.5.
Требованияк паяемости компонентов и печатной платы..............1528
52.6.
Дефекты припоя .................................................................................1529
52.7.
Требования к состоянию основания, чистоте
и маркировке печатных узлов...........................................................1536
52.8.
Покрытияпеч атных узлов .................................................................1539
52.9.
Непаянные соединения проводов накруткой (WIRE WRAP) .........1541
52.10.
Модификации печатных узлов ..........................................................1543
Литература ..................................................................................................... 1545
Глава 53. Контроль сборки ................................................................................1546
53.1.
Введение.............................................................................................. 1546
53.2.
Определениядефектов и отказов.
Индикаторы процессов и потенциальные дефекты........................1548
53.3.
Причины осуществленияпрои зводственного контроля................. 1550
1022
Содержание
53.4.
Влияние бессвинцового исполненияна процедуру контроля........ 1554
53.5.
Уменьшение габаритов и более высокий уровень сложности ........1556
53.6.
Визуальный контроль.........................................................................1557
53.7.
Автоматизированный контроль.........................................................1563
53.8.
Трехмерный автоматизированный контроль припойной пасты.....1566
53.9.
АОИ перед оплавлением припоя...................................................... 1568
53.10.
Автоматизированный контроль после оплавления..........................1571
53.11.
Внедрение систем контроля.............................................................. 1579
53.12.
Ожидаемые осложнения, связанные с системами контроля ..........1581
Литература ..................................................................................................... 1582
Глава 54. Проектирование, обеспечивающее тестируемость ..........................1583
54.1.
Вводнаяч асть...................................................................................... 1583
54.2.
Определения....................................................................................... 1584
54.3.
Ситуационное проектирование,
обеспечивающее тестопригодность ..................................................1585
54.4.
Структурное проектирование,
обеспечивающее тестопригодность ..................................................1588
54.5.
Тестирование на основе стандартов..................................................1589
Литература ..................................................................................................... 1598
Глава 55. Тестирование смонтированных плат ................................................1599
55.1.
Введение .............................................................................................. 1599
55.2.
Процесс тестирования........................................................................ 1601
55.3.
Определения....................................................................................... 1603
55.4.
Методы тестирования........................................................................ 1609
55.5.
Методы внутрисхемного тестирования.............................................1614
55.6.
Альтернативы типовым электрическим испытаниям .....................1621
55.7.
Сравнение испытательных устройств ...............................................1624
Литература ..................................................................................................... 1625
ЧАСТЬ 13. НАДЕЖНОСТЬ...........................................................................................1626
Глава 56. Образование проводящих анодных нитей........................................1626
56.1.
Введение .............................................................................................. 1626
56.2.
Понимание образованияCA F ...........................................................1626
56.3.
Электромеханическаям играцияи образование CAF......................1631
56.4.
Факторы, влияющие на образование CAF .......................................1634
56.5.
Тестовый метод дляCAF -устойчивых материалов ..........................1637
56.6.
Учет производственных допусков .....................................................1637
Литература ..................................................................................................... 1638
Глава 57. Надежность печатных узлов ..............................................................1641
57.1.
Основные принципы надежности.....................................................1642
57.2.
Механизмы отказов печатных плат и их межсоединений...............1645
57.3.
Влияние конструкции на надежность...............................................1665
57.4.
Влияние на надежность условий производства
печатных плат и печатных узлов ......................................................1667
57.5.
Влияние выбора материалов на надежность ....................................1679
57.6.
Отбраковочные, приемочные испытания
и ускоренные испытаниян адежности .............................................1692
57.7.
Заключение ......................................................................................... 1704
Содержание 1023
Литература ..................................................................................................... 1705
Дополнительнаял итература .........................................................................1707
Глава 58. Надежность монтажа компонентов на печатных платах —
влияние конструкций и бессвинцовых технологий .........................................1708
58.1.
Введение .............................................................................................. 1708
58.2.
Проблемы компоновки ......................................................................1709
58.3.
Факторы влияния на надежность......................................................1713
Литература ..................................................................................................... 1747
Глава 59. Надежность компонентов печатной платы: оценка
надежности паяных соединений и влияние бессвинцовых припоев..............1750
59.1.
Введение .............................................................................................. 1750
59.2.
Термомеханическаян адежность........................................................1752
59.3.
Механическаян адежность .................................................................1774
59.4.
Анализ методом конечных элементов (FEA) ...................................1782
Литература ..................................................................................................... 1794
ЧАСТЬ 14. ПРОБЛЕМЫ ЭКОЛОГИИ........................................................................1797
Глава 60. Минимизацияи обработка промышленных отходов ......................1797
60.1.
Предисловие........................................................................................ 1797
60.2.
Соблюдение установленных норм.....................................................1797
60.3.
Основные источники и количество сточных вод
на предприятиях по изготовлению печатных плат .........................1800
60.4.
Минимизация отходов .......................................................................1803
60.5.
Методы предупрежднияз агрязнения................................................1804
60.6.
Методы рециркуляции и восстановления ........................................1813
60.7.
Альтернативные методы обработки ..................................................1818
60.8.
Системы химической очистки...........................................................1821
60.9.
Преимущества и недостатки различных методов обработки..........1826
ЧАСTЬ 15. ГИБКИЕ ПЕЧАТНЫЕ ПЛАТЫ ...............................................................1828
Глава 61. Применениe гибких плат и материалы.............................................1828
61.1.
Введение .............................................................................................. 1828
61.2.
Примененияги бких печатных плат ..................................................1831
61.3.
Гибкие печатные платы высокой плотности....................................1832
61.4.
Материалы дляизгото влениягибких плат .......................................1834
61.5.
Свойства метариалов подложек.........................................................1836
61.6.
Проводниковые материалы ...............................................................1842
61.7.
Фольгированные диэлектрики ..........................................................1844
61.8.
Материалы покрывного слоя............................................................. 1851
61.9.
Упрочняющие материалы ..................................................................1857
61.10.
Адгезивы.............................................................................................. 1858
61.11.
Вопросы ограниченияиспользованиявредных веществ (ROHS) 1858
Глава 62. Проектирование гибких печатных плат............................................1860
62.1.
Введение .............................................................................................. 1860
62.2.
Методика проектирования.................................................................1860
62.3.
Типы гибких печатных плат ..............................................................1861
62.4.
Конструкции, обеспечивающие гибкость ........................................1873
1024
Содержание
62.5.
Электрическаяк онструкцияп лат .....................................................1878
62.6.
Конструирование дляо беспечениявы сокой надежности...............1878
62.7.
Конструкциягибких плат, соответствующаятребования м ROHS 1880
Глава 63. Производство гибких плат .................................................................1881
63.1.
Введение .............................................................................................. 1881
63.2.
Специальные выпуски гибких печатных плат
с высокой плотностью межсоединений (HDI)................................1882
63.3.
Элементы основного процесса ..........................................................1883
63.4.
Новые процессы длят онких проводников.......................................1897
63.5.
Покровные процессы .........................................................................1907
63.6.
Обработка поверхности......................................................................1914
63.7.
Обработка контура .............................................................................1916
63.8.
Процессы жестких вставок ................................................................1918
63.9.
Упаковка.............................................................................................. 1919
63.10.
Производство «с рулона на рулон» ...................................................1919
63.11.
Контроль размеров .............................................................................1922
Глава 64. Соединенияги бких плат....................................................................1927
64.1.
Введение .............................................................................................. 1927
64.2.
Выбор технологий соединения.......................................................... 1928
64.3.
Постоянные соединения....................................................................1931
64.4.
Полупостоянные соединения ............................................................1940
64.5.
Разъемные соединения....................................................................... 1943
64.6.
Соединенияги бких печатных плат высокой плотности .................1951
Глава 65. Многослойные гибкие и гибко-жесткие платы ...............................1953
65.1.
Введение .............................................................................................. 1953
65.2.
Многослойные гибко-жесткие платы...............................................1953
Глава 66. Специальные контрукции гибких плат ............................................1965
66.1.
Введение .............................................................................................. 1965
66.2.
Констукции микропроволочных выводов ........................................1965
66.3.
Автоматизированнаясборка кристаллов на ленточном носителе 1973
66.4.
Матрица микроконтактных выводов ................................................1976
66.5.
Толстопленочные гибкие печатные платы.......................................1979
66.6.
Экранирование гибких каблей ..........................................................1981
66.7.
Функциональные гибкие схемы........................................................1982
Глава 67. Гарантияк ачества гибких схем .........................................................1983
67.1.
Введение .............................................................................................. 1983
67.2.
Основные принципы обеспеченияк ачества гибких схем...............1983
67.3.
Автоматические оптические системы контроля.............................. 1985
67.4.
Измеренияр азмеров...........................................................................1985
67.5.
Электрические испытания................................................................. 1986
67.6.
Последовательность проверки...........................................................1988
67.7.
Сырье................................................................................................... 1988
67.8.
Проверка элементов гибкой схемы...................................................1989
67.9.
Стандарты и спецификации дляги бких схем..................................1993
Глоссарий ............................................................................................................ 1995
Послесловие редактора....................................................................................... 2009
Предметный указатель........................................................................................ 2011
Введение
С вступлением в силу директивы Европейского союза (ЕС) по ограничению ис
пользования опасных веществ (RoHS) в производстве печатных плат произошла
беспрецедентная технологическая революция. Результатом этой революции ста
ла новая технология, обычно обозначаемая термином «бессвинцовая». Этот тер
мин читатель будет встречать в этом справочнике, хотя ограничения по примене
нию затрагивают, дополнительно к свинцу, еще несколько материалов, перечис
ленных в гл. 1. Причиной выделения именно свинца является то, что ограниче
ние его применения оказало наибольшее воздействие на промышленное
производство плат, так как он использовался в пайке для межсоединений различ
ных компонентов.
Эти изменения не были вызваны требованием рынка или технологическим
прогрессом; скорее всего, они были узаконены с учетом пользы для общества в
целом. Хотя влияние ограничения использования свинца при сборке печатных
плат на глобальную окружающую среду было источником непрекращающихся
дебатов, однако эти ограничения были приняты и стали учитываться при проек
тировании, изготовлении и монтаже печатных плат.
Оловянно свинцовый припой был основой межсоединений с самого начала
использования печатных плат, и все материалы и процессы разрабатывались с
учетом использования именно этого материала. Переход на новые припои поста
вил много вопросов по процессам и технологиям, которые теперь должны были
приспосабливаться и изменяться, чтобы удовлетворить новым требованиям. Опыт
прошлых лет и научно техническая литература не могли дать ответ на все эти воп
росы. Цель книги состоит в том, чтобы предоставить нужную информацию на
сколько возможно в более конкретном и подробном виде, используя промыш
ленные стандарты там, где они существуют, и передовой опыт, имеющий техно
логическое обоснование и продемонстрировавший свою работоспособность там,
где соответствующих стандартов нет.
Наиболее ощутимые изменения затрагивают металлургию припоя и контак
тирующих поверхностей. Все альтернативные сплавы припоя плавятся при тем
пературе выше, чем эвтектический припой, и это потребовало разработки новых
базовых материалов для изготовления плат, а также новых процессов монтажа,
методов испытаний, критериев надежности и способов их контроля. Описание
бессвинцовых альтернативных сплавов в книге начинается с выбора из таблицы
химических элементов тех, которые могут стать кандидатами на использование, а
также с анализа их влияния на свойства припоя. Физика и материаловедение дол
жны помочь в выборе подходящей альтернативы эвтектическому припою. А что
бы читатель смог выбрать базовый материал для плат, пригодный для монтажа
при повышенной температуре и для более высоких рабочих частот, авторы обра
щаются к химии материалов.
С момента обнародования природоохранной директивы ЕС проблема долго
срочной надежности изделий и методика ее контроля в этой новой ситуации по
глотили огромный объем корпоративных ресурсов. Прогностические модели и
архив данных были основаны на оловянно свинцовых сплавах, а для бессвинцо
12 Введение
вых аналогов требовались уже новые модели. В этом издании справочника был
добавлен новый материал и расширен существующий, посвященный этой про
блеме.
Хотя революция в электронной промышленности, вызванная бессвинцовой
технологией производства печатных плат, привлекла к себе очень большое вни
мание, все же наряду с этим происходили и важные эволюционные изменения,
результатом которых стали монтаж схем и размещение компонент повышенной
плотности, а также их более быстрое изготовление. Благодаря этому платы с пе
чатным монтажом продолжали проектироваться мельче, чем когда бы то ни было,
или, наоборот, крупнее, чтобы удовлетворять требованиям конкретных приложе
ний. Эта книга знакомит читателя со всеми этими достижениями. Продолжение
глобализации производства печатных плат и сокращение времени выхода на ры
нок и запуска серийного производства все острее ставят вопрос о необходимости
принятия международных стандартов, которые бы охватывали данные по монта
жу, проектированию и связям и позволили бы каждому организационному эле
менту в цепи поставок функционировать эффективней, с минимальной ручной
доводкой и минимальными задержками, обычно вызванными разъяснениями
проекта. Для рассмотрения этих вопросов нами впервые были добавлены новые
главы.
Были также включены дополнительные материалы по встроенным компонен
там и комформным покрытиям, которые являются важными для многих облас
тей их использования.
Настоящее издание справочника дает описание новых элементов обработки
печатных плат, имеющих как революционное, так и эволюционное происхожде
ние, по прежнему сохраняя в качестве фундамента технологические основы их
изготовления. Не имеет значения, насколько изощренным становится передовой
край технологии, так как в центральной части всех печатных схем по прежнему
находится сквозное металлизированное отверстие в его разнообразных видах и
способах применения. Оно остается одним из наиболее важных технических дос
тижений XX века. По прежнему, основываясь на металлизированном сквозном
отверстии, технология создания печатных плат за прошедшие годы существенно
развилась, став надежнее, эффективнее и воспроизводимей, но процесс, кото
рый был описан в первом издании этой книги, по прежнему узнаваем в ее шес
том издании. В результате те, кто знакомится с этой технологией впервые, все
еще смогут найти вводную информацию, тогда как опытные специалисты найдут
промышленные стандарты и передовой опыт для освоения самых последних дос
тижений.
По мере своего развития промышленность изготовления печатных плат ста
новится все более специализированной, что настоятельно требует стандартиза
ции документов и методов связи, а также понимания конкретных возможностей
всех поставщиков в общей цепи поставок. Результатом является достоверное зна
ние всех возможностей и ограничений процесса на каждом его этапе, начиная с
проектирования платы, четко учитывающее все эти обстоятельства, а согласован
ный критерий приемлемости при этом одобряется до того, как ответственность за
плату переходит от проектировщика к производителю для ее сборки. Это порож
Введение 13
дает сообщество людей, которые, занимаясь поставками, до этого не были близко
связаны с технологией производства печатных плат и которые теперь обнаружи
ли необходимые практические знания по их изготовлению в своей повседневной
работе. Книга также предоставляет для них определенную полезную информа
цию. Они найдут не только базовую информацию, которая будет полезной для
понимания технологических вопросов, но также инструкции по созданию цепи и
ее управлению.
С технологической точки зрения предпочтительным для обозначения пред
мета этой книги является термин «печатный монтаж» или «монтаж травлением»,
но термин «печатные платы» уже вошел в разговорную речь многих народов мира
как представляющий процесс изготовления и его продукцию, описываемые в этой
книге. Поэтому мы будем использовать все эти термины как взаимозаменяемые.
Все изменения в технологии изготовления печатных плат нашли свое отраже
ние в этой книге, что привело к тому, что более 75% ее глав были либо исправле
ны, либо являются новыми, свидетельствуя, что шестое издание содержит самую
последнюю информацию.
Продолжающееся сотрудничество с руководством и сотрудниками Ассоциа
ции связей в электронной промышленности (IPC) и их поддержка являются нео
ценимыми не только для этого издания, но и для всех предыдущих изданий этого
справочника. Ассоциация IPC под руководством Рэя Притчарда, в настоящее вре
мя ушедшего в отставку, и Дитера Бергмана в 2007 г. отметила свое 50 летие, и
невозможно переоценить вклад, который она внесла не только в электронную про
мышленность, но и в современный мир в целом, который все в большей степени
опирается на достижения электроники. Особая признательность выражается Дже
ку Кроуфорду за помощь в подборе и предоставлении материалов IPC, которые
были важны при подготовке этого издания.
В завершение хотелось бы выразить свою признательность и благодарность
авторам, которые уделили свое время и поделились опытом при подготовке глав
этой книги. Все они внесли неоценимый вклад в развитие технической литерату
ры и электронной промышленности.
Клайд E. Кумбс младший, главный редактор
×ÀÑÒÜ 1
ÇÀÊÎÍÎÄÀÒÅËÜÑÒÂÎ ÏÎ ÎÃÐÀÍÈ×ÅÍÈÞ
ÈÑÏÎËÜÇÎÂÀÍÈß ÑÂÈÍÖÀ
ÃËÀÂÀ 1
ÇÀÊÎÍÎÄÀÒÅËÜÑÒÂÎ È ÅÃÎ ÂËÈßÍÈÅ
ÍÀ ÏÅ×ÀÒÍÛÅ ÏËÀÒÛ
Gary M. Freedman
Hewlett Packard Corporation, Business Critical Systems, Singapore
1.1. Обзор законодательства
Увеличение количества производимой продукции и быстрое старение бытовой и
промышленной электроники способствовали составлению Европейским союзом
(ЕС) двух разделов законодательства по защите окружающей среды, которые ока
зывают воздействие на электронную промышленность:
• Директива 2002 96 EC от 27 января 2003 г. Европарламента и Совета по от
ходам электрического и электронного оборудования, сокращенно обозна
чается WEEE;
• Директива 2002 95 EC от 27 января 2003 г. Европарламента и Совета Евро
пы, которая ограничивает применение определенных опасных веществ в
электрическом и электронном оборудовании, сокращенно обозначается
RoHS (ограничение использования опасных веществ).
1.2. Отходы электрического и электронного
оборудования (WEEE)
Эта директива Европейского союза полностью вступила в силу в августе 2005 г.
Она требует от производителей, продающих электрическое или электронное обо
рудование странам, являющимся членами Европейского союза, нести ответствен
ность за утилизацию в конце срока эксплуатации своих изделий. Эта Директива
ограничивает количество различных материалов, закапываемых в землю в виде
мусора, разрешает их повторное использование, а также заставляет проектиров
щиков оборудования и материалов в большей степени учитывать вопросы заши
ты окружающей среды. Конечным результатом являются тарифы на покупку элек
тронной продукции, которые должны помочь с затратами на утилизацию и по
ощряющие производителей электроники на установление программ по возвра
щению для повторного использования. Перечень затронутых товаров очень
длинный. Табл. 1.1 содержит примеры таких товаров.
1.3. Ограничение использования опасных веществ (RoHS) 15
Эта Директива также требует, чтобы символ, показанный на рис. 1.1, поме
щался на видном месте изделия, предназначенного для раздельного сбора после
окончания срока службы, с целью последующей утилизации.
1.3. Ограничение использования
опасных веществ (RoHS)
Второй фрагмент законодательства имеет наибольшее воздействие на электронную
промышленность. Директива RoHS делает незаконным производство или импорт
в страны, являющиеся членами ЕС, любого электрического или электронного обо
Глава1.1. Рис. 1.1. Символ, обозначающий раздельный сбор для последующей утилизации
16 Глава 1. Законодательство и его влияние на печатные платы
рудования, которое содержит ограничиваемые в использовании материалы, т.е.
материалы, которые были основными в электронной промышленности.
Эта Директива полностью вступила в силу 1 июля 2006 г. Ее полномочия име
ют широкую область и применяются ко всему электрическому и электронному
оборудованию, если только нет особого указания основного законодательного
органа или соответствующих исключений. Определение понятий внутри законо
дательства по RoHS происходит очень медленно; некоторые исключения все еще
требуют полного определения, тогда как другие уже были изменены. Неточности
законодательства привели к задержке его принятия электронной промышленно
стью. В результате все еще отсутствует набор промышленных стандартов на мате
риалы и оценка альтернативных материалов, пригодных для производства или
обеспечивающих долгосрочную надежность.
В гл. 45, посвященной материалам для пайки, перечисляются и описываются
альтернативные материалы для замены оловянно свинцового припоя. В гл. 58 и 59,
посвященных надежности, предоставляется информация по методам прогнози
рования срока службы.
1.3.1. Ограничение использования материалов RoHS
Директива RoHS нацелена на шесть широко используемых материалов (табл. 1.2).
1.3. Ограничение использования опасных веществ (RoHS) 17
1.3.2. Анализ соответствия RoHS
Эта Директива делает акцент на мельчайшей однородной части или материале,
который может быть отделен из массы компонентов или их сборки. В качестве
примера рассмотрим случай интегральной схемы (IC) в пластмассовом корпусе
с медной (Cu) выводной рамкой, покрытой некоторым веществом для возмож
ности выполнения пайки. Поверхностное покрытие рамки будет оцениваться
на соответствие требованиям RoHS отдельно от корпуса в целом или даже от
веса самой выводной рамки. Вместо этого весовая доля Pb поверхностного слоя
покрытия будет оценена по отношению веса любого Pb к весу поверхностного
слоя покрытия поверх рамки выводов. Аналогичным образом любой Pb, нахо
дящийся в сплаве с Cu выводной рамки, будет оцениваться на основании обще
го веса анализируемого Pb к общему весу Cu рамки выводов. Также и герметик
интегральных схем будет оцениваться для веса любого PBB или PBDE по срав
нению с весом герметика, в котором он содержится или слоем которого он был
покрыт.
1.3.3. Методы анализа на соответствие требованиям RoHS
Законодательство в области RoHS не устанавливает определенных рекомендаций
для проведения анализа, так же как не существует среди специалистов электрон
ной промышленности единого мнения относительно стандартного метода отбора
при анализе на определение соответствия законодательству в области RoHS. Про
стая выборочная проверка при жидкостной химической обработке может быть
проведена на определение присутствия или отсутствия Cr+6, Hg, Cd и Pb. Эти тес
ты при их правильном проведении имеют высокую чувствительность для осуще
ствления качественного анализа. Атомная абсорбционная спектрофотометрия
(AAS), рентгеновский флуоресцентный анализ (XRF), спектроскопия энергети
ческой дисперсии (EDS или EDAX), инфракрасная (ИК) или ультрафиолетовая
(УФ) спектрофотометрия, а также хромато газ спектрометрия (GC MS, которая
эффективна для PBB или PBDE) являются лишь несколькими из перечня мето
дов, требующих дорогостоящее аналитическое оборудование. С их помощью мо
гут быть получены количественные данные, но капитальные затраты при этом
будут очень высоки и, кроме того, потребуется высококвалифицированный пер
сонал и использование доступных для калибровки эталонов.
1.3.4. Исключения и запрещения
Законодательство в области RoHS освобождает многочисленные приложения от
ограничения на использование четырех заданных элементов. Большинство из них
не подходят к обсуждению темы пайки при изготовлении печатных плат. Подхо
дящие же к этой теме приложения перечислены в табл. 1.3.
Следует заметить, что даже в тех случаях, когда Pb удален из компонента или
припоя, корпус должен также соответствовать требованиям RoHS.
Хотя это кажется парадоксальным, но Директива устанавливает исключение
для основанных на свинце межсоединений, когда содержание Pb превышает 85%.
18 Глава 1. Законодательство и его влияние на печатные платы
Это исключение предназначается для специальных устройств с использованием
технологии керамических шариковых выводов (CBGA), керамических корпусов
со столбиковыми матричными выводами (CCGA), устройств с монтажом мето
дом перевернутого кристалла и других межсоединений в схемах с высоким содер
жанием свинца. CBGA и CCGA основываются на шариках или столбиках с высо
ким содержанием свинца, соответственно, которые плавятся при более высоких
температурах, чем эвтектический сплав свинца и олова и поэтому не будут разру
шаться при пайке расплавлением полуды. Поскольку эти керамические устрой
ства являются тяжелыми, то при разрушении шариковых выводов или столбиков
под ними может произойти короткое замыкание. Обычно требуется несколько
лет, чтобы определить воздействие, которое оказывают изменения в металлургии
на надежность корпусов интегральных схем. В случае устройств с матрицей со
единений по всей поверхности основания корпуса IC соединения припоем с вы
соким содержанием свинца являются неотъемлемой составной частью корпуса, а
не простым соединением вывода компонента и контактной площадкой на печат
ной плате. Более того, эти корпуса обычно используются в высокоуровневых си
стемах, таких как телекоммуникационное оборудование, а также в мощных ком
пьютерах. Законодательство в области RoHS исключает подобное оборудование
из ограничений по использованию Pb вплоть до 2010 г. Между тем изготовители
корпусов работают над поиском и испытанием надежной замены для основанных
на свинце припоев, используемых в высококлассных корпусах. Некоторые мень
шие по размеру интегральные схемы уже переключились на использование бес
свинцовых межсоединений. Другими исключениями, выделенными в используе
мой в настоящее время Директиве RoHS, являются Cd и Pb в батарейках, Pb в
экранах видеомониторов и Hg в лампах флуоресцентного света. Любопытно за
метить, что законодательство в области RoHS включает в поле своего действия Pb
в припоях, даже если припой использует Pb в незначительных количествах (по
оценкам, он составляет менее 10% мирового использования Pb). И наоборот,
Òàáëèöà 1.3. Èñêëþ÷åíèÿ â îáëàñòè RoHS ñîãëàñíî âòîðîé ïîïðàâêå çàêîíîäàòåëüñòâà â îáëàñòè
RoHS*
* Источник: L 280 18 EN Официальный журнал Европейского союза 25.10.2005, 2 е исправ
ленное приложение к Директиве 2002 95 EC.
1.4. Воздействие законодательства в области RoHS 19
на промышленное изготовление печатных плат
исключенные из области действия этого законодательства свинцово кислые ак
кумуляторные батареи, являются крупным потребителем Pb, на долю которых при
ходится более 85% мирового использования Pb.
В августе 2006 г. были разрешены дополнительные исключения для директи
вы RoHS. Как это будет следовать из материала в последующих главах, свинец
используется для уменьшения или устранения появления оловянных усов (метал
лических дендритов олова, которые вырастают на поверхностях из чистого олова).
Металлические усы, подобные тем, что возникают из олова или цинка, известны
как факторы, представляющие угрозу надежности из за короткого замыкания между
противоположно заряженными проводниками. Именно поэтому законодательство
в области RoHS сделало поправку, позволяющую использовать свинец в поверхно
стных покрытиях компонентов с шагом <0,65 мм для подавления оловянных усов.
Эта методика применяется для выводных рамок из NiFe (сплав 42, также извест
ный как ковар), а также для компонентов с медными выводными рамками. Стран
но, что это исключение не охватывает разъемы.
1.4. Воздействие законодательства в области RoHS
на промышленное изготовление печатных плат
Никогда раньше еще не было столь радикального изменения в производстве элек
троники, как это имело место в случае законодательных директив WEEE и RoHS,
особенно последней. Любая промышленность находится под влиянием либо уже
используемых процессов и материалов, либо поиска пригодных к использованию
вариантов.
1.4.1. Компоненты
В общем случае, интегральные схемы, пассивные устройства и разъемы не рас
считаны переносить резкие скачки температуры, намного большие, чем темпера
тура плавления сплава Sn Pb, и рассчитаны только на кратковременные циклы
нагревания и охлаждения. Изготовители интегральных схем и производители их
компонентов вынуждены были провести определенную работу, чтобы понять воз
действие более высокотемпературных процессов, требуемых для бессвинцовой
пайки.
Известно, что помещенные в пластмассовый корпус компоненты поглощают
воду из атмосферы. При нагревании этих компонентов до температуры пайки рас
плавлением полуды происходит расширение воды и это может вызвать растрес
кивание корпуса. Это явление широко известно как «приближение хлопка», по
скольку пластмассовый корпус часто пузырится до растрескивания и остается
деформированным после охлаждения. Во избежание этого упакованные в пласт
массовый корпус компоненты «просушивают» до пайки. Режимы повышенных
температур большинства бессвинцовых припоев будут усугублять проблему при
ближающегося хлопка, требуя большего внимания к циклам просушки компо
нентов. Кроме того, повышенная температура пайки методом расплавления по
луды без использования свинца вынудила пересмотреть классификационную таб
20 Глава 1. Законодательство и его влияние на печатные платы
лицу для чувствительности корпуса к влажности. Это особенно актуально для ком
понентов, которые не герметизированы. Для них также необходимы более дли
тельные циклы прогревания.
Многие компоненты, такие как интегральные схемы и пассивные устройства
(сопротивления, емкости и т.п.), могут быть не приспособлены к процессам с по
вышенной температурой, которые обычно связаны с использованием бессвин
цовой пайки. Повышенная температура может привести к изменению электри
ческих характеристик, образованию трещин, плавлению или к другим поврежде
ниям электронных компонентов или ухудшению их функциональных свойств.
Только компоненты, сертифицированные производителем этих деталей или
пользователем, могут рассматриваться для бессвинцового монтажа печатных плат.
Производитель каждоого компонента устанавливает его чувствительность к влаж
ности, которая указывает, как долго этот компонент может храниться в среде обыч
ного рабочего помещения до того, как потребуется плановый цикл его прогревания.
Подробную информацию по классификации чувствительности любого из компонен
тов к влажности по условиям его хранения и требованиям к прогреванию можно найти
в объединенных промышленных стандартах J STD 020 [1] и J STD 033 [2].
Дополнительно к изменению чувствительности к влажности составляющие
слоистых материалов, герметизирующие вещества или формовочные составы
могут иметь склонность к потере функциональных свойств в результате воздей
ствия повышенных температур в течение продолжительного времени их воздей
ствия. Есть и другие отрицательные факторы, связанные с переходом на бессвин
цовые припои. Большинство бессвинцовых припоев имеют более низкую смачи
ваемость (медленней распределяются на предназначенной для пайки поверхнос
ти), гранулируются (что не является обязательно отрицательным фактором, но
отличается от того, что обычно воспринимается как положительный фактор для
соединений с помощью припоя на основе свинца).
С введением бессвинцовых припоев в качестве базовой технологии электри
ческие компоненты, предназначенные для поверхностного монтажа, переквали
фицируются или переформируются, чтобы выдерживать повышенные темпера
туры, необходимые для бессвинцовой обработки. Аналогичным образом органи
зации, занимающиеся стандартами, такие как Объединенный инженерный совет
по электронным устройствам (JEDEC), переопределили максимально безопасный
температурный режим для электронных компонентов из за повышенной темпера
туры пайки расплавлением полуды, которая требуется при исключении свинца.
Инженер технолог теперь должен обращаться к техническим условиям производи
теля электронных компонентов, чтобы установить безопасные параметры для пай
ки расплавлением полуды в случае использования бессвинцовой технологии.
1.4.2. Стандарт качества работы
Наиболее широко используемый стандарт качества работы IPC A 610 был пере
писан, чтобы включить в него обследование бессвинцовых монтажных сборок,
выполненных с помощью пайки. Эти изменения были внесены в версии D этого
документа. Персонал технического контроля нуждается в подготовке, чтобы быть
1.4. Воздействие законодательства в области RoHS 21
на промышленное изготовление печатных плат
в состоянии уделять должное внимание всем внесенным изменениям и пересмот
ренному критерию приемочного контроля.
1.4.3. Слоистые платы
Многие из широко используемых многослойных печатных плат (PWB), предназ
наченных для монтажа с помощью пайки с применением свинца, не смогут вы
держать повышенные температуры, применяемые без использования свинца.
Только многослойные платы с определенной температурой стеклования (Tg) и
определенной температурой разложения (Td) должны исследоваться для выясне
ния возможности их использования в бессвинцовой технологии. Многослойные
платы PWB вероятнее всего будут провисать во время выполнения бессвинцовой
пайки методом расплавления полуды. Некоторые могут даже темнеть или рассла
иваться при воздействии температур, необходимых для бессвинцовой пайки. Для
бессвинцовой пайки необходимо уделять пристальное внимание выбору матери
алов и их испытанию. Для использования многослойных плат при повышенных
температурах требуется изменение последовательности расположения слоев, что
бы уменьшить вероятность искривления, обугливания, расслоения, провисания,
сквозного или кругового образования трещин и т.п. Высокотемпературные мно
гослойные платы PWB имеются в наличии, но они обычно стоят значительно до
роже, чем те, что используются для обработки с использованием припоя из олова
и свинца.
1.4.4. Флюс для пайки
Некоторые из используемых флюсов для свинцово оловянного припоя могут быть
несовместимы с повышенными температурами, необходимыми для бессвинцо
вых сплавов. Необходимые для пайки материалы во флюсе могут выпариться, раз
ложиться или окислиться до того как произойдет полное флюсование. Кроме того,
флюс должен оставаться на соединяемых вместе металлических поверхностях все
время, пока идет процесс пайки расплавлением полуды, поскольку он служит ба
рьером кислороду. Там, где флюс пропадает слишком быстро, может произойти
повторное окисление припоя и соединяемых поверхностей, что замедлит смачи
вание припоя. Флюсы для бессвинцовых припоев должны подбираться с учетом
их состава и повышенной температуры пайки, а также для бессвинцовых поверх
ностных покрытий на площадках выводов и контактных площадок PWB.
1.4.5. Требования по гигиене
Определенная польза для здоровья связана с удалением свинца из смонтирован
ных печатных плат. Токсичность свинца убедительно подтверждена различными
публикациями, а наиболее серьезные проблемы связаны с непосредственным
попаданием внутрь организма содержащих свинец материалов (например, про
глатывание детьми оберток конфет с красками на основе свинца или свинец в
питьевой воде из водопровода, запаянного содержащим свинец припоем). Этот
накапливающийся тяжелый металл очень медленно растворяется в организме че
22 Глава 1. Законодательство и его влияние на печатные платы
ловека. Хотя существуют противоречивые доказательства того, как свинец из при
поя может вымываться в грунтовые воды из свалок мусора, создавая проблему
свинцового загрязнения, все же каждый из нас заинтересован в исследовании аль
тернативных сплавов для припоя и отказе от использования припоев на основе
свинца.
Операции монтажа печатных плат определенно выиграют оттого, что техни
ческий персонал будет соприкасаться с более низким уровнем токсичности. Ока
лина припоя, создаваемая во время пайки волной припоя или возбуждаемая при
выполнении обслуживания пайки волной припоя, является основным источни
ком вдыхаемого свинца на заводах изготовителях. Переносимая по воздуху ока
лина создается также при выполнении операций разбрызгивания припоя, дора
ботки горячим воздухом и даже при пайке вручную. Переход на бессвинцовую
технологию также устранит проблемы, связанные с проглатыванием мелких час
тиц свинца с загрязненных рук.
1.4.6. Стоимость замены свинца
В США и других странах некоторые законодательные инициативы, нацеленные
на ограничение использования свинца, закончились неудачей. Эта неудача дала
толчок исследованию по замене припоя другими сплавами. Несколько корпора
ций и университетов разработали бессвинцовые припои, часть которых была за
патентована. Как в случае с любой запатентованной деталью или запатентован
ным процессом, права на использование изобретения некоторое время остаются
за изобретателем или финансировавшей исследование корпорацией, так что не
которые из этих сплавов не могут использоваться свободно. В некоторых случаях
только незначительные изменения в составе сплава отделяют общедоступные
сплавы припоя от запатентованных композиций припоя. Стоимость патентной
лицензии для конечного пользователя либо для производителя припоя в боль
шой степени ляжет нагрузкой на конечного пользователя.
Почти в каждом случае стоимость бессвинцового припоя как минимум на 20%
выше, чем оловянно свинцового сплава. Многослойные PWB стоят еще дороже,
поскольку состоят из многих компонентов. Вместе с необходимостью использо
вать повышенные температуры для пайки расплавлением полуды увеличиваются
затраты на энергию. Существенные затраты обусловлены также подготовкой пер
сонала, способного заниматься заменами при переходе на бессвинцовую техно
логию. Также могут понадобиться раздельные линии для свинецсодержащих и
бессвинцовых припоев.
Как олово, так и свинец находятся в избытке, легко рафинируются и поэтому
являются недорогими в использовании. Совсем по другому обстоит дело в случае
с некоторыми составляющими бессвинцовых припоев, такими как индий (In),
галлий (Ga) и серебро (Ag). Даже висмут (Bi) является малой составляющей свин
цовой руды и в основном получается в процессе его рафинирования. При пайке
волной припоя требуется большое количество припоя (сотни фунтов) для заполне
ния емкости припоя (ванны). Стоимость и доступность некоторых бессвинцовых
сплавов делают их массовое использование непрактичным. Сравните припой
1.4. Воздействие законодательства в области RoHS 23
на промышленное изготовление печатных плат
Sn Pb стоимостью примерно 1,50 долл. за фунт с Sn 0,7Cu по цене 2,30 долл. за фунт
и с Sn2Ag0,8Cu0,5Sb по цене 4 долл. за фунт. Следует признать, что поскольку сви
нец является тяжелым элементом, то цена за фунт не самая лучшая мера; цена за
единицу объема является в этом случае более предпочтительной.
Несмотря на это, отказ от бинарного сплава олова со свинцом будет означать
существенно более высокие стоимости сырьевых материалов. Кроме того, при
выполнении пайки волной припоя волна расплава будет растворять определен
ные поверхностные покрытия, вещества которых, накапливаясь, могут изменять
состав припоя. Различные сплавы припоя имеют разные свойства растворения
металла. Поэтому использование одного и того же бессвинцового сплава припоя
для пайки волной припоя, так же как и в случае пайки растворением полуды, мо
жет оказаться практически нецелесообразным.
Некоторые очевидные дополнительные затраты и последствия перехода на
бессвинцовые припои упоминались ранее в этой главе. Однако существуют дру
гие возможные и скрытые затраты. Оборудование для пайки может не иметь ши
рину энергетической зоны, необходимую для использования повышенных тем
ператур, требуемых для некоторых бессвинцовых сплавов. Может оказаться, что
для печей, используемых для пайка расплавом полуды, потребуются иные мате
риалы конструкции, чтобы выдерживать длительные воздействия повышенных
температур. Втулки вентилятора и полимерные уплотнители для поддержания
инертной атмосферы могут не выдержать намного более высокие температурные
режимы, чем были необходимы для обработки сплава олова и свинца. Такие же
соображения применимы и к пайке волной припоя. Паяльники для пайки вруч
ную потребуют более высокую температуру нагревания, и еще больше плат может
пойти на лом из за локализованного обугливания, появляющегося при попытке
добиться пайки расплавлением полуды при ручной пайке или при выполнении
ремонта. Материалам плат, флюсам и другим сопутствующим материалам может
потребоваться новый состав, что также повысит затраты.
1.4.7. Изменения оборудования
В некоторых случаях потребуются изменения в оборудовании для пайки с повы
шенными температурами и для контактов с материалами, отличными от олова и
свинца. Подобные изменения подробно описываются в гл. 47.
1.4.8. Отходы в лом и ошибки выбора материала
В некоторых случаях появятся затраты на разделение материалов (содержащие и
не содержащие свинец) и связанный с этим рост рабочего помещения для прове
дения двух инвентаризаций (материалов со свинцом и без него). Неподходящие
материалы должны быть отправлены в лом или распроданы тем, кто все еще ис
пользует процессы с применением свинца. Ожидается, что на начальной стадии
перехода на бессвинцовые технологии при инвентаризации деталей они могут быть
случайным образом перемешаны, а это может повлиять на надежность готовых
изделий и сделает эти изделия неприемлемыми для импорта в Европу после 1 июля
2006 г. из за принципов Директивы в области RoHS.
24 Глава 1. Законодательство и его влияние на печатные платы
1.4.9. Обучение
Каждый сектор производства плат в электронной промышленности сегодня зат
ронут изменениями, вызванными бессвинцовой технологией: освоением нового
типа пайки или проверкой соединений, выполненных с ее помощью; электри
ческим тестированием; инвентаризацией материалов; проверкой ведомости ма
териалов; составлением требований к поставкам, инвентарным распределением
и проверкой поступающих материалов. Адаптация Директивы RoHS и бессвин
цовых стандартов к сборным печатным платам определенно потребует самых
широкомасштабных изменений. Большое внимание должно быть уделено обуче
нию персонала на каждом уровне изготовления монтажной печатной платы (PCA)
и ее технической поддержки.
1.4.10. Испытание надежности
Замена материалов и припоев для реализации ограничения использования свин
ца делает необходимым испытание надежности бессвинцовых сборок, предпола
гая ее сопоставимость с надежностью монтажа на основе олова и свинца. Методы
проверки надежности, параметры и модели должны соответствовать свойствам
материалов бессвинцовых сборок.
1.4.11. Внутрисхемный тест (ICT)
Поскольку температура процесса сборки для большинства не содержащих сви
нец материалов выше, чем для близкого к эвтектическому припою из Sn и Pb, то
любые остатки флюса при технологии без чистки после его использования силь
нее запекаются на поверхностном металле печатной платы PWB. Это препятству
ет электроиспытанию зондовым контактом. Даже с современными, не требую
щими чистки пастами припоя и с применением припоя из Sn и Pb осуществление
зондового контакта может быть проблематичным. Часто остатки, которые покры
вают контрольные точки, вынуждают производить целый цикл приладок зонда,
чтобы проникнуть сквозь остатки флюса.
1.5. Перспективы бессвинцового монтажа
Относительные преимущества отказа от использования или уменьшения приме
нения свинца остаются спорными. Некоторые исследования показали отрица
тельный результирующий эффект из за энергоемких материалов и процессов, тре
буемых для изготовления и перехода на бессвинцовые материалы. Какими бы ни
были долгосрочные перспективы воздействия на окружающую среду, очевидно,
что краткосрочные последствия уже создают техническую проблему обеспечения
надежности и рентабельности сборок монтажных плат. Не существует простой
замены сплаву Sn Pb, как не существует единого мнения относительно возмож
ности промышленного применения однокомпонентного припоя. Наиболее обе
щающие сплавы имеют существенные проблемы из за стоимости исходных ма
1.5. Перспективы бессвинцового монтажа 25
териалов, ограниченной надежности и еще из за не выясненного до конца взаи
модействия с другими материалами. Потребовалось много лет, чтобы понять свой
ства припоя из Sn и Pb, его металлургическое поведение, свойства паяных со
единений и разработать методологию пайки. Новым припоям предстоит пройти
тщательное обследование для определения ключевых характеристик процесса его
использования и надежности. Поскольку система взглядов и понятий для характе
ристики припоев и надежности отрабатывалась в течение векового применения
припоя из Sn и Pb, то цикл развития для бессвинцового припоя должен быть су
щественным образом рационализирован. С другой стороны, быстрый переход на
бессвинцовый припой несет с собой риски в отношении эффективности нового
процесса и его контроля, а также долгосрочной надежности конечной продук
ции. Эти риски потребуют непрерывных проверок выбранных сплавов для при
поя, использованных поверхностных покрытий, условий выполнения пайки, со
вместимости материалов (печатных плат, корпуса интегральных схем и т.п.), из
менения требований к объему припоя для достижения прочности паяного соеди
нения и даже замены некоторого используемого оборудования. Гл. 45 «Материалы
припоя» содержит подробное описание бессвинцовых сплавов и материалов, в
ней предлагается несколько вариантов выбора подходящих материалов, а также
приводятся их характеристики.
Поскольку практически все бессвинцовые сплавы имеют повышенную тем
пературу плавления, то требуемая для этого дополнительная энергия приводит
к повышению затрат на использование бессвинцовой пайки. Необходимые из
менения в оборудовании для обработки по новой технологии будут описаны в
гл. 46 и 47.
Кроме того, поскольку основанные на свинце припои будут продолжать ис
пользоваться согласно директиве RoHS до 2010 г., то другой вероятной причиной
неполадок может стать случайное использование бессвинцового припоя с корпу
сами, содержащими свинец, или припоя на основе свинца с не содержащими сви
нец корпусами. Хотя и существует некоторая совместимость предыдущих версий
с последующими и наоборот в отношении припоев, корпусов и поверхностных
покрытий, существуют все же и определенные трудности. Некоторые корпуса,
предназначенные к использованию с применением свинца, не смогут вынести
повышенных температур пайки бессвинцовыми припоями. В случае бессвинцо
вой платы с матрицей шариковых выводов (BGA), которая паяется припоем со
свинцом, или наоборот, уже известно, что это приведет к отрицательному влия
нию на результирующую надежность паяных соединений с применением главно
го кандидата на замену содержащего свинец припоя. Увеличение предела проч
ности на растяжение наряду с ростом хрупкости обычно проявляется в системе
олово серебро медь – главном кандидате на замену.
Китай, Япония и Корея выдвинули законодательные инициативы, которые
принимают форму, аналогичную инициативе Евросоюза, а именно директивам
WEEE и RoHS. То же самое относится к нескольким штатам США. И от того фак
та, что бессвинцовая пайка будет основной технологией всех будущих межсоеди
нений в электроники, уже никуда не уйти.
26 Глава 1. Законодательство и его влияние на печатные платы
Литература
1. J STD 020: Объединенный IPC JEDEC стандарт для классификации чувствитель
ности к влажности – пайки полудой для негерметичных твердотельных компо
нентов с поверхностным монтажом (Объединенный инженерный совет по элект
ронным устройствам (JEDEC), Арлингтон, Виржиния, США и Ассоциация свя
зей в электронной промышленности, IPC, Баннокберн, Иллинойс, США).
2. J STD 033: Объединенный стандарт JPC JEDEC для обработки, упаковки, транс
портировки и использования чувствительных к влажности и пайке расплавлени
ем полуды компонентов с поверхностным монтажом (JEDEC, Арлингтон, Вир
жиния, США и IPC, Баннокберн, Иллинойс, США).
Глава 2
Clyde F. Coombs Jr.
Editor In Chief, Los Altos, California
Happy T. Holden
Westwood Associates, Loveland, Colorado
2.1. Введение
Для формирования функциональной и работоспособной системы необходимо,
чтобы все электронные компоненты были соединены между собой и собраны во
едино. Проектирование и производство этих межсоединений эволюционировали
в отдельную дисциплину, получившую название монтаж электронных схем в кор
пусе. С начала 1950 х гг. основным стандартным блоком электронного монтажа
является плата с печатным монтажом (PWB), и такое положение дел сохранится в
обозримом будущем. Эта книга обрисовывает основные подходы процессов про
ектирования и производства, необходимые для изготовления PWB.
Данная глава описывает основные соображения при выборе методов межсое
динений для электронных систем, а также допустимые компромиссы. Основной
акцент делается на анализе влияния, которое может оказать выбор различных ти
пов печатных плат и вариантов проектирования на стоимость и рабочие характе
ристики конечной электронной продукции.
2.2. Оценка революционных межсоединений
(межсоединений высокой плотности)
Совершенствование рабочих характеристик компонентов и рост плотности вы
водов параллельно с уменьшением размера корпусов требовали от технологий со
1 Взято из работы Coombs, Clyde F. Jr., Printed Circuits Handbook (4 е издание), гл. 1 «Элек
тронный монтаж и межсоединения» (McGraw Hill, New York, 1996).
28 Глава 2. Монтаж электронных схем в корпусе и межсоединения
высокой плотности
здания PWB соответствующих путей увеличения плотности межсоединений на
подложке. С появлением и усовершенствованием таких технологий сборки, как
матрица шариковых выводов (BGA), монтаж в корпусе, по размеру сопостави
мом с кристаллом (CSP), а также бескорпусный монтаж кристаллов на печатной
плате (COB) традиционная технология достигла той точки, когда стала необходи
ма разработка альтернативных путей обеспечения высокой плотности межсоеди
нений (см. гл. 3 и 4 для ознакомления с подробным описанием используемых ком
понентов и технологий сборки).
Иногда это называют межсоединениями высокой плотности (HDI), револю
ционными межсоединениями или революционной плотностью, потому что про
должать делать одно и то же, но только меньшего размера, дальше было недоста
точно.
2.2.1. Плотное межсоединение элементов
Диапазон проблем, связанных с плотностью межсоединений, не всегда различим,
но диаграмма [1] на рис. 2.1 может помочь каждому определить и понять его. Эта
диаграмма описывает взаимосвязь между плотностью сборки компонентов в кор
пус, плотностью поверхностного монтажа (SMT) и плотностью PWB. Как можно
видеть, все три элемента взаимосвязаны. Изменение одного имеет существенное
влияние на суммарную плотность межсоединений. Наглядные показатели этого
следующие.
Рис. 2.1. Представление показателей сборки, компонентов и PWB и их общей взаи
мосвязи друг с другом
Сборка
(части и выводы
на кв. дюйм)
Компоненты
(среднее
число выводов
на часть)
PWB
(дюймы
на квадратный
дюйм)
• Сложность блока: мера сложности сборки компонентов при поверхностном
монтаже, выражаемая в частях на квадратный дюйм и в выводах на квад
ратный дюйм.
2.2. Оценка революционных межсоединений (межсоединений высокой плотности) 29
• Сложность сборки компонентов в корпусе: степень сложности отдельных ком
понентов, измеряемая средним количеством выводов (I/O) на одной части.
• Плотность платы с печатной электропроводкой: объем электропроводки, ко
торый имеет печатная плата, измеряемый средней длиной разводок на квад
ратный дюйм площади этой платы, включая все слои сигнальной разводки.
Измеряется в дюймах на квадратный дюйм.
2.2.2. Технологическая карта межсоединений
Для визуального представления взаимосвязанности этих трех элементов обратимся
к рис. 2.2. На нем изображены эти элементы в качестве осей трехмерной техноло
гической карты, которая определяет переход от традиционных конструкций PWB
к передовым технологиям и показывает, как изменение только одного из этих трех
элементов может увеличить или уменьшить суммарную плотность полной элект
ронной корпусной сборки.
Для описания сложности блока компонентов все соединения его компонен
тов (I/O), включая обе стороны сборки, а также лапки на его кромках или кон
такты, делятся на общее число компонентов блока. Результирующие средние
числа выводов (I/O) в расчете на одну часть дают ось x на рис. 2.2. Горизонталь
ная овальная форма показывает, как сложность компонентов может меняться
от двух выводов в расчете на одну часть в дискретных элементах схем до очень
большого их числа, которые можно видеть на BGA и специализированных ин
тегральных схемах.
Рис. 2.2. Технологическая карта компонентов, показывающая влиние сборки, PWB
и технологий изготовления компонентов на окончательную плотность кор
пусной сборки и технологии ее изготовления
1 10 100
Компоненты, среднее число выводов на часть
1
10
100
Компоненты, части/дюйм2
Область
передовых технологий
Область
традиционных PWB
Компоненты
Печатный монтаж
Сборка
x.
y. z.
Сборка
(части
и выводы
на кв. дюйм)
Компоненты
(среднее число
выводов
на часть)
PWB
(дюймы
на кв. дюйм)
30 Глава 2. Монтаж электронных схем в корпусе и межсоединения
высокой плотности
Если использовать рис. 2.2 для описания схем с поверхностным монтажом, то
вертикальное измерение (ось y, показанная в виде вертикального овала) указыва
ет, насколько сложно собрать плату, исходя из количества компонентов на квад
ратном дюйме или квадратном сантиметре для данной площади поверхности платы
PWB. Этот вертикальный овал может меняться от одной и до более чем 100 частей
на квадратный дюйм. По мере того как части становятся все меньше и ближе друг
к другу, это число естественным образом возрастает. Второй мерой схемы являет
ся среднее число выводов на квадратный дюйм или квадратный сантиметр. Он
равен произведению величины, взятой по оси x, на величину, взятую по оси y.
(Дальнейшее описание этих вопросов и уравнение для определения их численно
го значения приводятся в гл. 18.)
Овал по оси z на рис. 2.2 описывает плотность платы с печатной проводкой.
Это та проводка, которая требуется для всех выводов компонентов при размере,
определенном схемой, предполагая по три узла на каждую сеть. Эта ось имеет раз
мерность дюймов на квадратный дюйм или сантиметров на сантиметр квадрат
ный. Дальнейшее описание этой меры приведено в этой главе далее, а более под
робное описание можно найти в гл. 9.
2.2.3. Пример революции межсоединений
Строя диаграмму продукции определенного типа в зависимости от времени и ана
лизируя результат, можно показать, как менялась и продолжает меняться техно
логия межсоединений, скорость ее изменения и направленность этих изменений.
Рис. 2.3. Пример одной и той же платы ЦПУ компьютера при использовании ею
альтернативных компонентов, сборки и технологий PWB: а – размер и вне
шний вид каждого поколения; б – изменение суммарной плотности платы
при переходе от традиционной технологии к HDL; в – HDL
а) Первый RISP процессор
(1986 г.) (8″×16″ 14 слойная
плата с монтажом через
сквозные отверстия)
б) Тот же RISP процессор в технологии
МСМ L (1991 г.) (4″×4″ 10 слойная плата
с поверхностным монтажом)
в) Тот же RISP процессор в технологии
HDI (1995 г.) (2″×2″ 2+2+2 HDI схема
c межслойными микропереходами)
2.3. Иерархия межсоединений 31
Пример такой диаграммы показан на рис. 2.3. Он демонстрирует, каким образом
технология создания компонентов, технология сборки и технология PWB приве
ли к эволюции одного и того же компьютерного ЦПУ: от 14 слойной платы с мон
тажом в отверстие платы с площадью поверхности 128 дм2 в 1986 г. (рис. 2.3a) до
10 слойной платы с поверхностным монтажом с площадью поверхности 16 дм2
в 1991 г. (рис. 2.3б) и далее к плате с высокой плотностью межсоединений с пос
ледующими встроенными межслойными микропереходами, заглубленными и
глухими переходными отверстиями и с площадью поверхности в 4 дм2 в 1995 г.
(рис. 2.3в).
2.2.4. Зона передовых технологий
Второй ценной особенностью диаграммы на рис. 2.2 является зона, идентифици
руемая как область передовых технологий. Это то место, где расчеты и данные
указывают на необходимость иметь межсоединения конструкции высокой плот
ности. Именно поэтому в этом месте находится барьер или стена межсоединений
высокой плотности: с одной стороны от этой стены наиболее целесообразно ис
пользовать традиционные технологии PWB; с другой – становится экономически
выгодно использовать технологии HDI. Дальше за этой точкой технология HDI
становится необходимой.
2.3. Иерархия межсоединений
Чтобы иметь возможность правильно оценивать, в каких случаях PWB подходят
для использования в электронных системах, полезно дать краткое описание иерар
хии корпусной сборки электронных систем. Некоторое время тому назад Инсти
тут межсоединений и корпусного монтажа электронных схем (IPC) предложил
восемь категорий систем элементов в порядке возрастания размера и сложности,
которыми мы здесь воспользуемся для того, чтобы проиллюстрировать типичные
корпусные электронные конструкции. Ниже приведено их описание.
Категория A состоит из полностью обработанных активных и пассивных уст
ройств. Открытые или бескорпусные интегральные схемы и дискретные емкости,
сопротивления или схемы с их использованием являются типичными примерами
этой категории.
Категория B включает в себя все корпусные устройства (активные и пассивные)
в пластмассовых корпусах, такие как DIP, TSOP, QFPs и BGA, а также те из них, что
используют керамические корпуса, такие как PGA, включая разъемы, гнезда и пе
реключатели. Все они готовы к подключению в межсоединяемую структуру.
Категория C представлена подложками, которые объединяют бескорпусные
или открытые интегральные схемы (т.e. компоненты категории A) в разъемные
корпуса. Сюда включены все типы многокристальных модулей (MCM), бескор
пусные чипы на плате (COB) и все гибридные микросборки.
Категория D охватывает все типы подложек, которые используются для межсо
единений и составления микросборок уже помещенных в корпус компонентов, т.e.
элементов категорий B и C. Эта категория включает в себя все типы жестких PWB,
гибких, гибко жестких плат, а также плат с дискретными межсоединениями.
32 Глава 2. Монтаж электронных схем в корпусе и межсоединения
высокой плотности
Категория E охватывает соединительные платы, выполненные с помощью
печатного монтажа и методов дискретного монтажа или с помощью гибких пе
чатных плат, которые соединяют между собой различные PWB, но не компонен
ты предшествующих групп.
Категория F охватывает все огражденные изнутри соединения. В эту катего
рию включены жгуты проводов, шины заземления и шины распределения элект
ропитания, коаксиально волноводные тракты и коаксиальные или волноводно
оптические проводки.
Категория G включает в себя установки для сборки аппаратных средств, блоки
для печатных плат, механические конструкции и компоненты терморегулирования.
Категория F охватывает интегрированные системы в целом со всеми секция
ми, полками, боксами и оболочками, а также все вспомогательные и дополни
тельные подсистемы.
Как можно видеть из приведенного списка, PWB находятся посредине этой
иерархии и являются наиболее важными и повсюду используемыми элементами
корпусирования электронных схем.
Категории корпусных электрических схем F, G и H используются главным об
разом в крупных многопользовательских компьютерах, суперкомпьютерах, ком
мутационных станциях и некоторых военных системах. Поскольку существует
явная тенденция использования миниатюрных и портативных электронных из
делий для проектирования большинства электронных схем в корпусах, то комп
ромиссы делаются между разумным использованием и выбором среди элементов
первых пяти категорий. Эти вопросы обсуждаются в данной главе.
2.4. Факторы, влияющие на выбор межсоединений
Выбор подходов в корпусной сборке электронных схем из различных вышеупо
мянутых элементов диктуется не только функцией системы, но также типами
выбранных компонентов и рабочими параметрами системы, такими как тактовая
частота, потребляемая мощность, методы контроля тепла и среда, в которой бу
дет эксплуатироваться система. Этот выбор нуждается в учете этих основных ог
раничений, которые необходимо учитывать для правильного проектирования
корпусной сборки электронной системы.
2.4.1. Рабочая скорость
Частота, на которой будет работать электронная система, является очень важным
техническим фактором в проектировании межсоединений. Многие цифровые
системы работают близко к 100 MГц и уже достигают превышения этого уровня.
Увеличивающаяся частота системы предъявляет повышенные требования к изоб
ретательности инженеров, занимающихся корпусной электроникой, а также к
свойствам материалов, используемых для подложек PWB.
Скорость распространения сигнала обратно пропорциональна квадратному
корню из диэлектрической постоянной материала подложки, что требует от про
ектировщиков знания диэлектрических свойств материалов подложки, которые
2.4. Факторы, влияющие на выбор межсоединений 33
они собираются использовать. Распространение сигнала на подложке между кри
сталлами, так называемое время полета, прямо пропорционально длине провод
ников и должно быть небольшим, чтобы обеспечить оптимальные электрические
характеристики системы, работающей на высоких частотах.
Для систем, работающих на частотах свыше 25 MГц, межсоединения должны
иметь такие характеристики линии передачи, которые бы минимизировали поте
ри и искажение сигнала. Правильное проектирование таких линий передачи тре
бует тщательных расчетов проводника и зазоров между диэлектриками и их точ
ное изготовление, гарантирующее ожидаемую точность рабочих характеристик.
Для печатных плат существуют два основных типа линии передачи:
1) полосковая линия передачи;
2) микрополосковая линия передачи (подробная информация приводится в
гл. 15).
2.4.2. Потребляемая мощность
По мере увеличения тактовой частоты кристаллов и числа логических схем на один
кристалл наблюдается соответствующее увеличение потребляемой мощности. Неко
торые кристаллы требуют для своей работы до 30 Вт. При этом требуется все больше и
больше клемм для подачи электропитания и для вмещения обратного потока на зем
ляном слое. Около 20–30% клемм кристалла используются для подачи электропита
ния и заземления. С появлением необходимости электрической изоляции сигналов,
функционирующих в высокочастотных системах, эта доля может достичь 50%.
Инженеры разработчики должны обеспечить адекватное распределение сло
ев электропитания и земляных слоев внутри многослойной платы (MLB) для обес
печения эффективного, низкоомного протекания токов, что может быть важно в
платах, соединяющих между собой высокочастотные кристаллы, потребляющие
десятки ватт и работающие при 5 В, 3,3 В или более низких напряжениях. Пра
вильное распределение заземлений и электропитания в таких системах очень важ
но для уменьшения di/dt коммутационных помех, возникающих в высокочастот
ных системах, а также для уменьшения нежелательного скопления тепла. В неко
торых случаях требуются конструкции раздельных токопроводящих шин, чтобы
удовлетворить столь высоким потребностям в мощности.
2.4.3. Отвод тепла
Вся энергия, которая была доставлена для питания интегральных схем (IC), дол
жна быть эффективно удалена из системы для ее правильного функционирова
ния и обеспечения продолжительного срока службы. Отвод тепла из системы яв
ляется одной из наиболее сложных задач корпусной электроники. В больших си
стемах крупные конструкции теплоотвода, обслуживающие отдельные интеграль
ные схемы, сами требуют воздушного охлаждения, а некоторые компьютерные
компании создали гигантские суперконструкции для охлаждения своих компью
терных модулей жидкостью. Некоторые разработчики компьютеров используют
охлаждение погружением в жидкость. По прежнему охлаждение, необходимое для
крупных систем, обременяет возможности существующих методов охлаждения.
34 Глава 2. Монтаж электронных схем в корпусе и межсоединения
высокой плотности
Такое положение дел не столь критично в случае небольшого, настольного
или портативного электронного оборудования, но по прежнему ставит инжене
ров корпусной электроники перед необходимостью совершенствовать горячие
точки и обеспечивать приемлемую продолжительность срока службы. Поскольку
печатные платы известны как плохие проводники тепла, разработчики должны
тщательно оценивать метод отвода тепла через плату, используя для этого такие
технологии, как отвод тепла сквозь плату, встроенные металлические отрезки про
волоки и теплопроводные слои.
2.4.4. Помехи электроники
По мере увеличения рабочей частоты электронного оборудования многие интег
ральные схемы, модули или сборки могут действовать как генераторы радиочас
тотных (RF) сигналов. Такие электромагнитные помехи (EMI) могут ставить под
угрозу работу соседней электроники или даже других элементов этого же обору
дования, вызывая появление неисправностей, сбоев и ошибок, и поэтому они
должны быть предотвращены. Существует определенный стандарт EMI, опреде
ляющий допустимые уровни подобного излучения, и эти уровни очень низкие.
Инженеры, занимающиеся корпусированием, а особенно разработчики пе
чатных плат, должны быть знакомы с методами уменьшения или устранения из
лучения этих электромагнитных помех, чтобы гарантировать, что их оборудова
ние не превысит допустимые пределы, установленные для этих помех.
2.4.5. Условия эксплуатации системы
Выбор определенного способа корпусирования электронного изделия, помимо
прочего, диктуется его конечным использованием и сегментом рынка, для которо
го эта продукция была разработана. Разработчик корпусной электроники должен
понимать основную движущую силу использования этой продукции. Что это – сто
имость, рабочие характеристики или что то, находящееся посредине? Где ее бу
дут использовать – например, под капотом автомобиля, где условия окружающей
среды очень суровые, или в офисе, где условия эксплуатации весьма благоприят
ные? Институт по межсоединениям и корпусной сборке электронных схем уста
новил совокупности условий эксплуатации оборудования, классифицируемые по
степени суровости, которые перечислены в табл. 2.1.
2.4.5.1. Стоимость. Всеобщая дискретизация большинства функций элект
роники cвела в одно целое потребителя, компьютеры и технические средства свя
зи. Это развитие привело к повышенному спросу на электронику и необходимос
ти массового производства большинства продукции электроники. Таким обра
зом, стоимость продукции стала наиболее важным критерием при разработке
любых электронных систем. При соблюдении всех вышеупомянутых условий раз
работки и эксплуатации инженер разработчик должен рассматривать стоимость
как доминирующий критерий и анализировать все возможные замены в свете до
стижения наилучшего соотношения цены/эксплуатационных качеств для данной
продукции.
2.4. Факторы, влияющие на выбор межсоединений 35
Важность строгого анализа с целью выбора компромиссных решений при
разработке электронной продукции подчеркивается тем, что около 60% произ
водственной себестоимости определяются на первых стадиях процесса проек
тирования, когда было потрачено только 35% суммарных затрат, связанных с
разработкой.
Внимание к требованиям производства и монтажа и их возможностям (так
называемое проектирование c учетом возможностей производства и монтажа
[DFM/A]) при проектировании продукции может уменьшить затраты на монтаж
до 35%, а затраты на изготовление печатных плат – до 25%.
К элементам, которые должны учитываться для наиболее рентабельных раз
работок корпусирования электроники, относятся:
• оптимизация конструкции печатной платы и ее разводки с целью умень
шения стоимости ее производства;
• оптимизация конструкции печатной платы для уменьшения стоимости ее
монтажа;
• оптимизация конструкции печатной платы для уменьшения стоимости ее
испытания и затрат на ремонт.
Глава 2.1. & – дополнительно.
* ΔT представляет максимальную амплитуду колебаний температуры, но не учитывает
эффекты потери мощности; для потери мощности необходимо рассчитать ΔTе.
&140 2 40
36 Глава 2. Монтаж электронных схем в корпусе и межсоединения
высокой плотности
Следующие разделы содержат некоторые инструкции относительно подхода
к выполнению подобного рода оптимизации разработки печатной платы. В ос
новном стоимость электронных сборок напрямую связана с их сложностью, и су
ществует целый ряд мер исследований, относящихся к влияниям различных кон
структивных элементов печатных плат на их стоимость, для инструктирования
инженера разработчика в выборе наиболее рентабельного подхода.
2.5. Интегральные схемы и корпуса
Наиболее важными факторами, оказывающими влияние на разработку печатной
платы и ее компоновку, являются схемы выводов компонентов и их шаг, особенно в
интегральных схемах и их корпусах, поскольку они диктуют плотность межсоеди
нений на подложках. Поэтому этот элемент будет учитываться в первую очередь.
Под воздействием необходимости уменьшения стоимости и улучшения рабо
чих характеристик сложность интегральных схем постоянно увеличивается. Бла
годаря непреклонному прогрессу в технологии изготовления интегральных схем
плотность упаковки интегральных схем в эквивалентных логических элементах
на кристалле увеличивается примерно на 75% в год, приводя к росту клемм ввода/
вывода кристалла интегральной схемы на 40% в год, что ставит все возрастающие
требования к методам их корпусирования и межсоединений.
В результате физический размер электронного оборудования продолжает сжи
маться на 10–20% в год, тогда как площадь подложек уменьшается примерно на
7% в год. Это сопровождается непрерывным увеличением плотности проводки и
уменьшением ширины линий, что вызывает перенапряжение методов производ
ства печатных плат, уменьшает долю выхода годных изделий при обработке, а также
увеличивает стоимость плат.
2.5.1. Корпуса интегральных схем
С момента своего появления кристаллы интегральных схем помещались внутри
керамических или пластмассовых корпусов. Примерно до 1980 г. все корпуса ин
тегральных схем имели контактные выводы, которые впаивались в металлизиро
ванные сквозные отверстия (PTH) печатных плат. С тех пор все больше корпус
ных интегральных схем стали иметь собственные выводы, которые выполнены в
удобной для технологии поверхностного монтажа (SMT) форме, ставшей преоб
ладающим методом монтажа компонентов.
Произошло профилирование типов корпусов интегральных схем как для мон
тажа с использование сквозных отверстий, так и для поверхностного монтажа, ва
рьируя конфигурации выводов, их расположение и шаг. Кроме того, IFC SM 782 [3]
предоставляет хороший каталог доступных корпусов SMT и форматы контура пе
чатных плат, требуемых для их монтажа.
Основные методы расположения клемм для входа/выхода корпусов интеграль
ных схем включают в себя следующие:
• периферийный метод, в котором выводы располагаются вокруг края крис
талла или корпуса;
2.5. Интегральные схемы и корпуса 37
• матричный вывод, в котором выводы располагаются на нижней поверхности
кристалла или корпуса.
Большинство корпусов интегральных плат имеют на своих краях периферий
ные выводы. Практический предел шага периферийных выводов корпусов состав
ляет около 0,3 мм, что позволяет расположить самое большое 500 входов/выходов
на корпусе интегральной схемы, как это показано в табл. 2.2. Стало также очевид
но, что при выполнении обычных операций монтажа платы выход годной про
дукции упадет, как только шаг выводов станет ниже 0,5 мм.
Òàáëèöà 2.2. Ðàçëè÷íûå ðàçìåðû êîðïóñà ïðè ìàòðè÷íîì âûâîäå, êîíôèãóðàöèÿõ è øàãå âûâîäîâ
Различные компоненты для поверхностного монтажа появляются с большим
разнообразием размеров корпусов, числом вводов/выводов и шагов вводов/вы
водов. Эти компоненты называются корпусами размера, сопоставимого с крис
таллом (CSP), пластмассовыми корпусами с матрицами шариковых выводов
(PBGAs), керамическими корпусами с матрицами шариковых выводов (CBGA),
пластмассовыми корпусами с матрицами штырьковых выводов (PPGA), а также
керамическими корпусами с матрицами колонн выводов (CCGA).
Ðàçìåð êîðïóñà (ìì) ×èñëî ââîäîâ/âûâîäîâ Ìèíèìàëüíûé øàã (ìì)
8×8 24 0,5
9×9 68 0,5
10×10 144 0,5
13×13 154 0,65
23×23 168 1,27
23×23 208 1,27
23×23 217 1,27
23×23 240 1,27
23×23 249 1,27
27×27 225 1,27
27×27 256 1,27
27×27 272 1,27
27×27 292 1,27
27×27 300 1,27
27×27 316 1,27
31×31 304 1,50
31×31 329 1,27
31×31 360 1,27
31×31 385 1,27
35×35 313 1,27
35×35 352 1,27
35×35 388 1,27
35×35 420 1,27
35×35 456 1,27
37×37 676 0,8
42,5×52,5 1247 1,0
52,5×52,5 2577 1,0
38 Глава 2. Монтаж электронных схем в корпусе и межсоединения
высокой плотности
Ожидается, что для кристаллов с количеством выводов менее 150–200 про
должат использовать корпуса с периферийными выводами, если можно будет па
ять в пределах практически приемлемого выхода годной продукции. Но для кор
пусов интегральных схем с количеством вводов свыше 150–200 очень заманчиво
использовать матрицу выводов, поскольку в этом случае может быть использова
на полная площадь нижней поверхности для выводов, что делает возможным раз
месить большое число вводов внутри ограниченной области.
Это соображение способствовало развитию ряда методов осаждения припоя на
контактные выступы в области матрицы для интегральных схем и корпусов много
кристальных модулей (MCM), называемых по разному: корпус с матрицей кон
тактной площадки, корпус с матрицей LG или корпус с матрицей шариковых вы
водов (BGA) с установкой сетки выводов через 1 мм (0,040 in), 1,27 мм (0,050 дюй
ма) и 1,50 мм (0,060 дюйма), соответственно.
Использование матриц выводов предоставляет ряд преимуществ. Наиболее
важным из них является минимальная область контура на подложке межсоедине
ний, но, кроме того, матрица выводов предоставляет лучшие электрические ха
рактеристики благодаря низким паразитным компонентам при высокочастотном
режиме работы, упрощенную адаптацию компонентов в линии размещения SMT,
а также лучший выход годного монтажа, несмотря на невозможность прямой ви
зуальной проверки соединений.
Благодаря продолжающемуся уменьшению шага выводов на корпусах стано
вится важным, чтобы проектировщики печатных плат тщательно оценивали воз
можности производства и сборки подложек печатных плат, требующих выводы с
таким мелким шагом, чтобы гарантировать наибольший выход годных изделий и
самую низкую стоимость готовой продукции.
2.5.2. Прямое крепление кристалла
Влияние, оказываемое уменьшением размера, веса и объема электронной про
дукции, привело к росту интереса к методам прямого крепления кристалла (DCA),
когда незащищенный корпусом кристалл интегральной схемы непосредственно
монтируется на подложку. Эти методы широко используются при монтаже бес
корпусных интегральных схем на поверхности печатной платы (COB) и много
кристальных модулей (MCM), как это показано на рис. 2.4.
К методам крепления бескорпусного кристалла к подложке платы относятся
следующие.
1. Проволочный монтаж является старейшим, а также наиболее гибким и ши
роко используемым методом (более 96% всех кристаллов сегодня смонти
рованы проволочным методом).
2. Автоматизированное прикрепление кристаллов к выводам на ленточном носи
теле (TAB) используется при малом шаге вводов/выводов и дает возможность
предварительного испытания кристаллов перед выполнением монтажа.
3. Монтаж методом перевернутого кристалла используется благодаря его ком
пактности и улучшенной электропроводности, типичным представителем
которого является процесс C4 компании IBM.
2.5. Интегральные схемы и корпуса 39
Проблемы плохого сочетания коэффициентов теплового расширения (TCE)
между кремниевыми кристаллами, которые непосредственно монтируются в пе
ревернутом виде на многослойную подложку, были эффективно устранены с по
мощью герметизации неполной заливкой эпоксидной смолы между кристаллом
и подложкой (рис. 2.5).
Рис. 2.4. Сборки по методам COB и MCM
Герметизация
PWB
Наложение и размещение флюса
Пайка расплавлением полуды
Рис. 2.5. Неполная заливка между кристаллом и печатной платой при монтаже ме
тодом перевернутого кристалла
40 Глава 2. Монтаж электронных схем в корпусе и межсоединения
высокой плотности
По этому методу распределяется напряжение по всей площади кристалла и
таким образом существенно улучшается надежность выполнения монтажа.
Интегральные схемы с матричными выводами по всей площади основания
кристалла или с выводами для монтажа методом перевернутого кристалла, т.e.
имеющие большое число штырьков, являются наиболее быстро растущей катего
рией интегральных схем, однако они по прежнему представляют лишь незначи
тельную долю всех используемых интегральных схем. Именно поэтому разработ
чики должны выяснить, какой из методов DCA будет наиболее привлекательным
с точки зрения стоимости для конкретного применения.
2.5.3. Корпуса размером, сопоставимым с кристаллом (CSP)
При монтаже бескорпусных кристаллов на подложки межсоединений не всегда
можно установить, что были смонтированы только пригодные кристаллы. В на
стоящее время существует ряд методов, предложенных для решения проблемы
использования только пригодного кристалла (KGD).
В качестве одного из путей решения этой проблемы рядом производителей раз
работан комплект миниатюрных корпусов, которые только незначительно круп
нее, чем сам кристалл, и защищают его и перераспределяют выводы на матрицу
выводов. Эти миниатюрные корпуса позволяют испытать и отбраковать кристаллы
до их окончательного монтажа. Типичный пример таких корпусов масштаба крис
талла приведен на рис. 2.6. На рынке представлен целый ряд подобных корпусов.
Проектировщик, однако, должен анализировать шаг выводов этих новых CSP,
потому что некоторые из них используют очень маленький шаг, такой как 0,5 мм
(0,020 дюйма) или еще меньше, что требует применять специальные методы изго
товления печатных плат для перераспределения сигнала от этих корпусов к ос
тальным частям платы.
В общем случае современные технологии изготовления печатных плат соответ
ствуют требованиям по обеспечению прямого соединения кристалла, если прово
лочный монтаж или методика TAB используются для межсоединений открытого
кристалла и подложки. Это требует размещения подходящих контактных площадок,
отстоящих друг от друга на требуемый шаг в один или два ряда вокруг кристалла.
Рис. 2.6. CSP компании Tessera, Сан Хосе, Калифорния
Подложка
Кристалл
Эластомер
2.6. Оценки плотности 41
Хотя эта процедура отчасти уменьшает эффективность компоновки платы, она
все еще считается эффективным методом монтажа DCA.
При использовании матрицы выводов ситуация осложняется, потому что сиг
налы от внутренних рядов области матричных выводов должны проходить между
выводами, расположенными ближе к краю, что не позволяет проходить через них
более чем одному или самое большое двум проводникам. В большинстве случаев
эти сигналы от внутренних рядов опускаются вниз на внутренние слои много
слойных плат.
Традиционные конструкции печатных плат сегодня не в состоянии справляться
с любой матрицей выводов, имеющей шаг менее 0,020 дюйма, тогда как некото
рые технологии перевернутого кристалла с матрицей шариковых выводов дохо
дят до шага менее 0,010 дюйма. В тех случаях, когда шаг сетки области выводов
ниже 0,50 мм (0,040 дюйма), часто используются специальные слои перераспре
делений, которые распределяют сигналы на традиционно сделанные PTH во вспо
могательных многослойных платах.
Такие слои состоят из неармированных диэлектрических слоев, в которых с
помощью лазера, плазмы или фотоспособом сформированы небольшие сквозные
или глухие отверстия с их последующей металлизацией, используя для этого ад
дитивный или полуаддитивный процесс металлизации. Хотя этот подход требует
некоторую дополнительную площадь, выходящую за периметр кристалла для вы
полнения передачи сигнала, и увеличивает стоимость подложки, он позволяет
выполнить на печатной плате монтаж методом перевернутых кристаллов и мон
таж CSP. Типичный метод формирования таких слоев перераспределения, полу
чивший название поверхностной ламинарной схемы (SLC) [4], был разработан
на заводе Yasu компании IBM.
2.6. Оценки плотности
2.6.1. Анализ плотности компонент
Из за того, что компоненты и их контактные выводы оказывают основное вли
яние на усилия разработчиков печатных плат, был разработан ряд показателей,
устанавливающих связь между плотностью компонентов и плотностью печат
ной платы. Основной анализ этих связей был проведен H. Holden [5], и неко
торые из его диаграмм и выводов представлены здесь для инструктирования
инженеров разработчиков при разработке рационального проекта печатной
платы.
Эта информация очень полезна при определении того, в каком месте спектра
плотности компонентов поместится разработанная продукция и что в результате
ожидать в отношении плотности печатной платы.
На рис. 2.7 показан обобщенный вид связей между плотностью компонентов,
плотностью их контактных выводов и требуемой плотностью проводки, необхо
димой для вмещения выбранной степени сложности компонентов. Приводится
определение соединяемости проводки Wf.
42 Глава 2. Монтаж электронных схем в корпусе и межсоединения
высокой плотности
2.6.2. Показатели плотности печатных плат
Для правильного проектирования печатных плат важно определить требования к
плотности и затем проанализировать возможность использования альтернатив
ных методов создания плат для наиболее рентабельного проекта. Существует ряд
основных понятий и уравнений, используемых для расчета и анализа плотности
проводки печатной платы:
,
G
Т L
Wc
= ⋅ дюйм/дюйм2, (2.1)
где Wc – емкость монтажа;
T – дорожки на канал;
L – число слоев сигнальной разводки;
G – ширина канала.
Но важнее определить требуемую плотность проводки, которая будет доста
точной для соединения всех компонентов на плате нужного размера. Существует
ряд эмпирически полученных уравнений, которые позволяют выполнить расчет
требуемой плотности проводки. Самое простое уравнение было получено докто
ром Д. Серафимом6:
Wd = 2,25Nt⋅P, (2.2)
где Wd – требуемая плотность проводки; Nt – число вводов/выводов; P – шаг меж
ду корпусами электронных компонентов.
2.6.3. Специальные показатели для прямого крепления кристалла
Монтаж бескорпусного или открытого кристалла на подложке стал популярен
главным образом благодаря возможности с помощью такого монтажа уменьшить
площадку для межсоединений. Теоретическим пределом такого монтажа являет
Рис. 2.7. График общих связей между плотностью компонентов и плотностью про
водки
Среднее число выводов в расчете на одну часть
Число частей на кв. дюйме
Фактическая плотность
электропроводки,
дюйм/дюйм2
PKG:
число выводов
на кв. дюйме
Дюймов
на кв. дюйм
Выводов
на кв. дюйм
2.6. Оценки плотности 43
ся плотное расположение всех кристаллов вместе без всякого зазора. Это приве
дет к 100% ной эффективности компоновки (показатель, который измеряет отно
шение площади кремния к площади подложки). Естественно, что такая 100% ная
эффективность не может быть достигнута, но этот показатель по прежнему счи
тается полезным при классификации различных конструкций подложки или ме
тодов крепления бескорпусного кристалла, как показано на рис. 2.8.
Рис. 2.8. Эффективность компоновки (любезно предоставлено BPA, используется
с разрешения)
Тонкопленочные модули
DIP
SMT
Ширина дорожки, мкм
Эффективность использования площади подложки, %
Монтаж бескорпусного кристалла
на подложку печатной платы
Модули, полученные
спеканием отдельных слоев
Гибриды
с традиционными
технологиями
100% ная эффективность компоновки не может быть достигнута, поскольку
все методы монтажа кристаллов требуют некоторого пространства вокруг крис
таллов. Даже при монтаже методом перевернутого кристалла между кристаллами
должен оставаться зазор, чтобы было место для использования монтажного инст
румента.
Д р Х. Чарльз [7] из университета Джона Хопкинса перечислил размеры, по
мещенные в табл. 2.3, которые необходимы для зазора между кристаллами (или
суммарную ширину рамки вокруг кристаллов) при использовании различных ме
тодов крепления кристалла. На эти или очень близкие к ним расстояния также
ссылается ряд авторов, приводя при этом другие источники.
Даже при монтаже методом перевернутого кристалла эффективность компонов
ки должна быть снижена примерно до 90%, а в случае проволочного монтажа – до
70%, для TAB же – до 50%, а в некоторых случаях значительно больше. Очень похо
жая ситуация представлена в графическом виде на рис. 2.9. Снижение эффективнос
ти компоновки, показанное на рис. 2.9, требуется только для размещения на подлож
ке монтажных площадок для проволочного соединения. Но монтаж бескорпусных
кристаллов на печатной плате требует дополнительной площади для распределе
ния сигнальной проводки, чтобы дать возможность поместить там сквозные метал
лизированные отверстия подальше для обеспечения связи с внутренними слоями.
44 Глава 2. Монтаж электронных схем в корпусе и межсоединения
высокой плотности
Очевидно, что эффективность компоновки на печатной плате может быть сни
жена до диапазона в 20–30%, если только не используются специальные поверх
ностные слои для распределения сигнальной разводки (как упоминалось ранее),
которые изготавливаются из неармированного диэлектрика. В этих случаях эф
фективность компоновки и зазор между кристаллами снова станут близкими к
величинам, на которые дана ссылка в табл. 2.3.
Рис. 2.9. Площадь под кристалл, требуемая для использования различных методов
соединения
Штраф за корпус: превышение площади межсоединений
Плоская упаковка 196 QUARD (1,880%)
Традиционное крепление
на ленточном носителе (89–164%)
Крепление на леточном носителе
в перевернутом виде (69%)
Крепление
проволокой (39%)
Перевернутым
кристаллом (8%)
Кристалл
400⋅10–3
дюйма
415⋅10–3
дюйма
520⋅10–3 дюйма
1,475⋅10–3 дюйма
472⋅10–3 дюйма
550–650⋅10–3 дюйма
Глава 2.3. Очевидно, что непосредственное крепление кристалла на печатной плате при
ведет к существенному уменьшению эффективности компоновки таких сборок,
за исключением того факта, что компоненты могут монтироваться на обеих сто
ронах подложки печатной платы. Было показано, что проволочный монтаж мож
но выполнять на обеих сторонах печатной платы с помощью специальной кре
пежной оснастки; кроме того, соединение выходных контактов (OLB) по методу
TAB может быть сделано на обеих сторонах подложки печатной платы. Таким об
разом, в то время как односторонний монтаж бескорпусных кристаллов на печат
ной плате уменьшает эффективность ее компоновки примерно наполовину по
сравнению с другими типами конструкций подложки, возможность помещать
2.7. Методы увеличения плотности печатных плат 45
компоненты на обе стороны печатных плат возвращает эффективность компо
новки на тот же уровень, что и у других вариантов подложки.
2.7. Методы увеличения плотности печатных плат
Существует три основных пути увеличения соединяемости или доступной емкос
ти соединений печатных плат [8]:
• уменьшить диаметр отверстий и контактной площадки;
• увеличить число проводящих каналов между контактными площадками
путем уменьшения ширины проводников;
• увеличить число слоев для сигнальной разводки.
Влияние каждого подхода на выход годной продукции при производстве и,
таким образом, на стоимость платы будет описано последовательно. Следует от
метить, что последний вариант представляет самое простое, но и наиболее доро
гостоящее решение, а поэтому должен использоваться только после того, как ме
тоды, приемлемые для выполнения первых двух условий, подтвердят свою спо
собность достичь нужную плотность платы.
2.7.1. Влияние контактных площадок на плотность проводки
Основным препятствием на пути увеличения пропускной способности проводя
щего канала являются контактные площадки большого диаметра вокруг металли
зированных сквозных отверстий (PTH), поскольку на предшествующей стадии раз
вития технологии изготовления печатных плат все еще требовались площадки бо
лее широкие, чем проводники на своих местах. Эти площадки уменьшают возмож
ность соединений печатных плат и должны учитываться при правильном анализе
плотности межсоединений. Например, уменьшение диаметра площадок при проек
тировании от 55 до 25 милов (на 55%) удваивает плотность межсоединений, тогда как
уменьшение шага размещения проводников Cp с 1,8⋅10–2 до 7⋅10–3 дюйма (на 61%)
приведет к увеличению только на 50%. Очевидно, что уменьшение диаметра пло
щадок или их полное устранение может стать более эффективным путем увеличе
ния пропускной способности проводки в случае сложных печатных плат.
Предназначение медных площадок вокруг просверленных отверстий в печат
ных платах состояло в том, чтобы вместить в себя любые возможные несовпадения
слоя со слоем или рисунка с отверстием и таким образом препятствовать любому
разрыву отверстия за пределами медной части площадок. Такое несовпадение в ос
новном вызывается нестабильностью и смещением слоистого пластика при его об
работке на этапах производства печатной или многослойной платы (MLB).
Стандарты базовых материалов определяют, что подобное смещение должно быть
ограничено максимальной величиной в 300 ppm, но фактически сдвиги для базового
материала близки к 500 ppm, что дает сдвиг слоя в 10–2 дюйма в пределах 20 дюймо
вого расстояния. Для многих применений этот допуск слишком широкий, поскольку
он требует, по крайней мере, контактный ободок шириной в 10–2 дюйма вокруг про
сверленных отверстий, приводя при этом к существенной блокировке проводяще
го канала.
46 Глава 2. Монтаж электронных схем в корпусе и межсоединения
высокой плотности
Другой причиной нестабильности материала в MLB платах является чрезмер
ное смещение материала, которое происходит, если температура изготовления
многослойного материала превышает температуру стеклования Tg смолы (связу
ющего). С другой стороны, если температура изготовления многослойного мате
риала остается ниже Tg связующего, то могут происходить только минимальные
изменения в размере материала для основы, поскольку смола при этом находится
в фазе линейного расширения. Это обстоятельство объясняет, почему при изго
товлении печатных плат необходимо использовать смолу с высокой Тg.
Данные, полученные из технических характеристик новых, более стабильных
однонаправленных слоистых материалов, указывают, что смещения базового ма
териала уменьшены с 500 до 200 ppm и что требуемая ширина контактного кольца
будет уменьшена с 10–2 до 4⋅10–3 дюйма.
Табл. 2.4 иллюстрирует возможность повышения числа соединений, которое
становится возможным при использовании более стабильных слоистых материа
лов, позволяя уменьшить начальные диаметры площадок (в первом столбце), от
стоящих друг от друга на 2,5 мм (0,100 дюйма) при сохранении постоянным шага
проводников. Наиболее эффективное использование плоскости слоя сигнальной
разводки достигается в случае, когда площадки устраняются, а межсоединения
по оси z ограничиваются в пределах ширины проводников, формируя невидимые
сквозные соединения.
Этот вывод основывается на фактических данных, полученных из техничес
ких характеристик новых, более стабильных, однонаправленных многослойных
материалов. В то время как платы MLB, используя эти новые, более стабильные в
размерах, однонаправленные слоистые материалы с уменьшенными диаметрами
контактных площадок, могут изготавливаться традиционными методами, то из
готовление плат MLB с невидимыми сквозными соединениями требует исполь
зования последовательного процесса производства, аналогичного процессу про
изводства SLC, описанному ранее.
Производители печатных плат чувствуют себя уверенно, производя платы с
проводниками шириной в (4–5)⋅10–3 дюйма, но им все же требуются крупные пло
щадки вокруг металлизированных отверстий для того, чтобы застраховать себя от
разрыва в отверстии. Это ограничивает достигаемую в настоящее время плотность
соединений примерно 40–60 дюйма/дюйм2 из расчета на слой, как это видно из
табл. 2.4. Технология, которая позволит производителям печатных плат изготавли
вать невидимые сквозные соединения, сможет увеличить соединения в расчете на
слой сигнальной разводки печатной платы от его текущего диапазона до уровня в
100–140 дюймов/дюйм2. Ширина проводника в 0,002 дюйма предоставит для пе
чатной платы 200–250 дюймов/дюйм2 на один слой сигнальной разводки.
Табл. 2.5 иллюстрирует наиболее важные результаты увеличения соединений в
расчете на слой: уменьшение числа слоев сигнальной разводки, требуемых для обес
печения такой же плотности проводки Wd. Табл. 2.5 была составлена с применени
ем данных по соединениям из табл. 2.4 для многослойной платы площадью 50 дюй
мов2 с суммарной длиной проводки в 10 000 дюймов. Также обратите внимание, что
число слоев в табл. 2.4 было поднято до следующей более высокой величины пол
ного числа слоев, т. e. рассчитанные 1,4 слоя были записаны как 2 слоя.
2.7. Методы увеличения плотности печатных плат 47
0,055 0,010 20 37 55
0,036 0,018 30 48 55
0,025 0,009 40 96 100
0,025 0,007 60 130 143
Основное преимущество такого сокращения числа слоев состоит в том, что
оно может привести к существенному уменьшению стоимости производства при
одновременном сохранении общей длины межсоединений.
2.7.2. Уменьшение длины проводников
Очевидным методом увеличения числа соединений печатных плат является умень
шение ширины проводников и промежутков между ними, чтобы таким образом
увеличить число доступных каналов проводки в каждом слое сигнальной развод
ки, как это было описано ранее. Это направление используется в промышленном
производстве интегральных схем и печатных плат уже многие годы. Однако не
возможно бесконечно уменьшать ширину проводников или свободное простран
ство между ними. Уменьшение ширины проводника ограничено пропускной
способностью тока тонких, маленьких проводников, особенно когда эти провод
ники длинные, как это часто бывает в случае печатных плат. Существуют техноло
гические ограничения такого уменьшения параметров проводника, поскольку вы
ход годной продукции при производстве может резко упасть, если это уменьшение
приведет к напряжению возможностей процесса изготовления за границы нормы.
Кроме того, существует предел уменьшения свободного промежутка между
проводниками, обусловленный главным образом соображениями электрических
свойств, т. e. необходимостью предотвращения чрезмерных перекрестных помех,
минимизации шумов, а также обеспечения необходимых условий распростране
ния сигнала и для характеристического импеданса.
И все же такое уменьшение параметров проводников, если бы оно было дости
жимо в пределах описанных ограничений, могло бы быть эффективным способом
увеличения плотности печатной платы и уменьшения стоимости ее производства.
Как видно из табл. 2.6, составленной по данным стоимости, полученным из про
Ò0,055 0,010 10 6 4
0,036 0,018 7 4 4
0,025 0,009 5 2 2
0,025 0,007 4 2 2
48 Глава 2. Монтаж электронных схем в корпусе и межсоединения
высокой плотности
граммы Columbus BPA, уменьшение ширины проводников с 6⋅10–3 до 3⋅10–3 дюйма
уменьшает в два раза число слоев для сигнальной разводки, необходимых для обес
печения того же самого количества соединений (при том, что выход годной про
дукции, плотность межсоединений и площадь платы остаются постоянными). Это
уменьшение числа слоев может существенно снизить затраты на производство
печатных плат.
Рис. 2.10. Выход годных плат в зависимости от ширины проводника
100
Выход годной продукции, %
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
1 10 100 1000
Концентрация дефектов для внутренних слоев
Ширина тоководной линии, дюймы
10000 100000
Линия
токовода
шириной
3⋅10–3 дюйма
Линия
токовода
шириной
4⋅10–3
дюйма
Линия
токовода
шириной
5⋅10–3
дюйма
Глава 2.6. 2.7.3. Влияние ширины проводника на выход годных плат
Очевидно, что любое успешное увеличение плотности проводников Id в печатных
платах будет эффективным только при наличии процесса, позволяющего полу
чать разумный выход годной продукции. К сожалению, выход проводников в пе
чатных платах быстро падает, как только их ширина становится ниже 5⋅10–3 дюй
мов, как показано на рис. 2.10. Понятие выхода годной продукции в производ
стве очень важно для анализа процесса наиболее рентабельного производства,
потому что выход годной продукции при этом процессе оказывает большое влия
ние на стоимость подложек межсоединений.
Полезное эмпирическое уравнение для расчета затрат на производство:
.
выход
(материалы стоимость процесса) (стоимость)
Y
С = + (2.3)
3-3 8 4 55
4-4 10 6 64
5-6 12 7 77
5-7 14 8 87
6-6 16 8 90
7-8 20 10 100
2.7. Методы увеличения плотности печатных плат 49
Для установления влияния плотности межсоединений Id на конечный выход
подложек общий выход при обработке может быть разделен на две составляю
щие: одна из них зависит от плотности проводников, т.e. Yld, а другая является
функцией объединенных выходов оставшихся процессов производства:
Yсумм. = Yld⋅Yпроизв. (2.4)
При хорошо контролируемой технологической операции технологически за
висимый выход (как в случае металлизации) остается в точности постоянным для
данной технологии, позволяя выходу целиком зависеть от изменения ширины
проводников.
Как видно из рис. 2.11, к дефектам, влияющим на зависящую от плотности
функцию выхода Yld, относятся обрывы проводников и короткие замыкания меж
ду ними. Можно предположить, что подобные дефекты имеют функцию распре
деления Пуассона вдоль всей длины (TL) проводников подложки со средней час
тотой появления дефектов ν. Выход является вероятностью появления числа де
фектов, равного нулю (n = 0) во всей длине проводника TL. Таким образом,
Y (при n = 0) = e(–ν⋅TL) (распределение Пуассона). (2.5)
Как видно из рис. 2.10 и 2.11, частота появления дефектов n также зависит от
ширины линий проводки и расстояний между ними, т.e. от шага прокладки про
водников Cp. С уменьшением Cp будет увеличиваться ν, но при очень больших Cp
ν должно равняться 0, поскольку Yld будет равно 100%.
Например, в случае разработки, использующей невидимые площадки, при
использовании которых Cp = 2w, плотность межсоединений Id может быть выра
жена как Id = TL/A, а Id при этом пропорциональна Cp, т. e. Id ⋅ Cp = l, а TL = A/Cp.
Поэтому n в этом уравнении может быть эмпирически выражено как:
ln , 0
0
0
b
p
p
C
C
TL
Y
ν = − ⋅ (2.6)
где b является показателем, зависящим от технологии или процесса, используемо
го для формирования проводников. Этот показатель b существенно меняется от
Рис. 2.11. Потеря выхода от коротких замыканий
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0 200 400 600
6⋅10–3 дюйма
4⋅10–3 дюйма
2⋅10–3 дюйма
Минимальная ширина промежутка, дюймы
800 1000
Удельные потери
выхода годной продукции, %
50 Глава 2. Монтаж электронных схем в корпусе и межсоединения
высокой плотности
оборудования к оборудованию и для различных методов формирования рисунка меж
соединений и в каждом конкретном случае должен определяться эмпирически.
2.7.4. Увеличение числа проводящих слоев
Это самое простое и наиболее прямолинейное решение: когда не хватает места на
уже существующих слоях для размещения всех необходимых межсоединений, до
бавляют еще один слой. Этот подход широко применялся в прошлом, но когда
эффективность затрат на изготовление подложек стала иметь огромное значение,
необходимым стал тщательный анализ проекта для минимизации числа слоев в
MLB, потому что с каждым дополнительным слоем существенно растут затраты
на изготовление платы. Как видно из табл. 2.6, рассчитанной для плат MLB раз
мером 6×8 дюймов, производимых в большом количестве с постоянным выходом
и плотностью проводников, существует почти линейная связь между затратами
на изготовление платы и количеством слоев.
Рис. 2.12. Зависимость стоимости от числа слоев и ширины проводников
Слой 2
Стоимость
Ширина токовода
Слой 4
Слой 6
Слой 8
Слой 10
Слой 14
Слой 18
Слой 22
Литература 51
Табл. 2.6 демонстрирует также, что любое увеличение числа слоев сигнальной
разводки в платах, работающих на частотах, требующих линию передачи, удвоит
общее число слоев благодаря необходимости прокладки слоев заземления или
слоев питания постоянного тока между слоями сигнальной разводки.
Типичный пример влияния числа слоев на конечный выход MLB можно ви
деть на рис. 2.12, подготовленном несколько лет назад BPA. Здесь показано опре
деленное уменьшение выхода при производстве с увеличением числа слоев в лю
бой категории ширины линии проводника. Это достаточно типичная ситуация в
производстве плат, потому что увеличение сложности и толщины платы MLB с
большим числом слоев обычно приводит к большему числу проблем на произ
водственном уровне.
Литература
1. Toshiba, «New Polymeric Multilayer and Packaging,» Proceedings of the Printed Circuit
World Conference V, Glasgow, Scotland, January 1991.
2. The Institute for Interconnecting and Packaging Electronic Circuits, 7380 N. Lincoln
Ave, Lincoln wood, IL60646.
3. IPC SM 782, «Surface Mount Design and Land Pattern Standard,» The Institute for
Interconnecting and Packaging Electronic Circuits.
4. Y. Tsukada et al., «A Novel Solution for MCM L Utilizing Surface Laminar Circuit and
Flip Chip Attach Technology,» Proceedings of the 2d International Conference on Multichip
Modules, Denver, CO, April 1993, pp. 252–259.
5. H. Holden, «Metrics for MCM L Design,» Proceedings of the IPC National Conference on
MCM L, Minneapolis, MN, May 1994.
6. D. Seraphim, «Chip Module Package Interface.» Proceedings of Insulation Conference,
Chicago. IL, 7. September 1977, pp. 90–93.
7. H. Charles. «Design Rules for Advanced Packaging,» Proceedings of ISHM 1993, pp. 301–307.
8. G. Messner, «Analysis of the Density and Yield Relationships Leading Toward the Optimal
Interconnection Methods.» Proceedings of Printed Circuits World Conference VI, San
Francisco. CA, May 1993, pp. M 191–20.
Глава 3
John W. Stafford
JWS Consulting PLC, Phoenix, Arizona
3.1. Введение
Революция, происшедшая в электронной промышленности, была обусловлена
достижениями в разработках и производстве полупроводников, корпусировании
полупроводниковых кристаллов и электронных систем, а также в технологичес
ком проектировании.
Ее движущей силой стали достижения технологии интегральных схем (ИC) и до
стигнутые уровни интеграции. Начальным толчком стало использование литогра
фии микрометрического уровня [1]. Эволюция корпусирования полупроводников и
плат с печатным монтажом (PCB) сопутствовала достижениям технологии изготов
ления интегральных схем. На рис. 3.1 и 3.2 показана тенденция роста плотности
транзисторов на кристалле и рост рабочей частоты кристалла в зависимости от вре
мени. Существует опасение, что текущие достижения полупроводниковой техноло
гии примерно к 2010 г. столкнутся с препятствиями на пути дальнейшего развития.
Рис. 3.1. Тенденция плотности монтажа кристаллов для логических компонентов и
компонентов логической оперативной памяти (DRAM)
106 транзисторов, бит/см2
3.1. Введение 53
Следствием возможности помещать больше компонентов на кремниевой интег
ральной схеме стало увеличение размера ее корпуса и числа корпусных штырько
вых выводов, а также плотность проводки для соединения между собой корпус
ных интегральных схем.
Продолжающееся наступление в борьбе за все более высокие степени интег
рации стимулировало предпринимаемые в настоящее время усилия по обеспече
нию меньших по размеру и более дешевых средств корпусирования этих интег
ральных схем, чтобы они могли соединяться между собой более рентабельным
способом, который при этом не ухудшал бы электрических характеристик собран
ной схемы. Поэтому разработка высокоэффективных систем требует учета одно
временно и способа проектирования интегральной схемы, и формата ее корпуса,
а также согласования с межсоединениями.
В табл. 3.1 сравниваются возможности компьютеров, которые появлялись с го
дами на протяжении определенного периода. Наблюдался постоянный рост функ
циональности (т.e. числа выполняемых команд в секунду) наряду с непрерывным
уменьшением затрат на команду. Результатом является возрастающая функциональ
ность портативных радиоустройств связи, таких как пейджеры и сотовые телефо
ны, а также их уменьшение в размерах до минимальных эргономичных стандартов.
Рис. 3.2. Тенденция требуемой частоты кристалла
МГц
Глава 3.1.1975, IBM ainframe 10 000 000 10 000 000 100
1976, Cray I 160 000 000 20 000 000 12,5
1979, Digital VAX 1 000 000 200 000 20,0
1981, ÏÊ IBM 250 000 3 000 1,2
1984, Sun Microsystems 2 1 000 000 10 000 1,0
1994, ÏÊ Pentium 66 000 000 3 000 0,0045
54 Глава 3. Технология корпусирования полупроводников
В 1998 г. во всем мире насчитывалось 308 млн пользователей сотовыми теле
фонами; в 1999 г. это число возросло до 475 млн. Оценивалось, что в 2001 г. будет
1000 млн (т.e. 1 млрд) пользователей сотовых телефонов. С 2000 по 2001 г. было
произведено полмиллиарда сотовых телефонов, так что в настоящее время они
считаются предметами широкого потребления. Та же самая технологическая тен
денция охватывает радиопродукцию для локальных сетей. Эти приложения по
зволят пользователям сотовых телефонов, персональных компьютеров и т.п. об
мениваться данными (включая видеоданные), используя подходящие радиочас
тотные (RF) протоколы (Bluetooth, работающий в частотном диапазоне 2,4 ГГц,
является одним из таких протоколов), если они находятся поблизости друг от друга.
Потребность Интернета в возрастающей функциональности и ширине поло
сы, а также меньшей стоимости нуждается в новых принципах технологического
проектирования электроники и внедрения оптических компонентов и межсое
динений. Эти тенденции будут продолжаться до бесконечности.
3.1.1. Связь технологий корпусирования и изготовления печатных плат
Линии тренда плотности компоновки (площадь корпуса/площадь кристалла) по
дытожены на рис. 3.3. Эффективность применения корпуса с матричным выво
дом очевидна и сохраняется уже в течение 20 лет.
Тогда очевидно, что тенденция для новых корпусных полупроводниковых кри
сталлов состоит в увеличении числа вводов корпуса. Корпуса с матричными вы
водами по всей площади основания корпуса для полупроводников с высокой плот
ностью выводов появились для минимизации размера корпуса и улучшения его
электрических характеристик (т.е. для уменьшения индуктивности выводов).
Рис. 3.3. Тренды корпусирования показывают область эффективности концепции
использования корпусов с матричным выводом уже в течение 20 лет
Плотность компоновки
(площадь корпуса/площадь кристалла)
Кристаллоноситель,
полученный
методом спекания
0,040 дюйма
Носитель площадки
матричной выводов,
полученный
методом спекания,
0,070 дюйма
Носитель площадки
матричной выводов,
полученный
методом спекания,
0,050 дюйма
Перевернутый кристалл
Носитель площадки
матричной выводов,
полученный
методом спекания,
0,050 дюйма
Корпус
с двухрядным
расположением
выводов,
0,100 дюйма
Матрица
штырьковых выводов,
0,100 дюйма Корпус
с 4 сторонним
расположением
выводов,
0,050 дюйма
Плоский
корпус,
0,040 дюйма
Корпус
с креплением
на ленточном
носителе,
0,020 дюйма
3.1. Введение 55
В результате перед производителями печатных плат была поставлена задача умень
шить ширину проводящих линий и зазоров между ними и отказаться от многовы
водных корпусов с матричными выводами по всему основанию корпуса или от
монтажа прямым креплением (DCA). Чтобы соответствовать требованиям к меж
соединениям для промышленной переносной электроники, номиналом для меж
соединений печатных плат были 6⋅10–3 дюйма для линий и расстояний между ними;
в 1992 г. – 8⋅10–3 дюйма; в 1995 г. – 6⋅10–3 дюйма, а в 2000 г. были уже 4⋅10–3 дюйма.
Для удовлетворения потребности изготовления плат с более мелким шагом,
монтажа схем для корпусов с матрицей шариковых выводов (BGA), корпусов со
поставимого с кристаллом размера (CSP) и монтажных плат с высокой плотнос
тью была разработана новая технология изготовления монтажной платы с высо
кой плотностью межсоединений, способная обеспечить ширину линии и проме
жутков между ними в 1,58⋅10–3 дюйма (40 мкм).
3.1.2. Вопросы и проблемы корпусирования электронных схем
Корпусирование электронных схем начинается после того, как заканчивается их
проектирование.
3.1.2.1. Технологический проект и вопросы корпусирования. К вопросам, кото
рые затрагивают технологическое проектирование и корпусирование, относятся:
• выбор подходящих электронных компонентов (полупроводниковых, диск
ретных и пассивных);
• механическая компоновка и сборка компонентов, разъемов и оболочек;
• техническая и технологическая подготовка производства;
• согласование электрических характеристик межсоединений (проектирова
ние с контролем импеданса, перекрестных наводок, расфазировки синхро
низирующих импульсов, задержки распространения сигнала, электромаг
нитных помех для радиочастотных схем и т.п.);
• расчет теплового режима (рассеяние тепла, охлаждение и т.п.).
3.1.2.2. Соображения при проектировании цифровых схем. Цифровые схемы дол
жны выполнять следующие задачи:
• полностью и в кратчайшее время передавать логический перепад;
• иметь такой характеристический импеданс межсоединения, который бы был
равен полному сопротивлению нагрузки;
• иметь чисто резистивный характеристический импеданс, чтобы свести к
минимуму отражения;
• компенсировать расфазировку синхронизирующих импульсов.
При соединении цифровых полупроводниковых устройств существенной про
блемой является расфазировка синхронизирующих импульсов, которая возника
ет при изменении длины каналов синхронизации и является одним из основных
факторов, которые необходимо учитывать при проектировании высокочастотной
продукции.
3.1.2.3. Соображения при проектировании аналоговых схем. Аналоговые схемы
должны выполнять следующие задачи:
• минимизировать энергию, переданную от входа к выходу;
56 Глава 3. Технология корпусирования полупроводников
• сделать импеданс задающей схемы комплексно сопряженным на линии
передачи.
3.1.2.4. Вопросы мощности для кремниевых полупроводников. Следующие пунк
ты перечисляют проблемы, связанные с потребляемой мощностью кремниевых
полупроводников:
• рассеяние мощности транзисторно транзисторной логикой и комплемен
тарным металлооксидным полупроводником (CMOS) зависит от частоты и
резко возрастает на высоких частотах;
• для заданной нагрузки отток от эмиттера к коллектору логического устрой
ства не зависит от частоты;
• нагрузочное сопротивление разряжает выходную емкость в схеме CMOS;
• подключение нагрузки к схемам CMOS для контроля отражения приводит
к потере мощности.
Полупроводники на основе арсенида галлия (GaAs) в настоящее время техно
логически не уступают кремнию [2], особенно в высокочастотных логических при
ложениях. Для логических схем с GaAs рассеяние мощности не зависит от часто
ты, а работа схемы с GaAs не зависит от напряжения питания при снижении вплоть
до 1 В.
3.1.2.5. Радиочастотные полупроводники. Биполярные CMOS с GaAs и с крем
ний германием являются полупроводниковыми технологиями, в настоящее вре
мя используемыми в радиочастотных цепях многих радиоустройств. При корпу
сировании радиочастотных компонентов требуется уделять особое внимание кон
тролю паразитных электрических компонентов и температурной устойчивости та
ких компонентов, как усилители мощности и т.п.
3.1.3. Требования к электронным системам
Требования к электронным системам и продукции, выдвинутые развитием полу
проводниковой технологии, состоят в следующем.
1. Достижения в технологии интегральных полупроводников означают воз
можность работы изделий на более высоких частотах при повышенной про
изводительности и функциональности.
2. Надежность и качество продукции в настоящее время и ожидаемые в буду
щем не связаны с повышением ее стоимости.
3. Размер электронных изделий уменьшается, и это уменьшение ограничено
только эргономическими требованиями и способностью рассеивать тепло.
4. Стоимость компонентов и сборки, как ожидается, будет непрерывно умень
шаться.
5. Настало время воздействовать на рынок электроники всем перечисленным
выше пунктам.
3.2. Однокристальный модуль
До 1980 г. наиболее широко используемым корпусом для полупроводников был
корпус с двухрядным расположением штырьковых выводов (DIP). Этот корпус
3.2. Однокристальный модуль 57
имеет прямоугольную форму с выводами, расположенными вдоль длинных сто
рон корпуса с шагом 0,100 дюйма.
На рис. 3.4 приведена тенденции развития различных форматов и корпусов
полупроводников. Корпуса с левой стороны рис. 3.4 главным образом относятся
к корпусам, имеющим выводы, расположенные по периметру корпуса, т. e. DIP, а
также плоские корпуса с четырехсторонним расположением выводов (QFP), пла
стмассовые кристаллоносители с выводами (PLCC), корпуса с автоматизирован
ной сборкой на ленточном носителе (TAB) и т.п. В нижней правой части рис. 3.4
находятся корпуса с матричными выводами по всей площади основания корпуса,
в частности со штырьковыми выводами (PGA, прикрепленная к основанию кор
пуса матрица штырьков, используемая для электрического соединения), корпуса
LGA (корпуса с матрицей проводящих площадок на основании корпуса, иногда
называемых несущими матричных площадок [PAC], или корпуса с площадками,
имеющими припаянные шарики, а также корпуса с матрицей шариковых выво
дов [BGA]) и многокристальные модули. Шаг вводов в случае корпусов DIP и PGA
равен 0,1 дюйма, тогда как шаг вводов для баланса частей составляет 0,060 дюйма
и менее (т.e. 0,050 дюйма, 0,5 мм, 0,4 мм, 0,3 мм). Корпуса матричного типа по
явились, чтобы обеспечить электрические характеристики для крупных корпусов
и/или в случае более низких плотностей компоновки (площадь корпуса/площадь
кристалла).
Рис. 3.4. Тенденции корпусирования интегральных схем
Оптические
Корпус
толщиной
с лист бумаги
3.2.1. Корпуса с двухрядным расположением штыревых выводов (DlP)
На рис. 3.5 представлена конфигурация корпуса DIP. Используются корпуса DIP
с многослойным керамическим телом, изготовленным методом спекания; с вы
водами, припаянными вдоль длинных краев, или в опрессованной конструкции,
в которой кристалл привязан к выводной рамке и золотая проволока соединяет
кристалл к выводам выводной рамки до прессовки пластмассового тела вокруг
выводной рамки. Корпуса DIP используют не более 64 вводов/выводов.
58 Глава 3. Технология корпусирования полупроводников
3.2.2. Безвыводной керамический контейнер кристалла
Для улучшения форм фактора были разработаны корпуса промышленного и воен
ного назначения, получившие название безвыводных керамических кристаллоноси
телей, главным образом состоящих из углубления в DIP из герметической керамики
(рис. 3.6) с пригодными для пайки посадочными местами, нанесенными фотолито
графией на нижнюю часть безвыводного керамического корпуса кристаллоносителя.
Рис. 3.5. Корпус с выводами в два ряда
Рис. 3.6. Безвыводной керамический кристаллоноситель
Вид после монтажа
Крышка
Кристалл (закрепленный проволокой
после его присоединения)
Основание
Рамка
выводов
DIP в пластмассовом корпусе
Пластмасса
Кристалл
Золотая
проволока
3.2. Однокристальный модуль 59
Эти части собирались на керамических подложках и использовались как в воен
ной, так и в телекоммуникационной продукции. Почти одновременно стали по
являться варианты с выводами на безвыводных корпусах. Шаг безвыводных час
тей составлял 0,040 и 0,050 дюйма, тогда как части с выводами располагались друг
от друга на расстоянии 0,050 дюйма. Работа [3] содержит подробное описание этих
разработок. К 1980 г. началось использование корпусов с четырехсторонними вы
водами для поверхностного монтажа с акцентом на использовании пластмассо
вых корпусов, оснащенных выводами с четырех сторон.
В работе [4] показано, что к 1993 г. произошел резкий поворот от монтажа
частей в сквозные отверстия платы (т.e. DIP) к корпусам с монтажом на поверх
ности. В 1993 г. 50% изготавливаемых корпусов для полупроводников относились
к DIP, смонтированным с использованием сквозных отверстий. К 2000 г. их доля
упала до 30%, а к 2005 г. предполагается сокращение до 15%.
3.2.3. Плоский керамический корпус
с четырехсторонним расположением выводов (PQFP)
Движущей силой развития пластмассовых корпусов, используемых для поверх
ностного монтажа, была разработка пластмассового плоского корпуса с четырех
сторонними выводами (PQFP), который состоит из металлической рамки выво
дов с выводами, выходящими со всех четырех сторон. К рамке выводов, обычно
медной, должен прикрепляться полупроводниковый кристалл (обычно с помо
щью эпоксидной смолы). Вводы/выводы кристалла соединены проволочным мон
тажом к выводам рамки. Традиционным методом проволочного монтажа являет
ся термоультразвуковая шариковая компрессия золотой проволокой. Пластмас
совый корпус затем запрессовывают вокруг кристалла, а выводы подгоняют и
формируют. На рис. 3.7а приведено поперечное сечение PQFP.
PQFP имеют выводы, сформированные в виде крыла чайки (рис. 3.7), тогда
как PLCC имеют выводы в форме буквы J, которые формируются (т.e. сворачива
ются) под корпусом.
На рис. 3.8 показан шаг выводов и предельное число штырьков в зависимости от
размера QFP и шага выводов. QFP производятся и уже используются при монтаже
продукции с шагом 0,5 мм. Основываясь на возможности формования и воздействии
длины вывода на электрические характеристики, пресс форма с 30 мм стороной счи
тается практическим пределом. QFP с шагом 0,5 мм, основываясь на обработке, ог
раничены примерно 200 вводами/выводами. Внедряются QFP с шагом 0,4 мм.
На рис. 3.7 показано разнообразие пластмассовых корпусов для монтажа на
поверхности, которые были разработаны с использованием технологии PQFP.
Керамические и пластмассовые QFP, а также корпуса PLCC используются для
матриц логических элементов, стандартных логических ячеек и микропроцессо
ров. Плоский микрокорпус интегральной схемы с двусторонним расположением
выводов (корпус SO) в форме крыла чайки, а также корпуса SO с выводами в фор
ме буквы J используются для упаковки памяти (SRAM и DRAM), а также линей
ных полупроводниковых кристаллов. Число штырьков для всех типов корпусов
ограничивается только возможностями прессования и требованием получить как
можно более тонкий пластмассовый корпус.
60 Глава 3. Технология корпусирования полупроводников
Рис. 3.7. Типы пластмассовых корпусов для поверхностного монтажа
Рис. 3.8. Шаг выводов и предельное число штырьков в зависимости от размера QFP
и шага выводов
Разумный
размер
Число выводов
Площадь корпуса, мм2
Шаг выводов = 0,3 мм
Шаг выводов = 0,4 мм
Шаг выводов = 0,5 мм
Предельный
размер
0,2 мм
0,15 мм
0,1 мм
Пластмассовый
кристаллоноситель
с четырехсторонним
расположением
J образных выводов (PLCC)
Интегральная схема
Крепежная проволока Прессованная пластмасса
Рамка выводов
а)
Микрокорпус
с двусторонними выводами
в форме крыла чайки (SOP)
б) в)
г) д)
Плоский пластмассовый корпус
с выводами по периметру
четырех сторон (PQFP)
Плоский микрокорпус
с двусторонним расположением
J образных выводов (SOJ)
3.2. Однокристальный модуль 61
3.2.4. Матрица штырьковых выводов (PGA)
и носитель матрицы площадок (PAC)
Сравним корпуса с выводами, расположенными по периметру корпуса, с корпусами,
использующими матрицу выводов по всей площади основания корпуса. Рис. 3.9 на
глядно представляет разницу между безвыводным кристаллодержателем и корпу
сом с матричным выводом по всей площади основания (PAC). На рис. 3.10 приве
дена зависимость между площадью корпуса и числом выводов для двух различ
ных вариантов – для корпуса с выводами по его периметру и под его основанием.
Из рис. 3.10 становится ясно, что для полупроводников с числом выводов, пре
вышающих 100, корпуса PGA и PAC становятся более привлекательными для упа
ковки сверхбольших и ультрабольших полупроводниковых интегральных схем
(БИС и УБИС). Предел масштабирования определяется только вопросами уста
лости соединения или стыковки, выполняемой пайкой.
Рис. 3.10. Эффективность корпусов типа PAC
Рис. 3.9. Сравнение корпуса с расположением выводов по периметру и корпуса с
матрицей выводов по площади его основания
Число выводов
Эффективность корпусов типа PAC
Площадь площадки (дюйм2)
0,100″ PGA
0,050″ LCC
0,050″ PAC
Безвыводной Кристаллоноситель
кристаллоноситель с площадкой
матрицы выводов
62 Глава 3. Технология корпусирования полупроводников
3.2.4.1. Преимущества и недостатки корпусов с выводами, расположенными
по периметру.
• Корпуса с выводами по периметру при шаге 0,050 дюйма легко использо
вать для сборки с поверхностным монтажом. Корпуса QFP с шагом 0,4 мм
и 0,3 мм в настоящее время уже выпускаются серийно. Анализируя рис. 3.8,
который показывает зависимость размера QFP от шага выводов и числа
штырьков, становится очевидным, что применение корпусов типа QFP ог
раничено примерно 400 выводами.
• Среди специалистов корпусной электроники и электронной сборки все еще
идут споры относительно того, возможно ли корпуса QFP с шагом 0,3 мм,
особенно с большим числом выводов, быстро изготавливать, поддерживая
высокий выход годной продукции. Причина этих споров обусловлена уста
лостью выводов (шириной 0,015 мм) и возможностью появления между
ними перемычек из припоя.
3.2.4.2. Корпуса с матрицей выводов в основании и BGA=корпуса. Это разъемное
соединение прежде всего предназначается для корпусов с выводами в основании
корпуса и для корпусов BGA. В работах [5] и [6] приводится подробное описание
этой развивающейся технологии, что связано с использованием ею недорогих
пластмассовых корпусов с матрицей шариковых выводов для пайки волной при
поя, присоединенных к корпусу. На рис. 3.11 приведен керамический корпус с
матрицей шариковых выводов (СBGA), а на рис. 3.12 – поперечное сечение пла
стмассового корпуса BGA.
Рис. 3.12. Поперечное сечение корпуса с матрицей шариковых выводов
Рис. 3.11. Керамический корпус c матрицей шариковых выводов
Осажденный
припой
Сквозное отверстие
для сигнала/заземления
Проволочное
крепление
Смесь
прессовки
Площадка
кристалла Электроосажденный
медный проводник
Паяльная
маска
Печатная плата
с эпоксидным
связующим
Скозное отверстие
для теплоотвода/
заземления
3.2. Однокристальный модуль 63
К преимуществам корпусов с матрицей шариковых выводов (керамических
или пластмассовых) относятся:
• высокая плотность межсоединений. В настоящее время серийно выпуска
ются площадки с выводами, имеющими шаг 1,27; 1,0; 0,8 и 0,5 мм;
• корпуса достигли уровня качества пайки в 6 s (продемонстрированного для
1,27 и 1,00 мм шага выводов) благодаря большому объему припоя на пло
щадке выводов;
• этот корпус относится к тонкопрофильным частям (теперь доступна тол
щина корпуса не более 1 мм);
• этот корпус имеет превосходные электрические характеристики благодаря
небольшой общей длине выводов, контролируемому импедансу, низкой ди
электрической постоянной и использованию при изготовлении подложки
материалов с малыми потерями;
• корпус благодаря своей конструкции имеет превосходные тепловые харак
теристики;
• принцип конструкции корпуса имеет возможность расширения до вариан
тов многокристальных корпусов (MCP).
В табл. 3.2 приводятся ожидаемые диапазоны числа выводов в случае BGA
корпусов для высокоэффективных микропроцессоров и для кристаллов, использу
емых в портативных изделиях. В 2000 г. примерно 60% всех BGA корпусов имели
шаг 1,27–1,00 мм, а для баланса частей – 0,8–0,5 мм. К 2004 г. 60% всех BGA корпу
сов будут иметь шаг 0,8–0,5 мм, а их небольшая доля – с шагом меньше 0,5 мм.
Òàáëèöà 3.2. Êîëè÷åñòâî øòûðüêîâûõ âûâîäîâ BGA-êîðïóñà
Эффективность использования поверхности BGA корпусов, имевших неболь
шое число контактных площадок (менее 140), за последние несколько лет значи
тельно возросла. Новая форма BGA корпусов, получившая название корпусов с
основанием, сопоставимым с величиной кристалла (CSP), обладает эффективно
стью использования площади поверхности примерно 80% (т. e. 80% площади кор
пуса занимает кремниевый кристалл). Шаг контактной площадки для CSP имеет
диапазон 0,8–1 мм. Корпуса CSP следует рассматривать как разновидность тех
нологии BGA корпусирования. На рис. 3.13 приведен типичный корпус CSP.
Был разработан новый, меньший по размеру корпус, который получил название
корпуса в масштабе целой пластины (WSP). На рис. 3.14 показан такой корпус. Эф
фективность использования поверхности в нем составляет 100% (т.e. 100% площади
корпуса занимает кремниевый кристалл). WSP относятся к корпусам, при изготовле
нии которых все процессы выполняются на кремниевой пластине, включая аппли
кацию шариков припоя, используемых для выводов. WSP имеет относительно не
большое число выводов и шаг расположения площадок в диапазоне 0,8–1 мм. Обыч
но для реализации такого шага требуется равномерное перераспределение выводов
микросхемы по всей площади кристалла. Для WSP не нужна герметизация кристал
ла, как в случае прямого крепления кристалла (DCA), описанного в разд. 3.2.5.
2001 2005 2010
64 Глава 3. Технология корпусирования полупроводников
3.2.5. Прямое крепление кристалла (DCA)
Следующим шагом в развитии корпусов является технология DCA. К методам
крепления полупроводниковых кристаллов прямо на соединительную плату (PCB,
многослойная керамика и т.п.) относятся:
Рис. 3.13. Типичная технология CSP (схема любезно предоставлена компанией Amkor Inc.)
Рис. 3.14. Корпуса в масштабе целой пластины (любезно предоставлено компанией
Flipchip)
A mkor
Матрица выводов
корпуса BGA типа
81 Ld
Шарик припоя
Поперечное сечение корпуса CPS
с проволочным креплением к ленте
Состав на основе Полупроводник
эпоксидной
смолы
Проволочное
крепление
Подложка в виде
полиамидной ленты
Крепление кристалла
с помощью эпоксидной
смолы
Интегральные схемы флэш памяти,
использующие технологию перераспределения WLP
3.2. Однокристальный модуль 65
• соединение кристалла с помощью проволоки;
• технология TAB;
• соединение методом перевернутого кристалла.
Исчерпывающее описание монтажа печатных плат креплением кристалла про
волокой, на ленте (TAB), а также соединение кристалла методом контролируемого
разрушения (C4) или технологии крепления перевернутым кристаллом пайкой к
столбиковым выводам на плату можно найти в гл. 6 работы [7]. Рис. 3.15 иллюстри
рует методики присоединения кристалла, которые будут описаны далее в тексте.
Рис. 3.15. Методики межсоединений: а – модуль с креплением кристалла проволоч
ным монтажом; б – ленточный модуль ТАВ; в – модуль с прикреплением
перевернутых кристаллов к выводам на ленточном носителе; г – модуль с
кристаллом, установленным лицевой поверхностью вниз; д – термоакус
тическое крепление с использованием золотой проволоки; е – крепление
на ленточном носителе TAB; ж – крепление перевернутого кристалла
а) б)
Подставка
вверх
Термокомпрессионное
соединение дугой
Подложка
Термоэлемент,
направленный
вниз
в) г)
д)
е)
ж)
66 Глава 3. Технология корпусирования полупроводников
3.2.5.1. Крепление кристалла к печатной плате. К предпочтительным методам
крепления кристалла и проволочного монтажа относится его крепление эпоксид
ной смолой к межсоединениям (т.e. к PCB или к многослойной керамике) и ме
тод шариковой термокомпрессии золотой проволокой. Одно из преимуществ ша
риковой термокомпрессии золотой проволокой состоит в том, что она может вы
полняться по дуге вокруг шарикового соединения. К термокомпрессии клином с
использованием проволоки это не относится.
Проволочный монтаж можно производить проволокой диаметром не более
0,8⋅10–3 дюйма. Шариковая термоультразвуковая компрессия золотой проволо
кой, показанная на рис. 3.15д, выполняется следующим образом:
1) золотая проволока просовывается через капилляр;
2) на конце проволоки с помощью разряда емкости или водородной горелкой
формируется шарик;
3) крепление шарика завершается одновременным приложением вертикаль
ной нагрузки на шарик, помещенный на крепежную площадку кристалла,
и возбуждением капилляра ультразвуком (кристалл и подложка обычно на
греваются при этом до номинальной температуры);
4) капилляр передвигается вверх и, оказавшись над подложкой или площад
кой выводов, создает петлю, которая под нагрузкой и ультразвуковым воз
буждением создает крепление;
5) проволока фиксируется относительно капилляра, и капилляр, перемеща
ясь вверх, разрывает проволоку в месте ее крепления.
Присоединение кристалла и монтаж с применением проволоки имеют недо
статок, который заключается в том, что закрепленный кристалл очень трудно ре
монтировать, особенно если он герметизирован.
3.2.5.2. Автоматизированная сборка кристаллов на ленточном носителе (TAB).
Метод TAB, представленный на рис. 3.15е, является более дорогостоящим, чем
проволочный монтаж, и может потребоваться существенный коэффициент раз
ветвления выхода от кристалла, чтобы выполнить соединение наружным впаем.
TAB является процессом, в котором химически вытравленные, изготовленные
заводским способом медные штырьки в форме непрерывной, полученной хими
ческим травлением ленты, состоящей из повторяющихся участков, под воздей
ствием температуры и давления одновременно присоединяются к столбиковым
выводам из золота или сплава золота и олова, которые изготавливаются на выво
дах кристалла. Наружные впаи кристалла, закрепленного методом TAB, выреза
ются и одновременно закрепляются к луженым площадкам на плате межсоедине
ний под воздействием температуры и давления.
3.2.5.3. Кристаллы с напаянными столбиковыми выводами. Использование кри
сталлов с напаянными столбиковыми выводами для корпусирования электронных
систем было впервые внедрено компанией IBM и получило название соединения
кристалла с помощью контролируемого разрушения (C4). Припой, используемый
при методике C4, состоит примерно из 95% Pb и 5% Sn. Кристаллы C4 для прило
жений компании IBM прикреплялись к многослойным керамическим подложкам
с помощью пайки расплавлением полуды, используя флюс, который после залив
ки припоя требовалось отчищать. Первоначально компания IBM применяла тех
нологии C4 для профессиональных комплектов вычислительного оборудования.
3.3. Многокристальные модули 67
Крепление методом перевернутого кристалла представлено на рис. 3.15ж. Выво
ды кристалла в этом методе припаяны (обычно используется припой из 95% Pb и
5% Sn или эвтектический припой из Pb и Sn), а кристалл волной припоя крепится
к схеме межсоединений. В настоящее время этот метод стал широко использо
ваться как эффективная технология изготовления бескорпусной серийно выпус
каемой продукции широкого потребления. Для технологии прямого крепления
кристалла с использованием метода PCB место посадки кристаллов обычно покры
вают эвтектическим сплавом Pb и Sn. Для пайки при DCA используется припой,
который не требует чистки после его использования в пайке. После того как крис
талл прикреплен пайкой, для защиты от влажности и для усиления показателей тем
пературной цикличности его герметизируют. В работах [8–10] обсуждаются неко
торые появившиеся разработки для прямого крепления кристалла со столбиковы
ми выводами к PCB для серийного выпуска продукции. На рис. 3.16 показан спо
соб применения DCA, который подробно описан в работе [10]. В этом способе
корпусированный микропроцессор CBGA припаян и напрямую прикреплен крис
таллом, чтобы показать возможность экономии занимаемой PCB площади.
3.3. Многокристальные модули
Многокристальные модули (MCP) появились как вариант корпусирования для
тех случаев, когда возникают проблемы с характеристиками или область межсое
динений для корпусной интегральной схемы имеет первостепенное значение.
Рис. 3.16. Применения DCA. Микропроцессор слева находится в BGA, тогда как
процессор справа прикреплен пайкой к столбиковым выводам, чтобы
продемонстрировать возможную экономию площади
Соединение
на столбиках припоя
а)
б)
Полу
проводниковый
кристалл
Герметик
с низким
внутренним
напряжением
Керамическая
или пластмассовая подложка
68 Глава 3. Технология корпусирования полупроводников
Проблема, связанная с характеристиками, состоит в увеличении технических ха
рактеристик полупроводника и влиянии области межсоединений на характеристи
ки смонтированного кристалла. Следствием этого стал вывод о том, что межсоеди
нения мгновенно обеспечивать электрический контакт не могут. Можно показать,
что для медных проводников на полиамиде при тактовой частоте в 200 MГц макси
мально допустимая длина межсоединений составляет 170 мм или около 6,8 дюй
ма. Для сравнения, тактовая частота для микропроцессора DEC ALPHA RISC была
200 MГц или даже выше уже в 1995 г. Тактовая частота микропроцессора Pentium III
составляет 500 MГц, а микропроцессоры с тактовой частотой 1 ГГц в настоящее
время уже выпускаются серийно.
3.3.1. Мнокристальные модули против однокристальных
MCP для модулей памяти нашли широкое применение в персональных (ПК) и
портативных компьютерах. Модули памяти с многочисленными кристаллами (в
корпусах и без корпусов) монтируются на прямоугольных платах межсоединений
(PCB или многослойной керамики) с выходами вдоль одной из сторон прямо
угольника. Такие корпуса получили название плоских корпусов с односторонним
расположением выводов (SIP). SIP могут иметь два ряда штырьковых выводов,
расположенных для крепления через сквозное отверстие к PCB, или они могут
иметь посадочные площадки на корпусе для стыковки с подходящим разъемом.
Для монтажа в сквозные отверстия платы SIP его выводы обычно имеют шаг в
0,100 дюйма. Модули памяти в системах на одном корпусе или в тонком корпусе
или плоские микрокорпуса типа SO с J образными выводами монтируются на SIP,
подложкой которого служит PCB с подходящими ветвлениями для расширения
возможностей памяти. Можно также использовать DCA или кристалл памяти.
Рис. 3.17. Конфигурации SIP
а)
б)
3.3. Многокристальные модули 69
На рис. 3.17 показано несколько конфигураций SIP. На рис. 3.17а представлена
ранняя версия SIP, использующая керамическую подложку и безвыводные кера
мические кристаллоносители с напаянными выводами. На рис. 3.17б представле
на типичная версия SIP для сочленения с разъемом SIP типа.
3.3.2. Технология применения в MCP печатных плат
MCP с технологией PCB, но с выводами, расположенными на подложке, также
применяются для улучшения функциональных характеристик и сокращения пло
щади монтажа. На рис. 3.18 демонстрируется концепция MCP с выводами на под
ложке. Выводы к подложке могут быть полностью изготовлены на заводе вместе с
платой или могут быть припаяны подходящим высокотемпературным припоем.
МРС с выводами, расположенными на подложке, можно после монтажа гермети
зировать или покрыть слоем подходящего герметика.
Выводы, расположенные на подложке
Рис. 3.18. Печатная плата MCP с выводами на подложке
МРС с выводами на подложке может также использоваться с керамическими
корпусами совместного обжига с напаянными выводами и покрывающим слоем
из подходящего герметика или герметичного уплотнителя собранной интеграль
ной схемы. Гл. 7 в работе [7] содержит подробное описание процесса изготовле
ния керамического многослойного корпуса путем совместного обжига.
3.3.3. Органические подложки MCP
Более распространенная форма MCP использует многослойную органическую
плату межсоединений на подложке, выполненной из кремния, корундовой кера
мики или металлического композита. Диэлектрические пленки накладываются
сериями одна поверх другой для создания многослойной платы межсоединений.
Предпочтительным считается диэлектрик из полиамида с тонкопленочными мед
ными проводниками. Технология для платы межсоединений использует процесс
и оборудование изготовления, которое первоначально использовалось для изго
товления полупроводников. Эта технология способна изготавливать линии тол
щиной 1⋅10–3 дюйма с таким же расстоянием между ними. Корпуса могут иметь
впадину, обращенную вверх (в направлении от PCB) или вниз (в направлении к
PCB), если необходимо использовать сток тепла для его рассеяния.
70 Глава 3. Технология корпусирования полупроводников
На рис. 3.19 показан кристалл, закрепленый проволокой к кремниевой под
ложке и помещенный в заранее спрессованный корпус QFP и в керамический
корпус QFP. Заранее спрессованный корпус QFP представляет собой рамку с вы
водами с запрессованным вокруг пластмассовым корпусом, который содержит
углубление для кристалла или подложку. Присоединение кремниевой подложки
к корпусу производится с помощью проволоки. Как показано на рис. 3.15, бес
корпусный кристалл может крепиться к кремниевой подложке проволочным со
единением, соединением TAB или методом перевернутого кристалла. Как и в слу
чае технологии выводов на подложке, формат выводов для QFP, которые вмеща
ют в себя многокристальную подложку, соответствует стандартам корпусов QFP.
3.3.4. MCP и PGA
Корпуса PGA могут использоваться в качестве MCP с подложкой, тип которой
указан на рис. 3.19. Корпуса PGA могут иметь впадину, обращенную вверх (в на
правлении от PCB) или вниз (в направлении к PCB), если необходимо использо
вать сток тепла для его рассеяния. Шаг выводных штырьков PGA обычно состав
ляет 0,1 дюйма.
3.3.5. Многокристальные корпуса
с многоярусным размещением кристаллов
Новая форма MCP появилась в момент написания этого материала. Корпусные
кристаллы помещаются один над другим и соединяются между собой главным обра
Рис. 3.19. Пример MCP
а)
б) в)
Площадки
для передачи
сигналов,
распределения
питания
и заземления
в плоскости X и Y
Расположенные по периметру
площадки выводов
Материал с низкой
диэлектрической постоянной
Подложка
(Si, Al2O3, пленки AIN,
металлический композит и т.п.)
3.3. Многокристальные модули 71
зом проволочным монтажом. Кристаллы утончены до формы пластины толщиной,
не превышающей 6⋅10–3 дюйма. На рис. 3.20 представлены различные форматы кор
пусов. Подложки для многокристальных корпусов с многоярусным размещением
кристаллов могут быть лентой, многослойной органикой (FR 4, FR 5 и т.п.), мно
гослойной органикой с высокой плотностью внутрисхемных соединений или мно
гослойной керамикой. Предпочтительным форматом является BGA. Первоначаль
ным применением многоярусного размещения кристаллов было объединение па
мяти с логическими кристаллами, а не интегральная логика и память на отдельной
кремниевой подложке.
Прогноз развития 3 мерного корпусирования
Высокая
Functional integration
Packade platforms
3S TCSP 3S PBGA
S PBGA
S SBGA
S MCM
FS CSP2
FS CSP1
S TCSP S CSP S LGA
TABGA CABGA
Низкая
3.3.6. MCP и заведомо годный кристалл
Одной из проблем технологии MCP является возможность использования заве
домо годного кристалла. Справедливо полагая, что для большинства кристаллов
выход при тестировании корпусных кристаллов после испытаний полупроводни
ковой пластины составляет около 95%, MCP ограничиваются примерно пятью
кристаллами интегральной схемы из расчета на корпус в лучшем случае. Это ог
раничение является результатом потери полезного выхода конечного корпусного
многокристального модуля. Например, для двухкристальной MCP, в которой каж
дый кристалл имеет полезный выход в сборе примерно 90%, полезный выход MCP
составит 81% (т.e. 0,92), а для четырехкристальной MCP полезный выход составит
65,6% (т.e. 0,94).
Рис. 3.20. Форматы для многокристальных корпусов с многоярусным размещени
ем кристаллов
72 Глава 3. Технология корпусирования полупроводников
а)
б)
μP
L, R, C SRAM
FLASH
• Радиочастотный входной каскад для HiperLAN
– для 5,2 ГГц модуля радиосети LAN
– 12,2×12,2 мм на базе подложки кристалла CSP
• Обеспечивает все функции для преобразования
между первой промежуточной частотой
и радиочастотой 5,2 ГГц
– приемопередатчик из сплава GaAs
– усилитель мощности GaAs
– прием/передача
– низкошумящие транзисторы
– предварительный делитель
– радиочастотные фильтры системы
• Кристаллоноситель с интергированными
пассивными элементами
– 2 превернутых кристалла GaAs
– 1 кремниевый перевернутый кристалл
– 2 дискретных компонента GaAs,
закрепленных проволокой
РАДИОЧАСТОТНЫЙ ВХОДНОЙ КАСКАД INTARSIA
Рис. 3.22. Примеры системы в одном корпусе
Рис. 3.21. Особенности технологии пакетирования при создании корпуса всей си
стемы в одном корпусе (а); поперечное сечение всей системы в одном
корпусе (б)
3.4. Оптические межсоединения 73
3.3.7. Размещение всей системы в одном корпусе
В настоящее время появилась расширенная форма MCP, получившая название
«система на корпусе» или «система в корпусе» целиком. Этот вариант корпуса
объединяет некоторые или все технологии многокристального корпусирования,
которые были описаны ранее. На рис. 3.21 показаны различные возможности
корпусирования, которые образуют систему на корпусе или систему в корпусе.
Одна из особенностей этой концепции единого корпуса состоит в том, что кор
пус вмещает в себя не только кремниевый кристалл, но также все пассивные
элементы, необходимые для обеспечения функциональности системы. Пассив
ные элементы (т.e. сопротивления, емкости и катушки индуктивности) могут
быть смонтированы на подложке или интегрированы в ней (т.е. в технологии
подложки со встроенными пассивными элементами). В работе [11] приводится
подробный обзор концепции системы на одном корпусе или системы в одном
корпусе. Другим примером применения этой концепции является радиочастот
ный модуль входного каскада высокопроизводительной радиосети HiperLAN,
показанный на рис. 3.22.
3.4. Оптические межсоединения
По мере совершенствования технических характеристик полупроводников, ме
рой которых является тактовая частота, допустимая длина межсоединений, не
приводящая к ухудшению характеристик устройства, уменьшается. Появление
Интернета и необходимость все возрастающей полосы пропускания стали основ
ной движущей силой развития оптических компонентов в технологии межсоеди
нений. Для систем мультиплексирования с разделением по длине волны и систем
Ethernet был достигнут предел полосы пропускания меди, равный 5 Гб/с.
3.4.1. Компоненты и корпуса
У конечного пользователя в настоящее время появилась заинтересованность в
широкой полосе пропускания (стационарные или настольные компьютеры).
К области физических разработок недорогой оптоэлектроники относятся: 1) раз
работка недорогого процесса сборки и недорогих корпусов для оптоэлектрон
ных компонентов и 2) возможность стандартной автоматизированной сборки
на плате всех оптоэлектронных частей. На рис. 3.23 представлены разнообраз
ные типы корпусов, используемые для размещения излучателей и детекторов
излучения. Как правило, все корпуса относятся к транзисторному типу или к
корпусам DIP в форме бабочки, а также предназначенным для монтажа через
сквозное отверстие. Обычно все эти корпуса герметичные. Корпуса DIP для
монтажа через сквозное отверстие и имеющие форму бабочки чаще всего ис
пользуются для упаковки лазеров торцевого излучения. Пример корпуса DIP в
форме бабочки с оптоволоконными выводами для лазера торцевого излучения
показан на рис. 3.24.
74 Глава 3. Технология корпусирования полупроводников
3.4.2. Преимущества оптических межсоединений
Преимущества оптических межсоединений состоят в следующем.
• Распространение сигнала не зависит от скорости потока цифровых данных
(вплоть до 20 000 Гб/с).
• Оптические компоненты не чувствительны к электромагнитным помехам
и перекрестным наводкам.
• Оптические сигналы могут проходить друг через друга (отсутствие опти
ческого взаимодействия).
• Компоненты легко допускают мультиплексирование.
Преимущества оптоэлектронных устройств можно использовать для точного
учета локального распределения оптического сигнала для:
• уменьшения числа штырьковых выводов корпусов для сложных сверхболь
ших интегральных схем путем замены сложных выводов, наличие которых
обусловлено полосой пропускания;
Рис. 3.23. Типы корпусов, используемых для излучателей света и детекторов
Рис. 3.24. DIP лазера 0/7
Литература 75
• переноса сигналов с очень высокой скоростью передачи цифровых данных
в гибридных схемах и сборках PCM;
• обеспечения межсоединений высокой сложности, которые достигаются без
сопутствующего роста себестоимости и затруднений, обычных при исполь
зовании объединяющей платы с металлической основой.
3.5. Обзор корпусирования высокой плотности
с улучшенными техническими характеристиками
Для обеспечения улучшенных технических характеристик и высокого уровня меж
соединений можно воспользоваться идеей совместного использования корпуса
MСР и многокристальных модулей. Кроме того, оптоволоконные передатчики и
приемники, изготавливаемые в настоящее время серийно, в состоянии обеспе
чить оптические соединения вне платы с улучшенными техническими характе
ристиками вместо межсоединений на плате с использованием проволочного мон
тажа, стандартной технологии PCB и кабельной проводки. Эти оптоволоконные
передатчики и приемники обычно используют герметичные и негерметичные,
сделанные под заказ корпуса формата DIP. Вместе с достижениями в оптоэлект
ронных полупроводниках также были продемонстрированы возможности опти
ческих межсоединений на плате. В работе [12] описывается один из вариантов
такого оптического межсоединения на плате, где полимерный оптический вол
новод, включающий ветвление и перекрестное замыкание, был изготовлен в по
лиамидном диэлектрике многослойной медной полиамидной кремниевой под
ложки. В настоящее время разрабатывается технология оптических волноводов,
которые встраиваются внутри печатных плат.
3.6. Информация по перспективному плану развития
Перспективный план развития на 2000 год NEMl [13] является хорошим источни
ком подробной информации по перспективе развития корпусирования интеграль
ных схем, технологии изготовления печатных плат, оптоэлектроники и т.п.
Литература
1. D. R. Harriott, R. J. Collier, D.S. Alles, and J. W. Stafford «EBBS: A Practical Lithogrsphic
System,» IEEE Transactions on Electron Devices, vol. ED 22, no. 7, July 1975.
2. Ira Deyhimy, Vitesse Semiconductor Corp., «Gallium Arsenide Joins the Giants», IEEE
Spectrum February 1993.
3. J. W. Stafford, «Chip Carriers – Their Application and Future Direction.» Proceedings of
the International Microelectronics Conference, Anaheim, CA, February 26 28,1980, New
York., June 17–19, 1980, Also published in Electronics Packaging and Production, vol. 20,
no. 7, July 1980.
4. Ron Iscoff. «COSTS to Package Die Will Continue to Rise,» Semiconductor International,
December 1994, p. 32.
76 Глава 3. Технология корпусирования полупроводников
5. Bruce Freyman and Robert Pennisi, Motorola, Inc., «Overmolded Plastic Pad Array
Carriers (OMPAC): A Low Coat, High Interconnect Density IC Packaging,» Proceedings
of the 41st Electronics Components Technology Conference, Atlanta, GA,May 1991.
6. Howard Markstein, «Pad Array Improves Density,» Electronics Packaging and Production,
May 1992.
7. Rao R.Tummala and Eugene J. Rymaszewski, Microelectronics Packaging Handbook, Van
Nostrand Reinhold, New York, 1989.
8. Yutaka Tsukada, Dyuhei Tsuchia, and Yohko Machimoto, IBM Yasu Laboratory, Japan,
«Surface Laminar Circuit Packaging,» Proceedings of the 42nd Electronics Components and
Technology Conference, San Diego, CA, May 18–20, 1992.
9. Akiteru Rai, Yoshihisa Dotta, Takashi Nukii, and Tetsuga Ohnishi, Sharp Corporation,
«Flip Chip COB Technology on PWB,» Proceedings of the 7th International Microelectronics
Conference, Yokohama, Japan, June 3–5,1992.
10. C Becker, R. Brooks, T. Kirby, K. Moore, C Raleigh, J. Stafford, and K. Wasko, Motorola,
Inc., «Direct Chip Attach (DCA), the Introduction of a New Packaging Concept for
Portable Electronics,» Proceedings of the 1993 International Electronics Packaging
Conference, San Diego, CA, September 12–15, 1993.
11. William F. Shutler, Alberto Parolo, Stefano Orggioni, and Claudio Dall’Ara, «Examining
Technology Options for System On a Package,» Electronics Packaging and Production,
September, 2000.
12. K. W. Jelley, G. T. Valliath, and J. W. Stafford, Motorola, Inc., «1 Gbit/s NRZ Chip to
Chip Optical Interconnect,» IEEE Photonics Technology Letters, vol. 4, no. 10, October
1992.
13. National Electronic Manufacturing Initiative, Inc. (NEMI) Year 2000 Roadmap, NEMI,
Herndon, VA, 2000.
С вступлением в силу директивы Европейского союза (ЕС) по ограничению ис
пользования опасных веществ (RoHS) в производстве печатных плат произошла
беспрецедентная технологическая революция. Результатом этой революции ста
ла новая технология, обычно обозначаемая термином «бессвинцовая». Этот тер
мин читатель будет встречать в этом справочнике, хотя ограничения по примене
нию затрагивают, дополнительно к свинцу, еще несколько материалов, перечис
ленных в гл. 1. Причиной выделения именно свинца является то, что ограниче
ние его применения оказало наибольшее воздействие на промышленное
производство плат, так как он использовался в пайке для межсоединений различ
ных компонентов.
Эти изменения не были вызваны требованием рынка или технологическим
прогрессом; скорее всего, они были узаконены с учетом пользы для общества в
целом. Хотя влияние ограничения использования свинца при сборке печатных
плат на глобальную окружающую среду было источником непрекращающихся
дебатов, однако эти ограничения были приняты и стали учитываться при проек
тировании, изготовлении и монтаже печатных плат.
Оловянно свинцовый припой был основой межсоединений с самого начала
использования печатных плат, и все материалы и процессы разрабатывались с
учетом использования именно этого материала. Переход на новые припои поста
вил много вопросов по процессам и технологиям, которые теперь должны были
приспосабливаться и изменяться, чтобы удовлетворить новым требованиям. Опыт
прошлых лет и научно техническая литература не могли дать ответ на все эти воп
росы. Цель книги состоит в том, чтобы предоставить нужную информацию на
сколько возможно в более конкретном и подробном виде, используя промыш
ленные стандарты там, где они существуют, и передовой опыт, имеющий техно
логическое обоснование и продемонстрировавший свою работоспособность там,
где соответствующих стандартов нет.
Наиболее ощутимые изменения затрагивают металлургию припоя и контак
тирующих поверхностей. Все альтернативные сплавы припоя плавятся при тем
пературе выше, чем эвтектический припой, и это потребовало разработки новых
базовых материалов для изготовления плат, а также новых процессов монтажа,
методов испытаний, критериев надежности и способов их контроля. Описание
бессвинцовых альтернативных сплавов в книге начинается с выбора из таблицы
химических элементов тех, которые могут стать кандидатами на использование, а
также с анализа их влияния на свойства припоя. Физика и материаловедение дол
жны помочь в выборе подходящей альтернативы эвтектическому припою. А что
бы читатель смог выбрать базовый материал для плат, пригодный для монтажа
при повышенной температуре и для более высоких рабочих частот, авторы обра
щаются к химии материалов.
С момента обнародования природоохранной директивы ЕС проблема долго
срочной надежности изделий и методика ее контроля в этой новой ситуации по
глотили огромный объем корпоративных ресурсов. Прогностические модели и
архив данных были основаны на оловянно свинцовых сплавах, а для бессвинцо
12 Введение
вых аналогов требовались уже новые модели. В этом издании справочника был
добавлен новый материал и расширен существующий, посвященный этой про
блеме.
Хотя революция в электронной промышленности, вызванная бессвинцовой
технологией производства печатных плат, привлекла к себе очень большое вни
мание, все же наряду с этим происходили и важные эволюционные изменения,
результатом которых стали монтаж схем и размещение компонент повышенной
плотности, а также их более быстрое изготовление. Благодаря этому платы с пе
чатным монтажом продолжали проектироваться мельче, чем когда бы то ни было,
или, наоборот, крупнее, чтобы удовлетворять требованиям конкретных приложе
ний. Эта книга знакомит читателя со всеми этими достижениями. Продолжение
глобализации производства печатных плат и сокращение времени выхода на ры
нок и запуска серийного производства все острее ставят вопрос о необходимости
принятия международных стандартов, которые бы охватывали данные по монта
жу, проектированию и связям и позволили бы каждому организационному эле
менту в цепи поставок функционировать эффективней, с минимальной ручной
доводкой и минимальными задержками, обычно вызванными разъяснениями
проекта. Для рассмотрения этих вопросов нами впервые были добавлены новые
главы.
Были также включены дополнительные материалы по встроенным компонен
там и комформным покрытиям, которые являются важными для многих облас
тей их использования.
Настоящее издание справочника дает описание новых элементов обработки
печатных плат, имеющих как революционное, так и эволюционное происхожде
ние, по прежнему сохраняя в качестве фундамента технологические основы их
изготовления. Не имеет значения, насколько изощренным становится передовой
край технологии, так как в центральной части всех печатных схем по прежнему
находится сквозное металлизированное отверстие в его разнообразных видах и
способах применения. Оно остается одним из наиболее важных технических дос
тижений XX века. По прежнему, основываясь на металлизированном сквозном
отверстии, технология создания печатных плат за прошедшие годы существенно
развилась, став надежнее, эффективнее и воспроизводимей, но процесс, кото
рый был описан в первом издании этой книги, по прежнему узнаваем в ее шес
том издании. В результате те, кто знакомится с этой технологией впервые, все
еще смогут найти вводную информацию, тогда как опытные специалисты найдут
промышленные стандарты и передовой опыт для освоения самых последних дос
тижений.
По мере своего развития промышленность изготовления печатных плат ста
новится все более специализированной, что настоятельно требует стандартиза
ции документов и методов связи, а также понимания конкретных возможностей
всех поставщиков в общей цепи поставок. Результатом является достоверное зна
ние всех возможностей и ограничений процесса на каждом его этапе, начиная с
проектирования платы, четко учитывающее все эти обстоятельства, а согласован
ный критерий приемлемости при этом одобряется до того, как ответственность за
плату переходит от проектировщика к производителю для ее сборки. Это порож
Введение 13
дает сообщество людей, которые, занимаясь поставками, до этого не были близко
связаны с технологией производства печатных плат и которые теперь обнаружи
ли необходимые практические знания по их изготовлению в своей повседневной
работе. Книга также предоставляет для них определенную полезную информа
цию. Они найдут не только базовую информацию, которая будет полезной для
понимания технологических вопросов, но также инструкции по созданию цепи и
ее управлению.
С технологической точки зрения предпочтительным для обозначения пред
мета этой книги является термин «печатный монтаж» или «монтаж травлением»,
но термин «печатные платы» уже вошел в разговорную речь многих народов мира
как представляющий процесс изготовления и его продукцию, описываемые в этой
книге. Поэтому мы будем использовать все эти термины как взаимозаменяемые.
Все изменения в технологии изготовления печатных плат нашли свое отраже
ние в этой книге, что привело к тому, что более 75% ее глав были либо исправле
ны, либо являются новыми, свидетельствуя, что шестое издание содержит самую
последнюю информацию.
Продолжающееся сотрудничество с руководством и сотрудниками Ассоциа
ции связей в электронной промышленности (IPC) и их поддержка являются нео
ценимыми не только для этого издания, но и для всех предыдущих изданий этого
справочника. Ассоциация IPC под руководством Рэя Притчарда, в настоящее вре
мя ушедшего в отставку, и Дитера Бергмана в 2007 г. отметила свое 50 летие, и
невозможно переоценить вклад, который она внесла не только в электронную про
мышленность, но и в современный мир в целом, который все в большей степени
опирается на достижения электроники. Особая признательность выражается Дже
ку Кроуфорду за помощь в подборе и предоставлении материалов IPC, которые
были важны при подготовке этого издания.
В завершение хотелось бы выразить свою признательность и благодарность
авторам, которые уделили свое время и поделились опытом при подготовке глав
этой книги. Все они внесли неоценимый вклад в развитие технической литерату
ры и электронной промышленности.
Клайд E. Кумбс младший, главный редактор
×ÀÑÒÜ 1
ÇÀÊÎÍÎÄÀÒÅËÜÑÒÂÎ ÏÎ ÎÃÐÀÍÈ×ÅÍÈÞ
ÈÑÏÎËÜÇÎÂÀÍÈß ÑÂÈÍÖÀ
ÃËÀÂÀ 1
ÇÀÊÎÍÎÄÀÒÅËÜÑÒÂÎ È ÅÃÎ ÂËÈßÍÈÅ
ÍÀ ÏÅ×ÀÒÍÛÅ ÏËÀÒÛ
Gary M. Freedman
Hewlett Packard Corporation, Business Critical Systems, Singapore
1.1. Обзор законодательства
Увеличение количества производимой продукции и быстрое старение бытовой и
промышленной электроники способствовали составлению Европейским союзом
(ЕС) двух разделов законодательства по защите окружающей среды, которые ока
зывают воздействие на электронную промышленность:
• Директива 2002 96 EC от 27 января 2003 г. Европарламента и Совета по от
ходам электрического и электронного оборудования, сокращенно обозна
чается WEEE;
• Директива 2002 95 EC от 27 января 2003 г. Европарламента и Совета Евро
пы, которая ограничивает применение определенных опасных веществ в
электрическом и электронном оборудовании, сокращенно обозначается
RoHS (ограничение использования опасных веществ).
1.2. Отходы электрического и электронного
оборудования (WEEE)
Эта директива Европейского союза полностью вступила в силу в августе 2005 г.
Она требует от производителей, продающих электрическое или электронное обо
рудование странам, являющимся членами Европейского союза, нести ответствен
ность за утилизацию в конце срока эксплуатации своих изделий. Эта Директива
ограничивает количество различных материалов, закапываемых в землю в виде
мусора, разрешает их повторное использование, а также заставляет проектиров
щиков оборудования и материалов в большей степени учитывать вопросы заши
ты окружающей среды. Конечным результатом являются тарифы на покупку элек
тронной продукции, которые должны помочь с затратами на утилизацию и по
ощряющие производителей электроники на установление программ по возвра
щению для повторного использования. Перечень затронутых товаров очень
длинный. Табл. 1.1 содержит примеры таких товаров.
1.3. Ограничение использования опасных веществ (RoHS) 15
Эта Директива также требует, чтобы символ, показанный на рис. 1.1, поме
щался на видном месте изделия, предназначенного для раздельного сбора после
окончания срока службы, с целью последующей утилизации.
1.3. Ограничение использования
опасных веществ (RoHS)
Второй фрагмент законодательства имеет наибольшее воздействие на электронную
промышленность. Директива RoHS делает незаконным производство или импорт
в страны, являющиеся членами ЕС, любого электрического или электронного обо
Глава1.1. Рис. 1.1. Символ, обозначающий раздельный сбор для последующей утилизации
16 Глава 1. Законодательство и его влияние на печатные платы
рудования, которое содержит ограничиваемые в использовании материалы, т.е.
материалы, которые были основными в электронной промышленности.
Эта Директива полностью вступила в силу 1 июля 2006 г. Ее полномочия име
ют широкую область и применяются ко всему электрическому и электронному
оборудованию, если только нет особого указания основного законодательного
органа или соответствующих исключений. Определение понятий внутри законо
дательства по RoHS происходит очень медленно; некоторые исключения все еще
требуют полного определения, тогда как другие уже были изменены. Неточности
законодательства привели к задержке его принятия электронной промышленно
стью. В результате все еще отсутствует набор промышленных стандартов на мате
риалы и оценка альтернативных материалов, пригодных для производства или
обеспечивающих долгосрочную надежность.
В гл. 45, посвященной материалам для пайки, перечисляются и описываются
альтернативные материалы для замены оловянно свинцового припоя. В гл. 58 и 59,
посвященных надежности, предоставляется информация по методам прогнози
рования срока службы.
1.3.1. Ограничение использования материалов RoHS
Директива RoHS нацелена на шесть широко используемых материалов (табл. 1.2).
1.3. Ограничение использования опасных веществ (RoHS) 17
1.3.2. Анализ соответствия RoHS
Эта Директива делает акцент на мельчайшей однородной части или материале,
который может быть отделен из массы компонентов или их сборки. В качестве
примера рассмотрим случай интегральной схемы (IC) в пластмассовом корпусе
с медной (Cu) выводной рамкой, покрытой некоторым веществом для возмож
ности выполнения пайки. Поверхностное покрытие рамки будет оцениваться
на соответствие требованиям RoHS отдельно от корпуса в целом или даже от
веса самой выводной рамки. Вместо этого весовая доля Pb поверхностного слоя
покрытия будет оценена по отношению веса любого Pb к весу поверхностного
слоя покрытия поверх рамки выводов. Аналогичным образом любой Pb, нахо
дящийся в сплаве с Cu выводной рамки, будет оцениваться на основании обще
го веса анализируемого Pb к общему весу Cu рамки выводов. Также и герметик
интегральных схем будет оцениваться для веса любого PBB или PBDE по срав
нению с весом герметика, в котором он содержится или слоем которого он был
покрыт.
1.3.3. Методы анализа на соответствие требованиям RoHS
Законодательство в области RoHS не устанавливает определенных рекомендаций
для проведения анализа, так же как не существует среди специалистов электрон
ной промышленности единого мнения относительно стандартного метода отбора
при анализе на определение соответствия законодательству в области RoHS. Про
стая выборочная проверка при жидкостной химической обработке может быть
проведена на определение присутствия или отсутствия Cr+6, Hg, Cd и Pb. Эти тес
ты при их правильном проведении имеют высокую чувствительность для осуще
ствления качественного анализа. Атомная абсорбционная спектрофотометрия
(AAS), рентгеновский флуоресцентный анализ (XRF), спектроскопия энергети
ческой дисперсии (EDS или EDAX), инфракрасная (ИК) или ультрафиолетовая
(УФ) спектрофотометрия, а также хромато газ спектрометрия (GC MS, которая
эффективна для PBB или PBDE) являются лишь несколькими из перечня мето
дов, требующих дорогостоящее аналитическое оборудование. С их помощью мо
гут быть получены количественные данные, но капитальные затраты при этом
будут очень высоки и, кроме того, потребуется высококвалифицированный пер
сонал и использование доступных для калибровки эталонов.
1.3.4. Исключения и запрещения
Законодательство в области RoHS освобождает многочисленные приложения от
ограничения на использование четырех заданных элементов. Большинство из них
не подходят к обсуждению темы пайки при изготовлении печатных плат. Подхо
дящие же к этой теме приложения перечислены в табл. 1.3.
Следует заметить, что даже в тех случаях, когда Pb удален из компонента или
припоя, корпус должен также соответствовать требованиям RoHS.
Хотя это кажется парадоксальным, но Директива устанавливает исключение
для основанных на свинце межсоединений, когда содержание Pb превышает 85%.
18 Глава 1. Законодательство и его влияние на печатные платы
Это исключение предназначается для специальных устройств с использованием
технологии керамических шариковых выводов (CBGA), керамических корпусов
со столбиковыми матричными выводами (CCGA), устройств с монтажом мето
дом перевернутого кристалла и других межсоединений в схемах с высоким содер
жанием свинца. CBGA и CCGA основываются на шариках или столбиках с высо
ким содержанием свинца, соответственно, которые плавятся при более высоких
температурах, чем эвтектический сплав свинца и олова и поэтому не будут разру
шаться при пайке расплавлением полуды. Поскольку эти керамические устрой
ства являются тяжелыми, то при разрушении шариковых выводов или столбиков
под ними может произойти короткое замыкание. Обычно требуется несколько
лет, чтобы определить воздействие, которое оказывают изменения в металлургии
на надежность корпусов интегральных схем. В случае устройств с матрицей со
единений по всей поверхности основания корпуса IC соединения припоем с вы
соким содержанием свинца являются неотъемлемой составной частью корпуса, а
не простым соединением вывода компонента и контактной площадкой на печат
ной плате. Более того, эти корпуса обычно используются в высокоуровневых си
стемах, таких как телекоммуникационное оборудование, а также в мощных ком
пьютерах. Законодательство в области RoHS исключает подобное оборудование
из ограничений по использованию Pb вплоть до 2010 г. Между тем изготовители
корпусов работают над поиском и испытанием надежной замены для основанных
на свинце припоев, используемых в высококлассных корпусах. Некоторые мень
шие по размеру интегральные схемы уже переключились на использование бес
свинцовых межсоединений. Другими исключениями, выделенными в используе
мой в настоящее время Директиве RoHS, являются Cd и Pb в батарейках, Pb в
экранах видеомониторов и Hg в лампах флуоресцентного света. Любопытно за
метить, что законодательство в области RoHS включает в поле своего действия Pb
в припоях, даже если припой использует Pb в незначительных количествах (по
оценкам, он составляет менее 10% мирового использования Pb). И наоборот,
Òàáëèöà 1.3. Èñêëþ÷åíèÿ â îáëàñòè RoHS ñîãëàñíî âòîðîé ïîïðàâêå çàêîíîäàòåëüñòâà â îáëàñòè
RoHS*
* Источник: L 280 18 EN Официальный журнал Европейского союза 25.10.2005, 2 е исправ
ленное приложение к Директиве 2002 95 EC.
1.4. Воздействие законодательства в области RoHS 19
на промышленное изготовление печатных плат
исключенные из области действия этого законодательства свинцово кислые ак
кумуляторные батареи, являются крупным потребителем Pb, на долю которых при
ходится более 85% мирового использования Pb.
В августе 2006 г. были разрешены дополнительные исключения для директи
вы RoHS. Как это будет следовать из материала в последующих главах, свинец
используется для уменьшения или устранения появления оловянных усов (метал
лических дендритов олова, которые вырастают на поверхностях из чистого олова).
Металлические усы, подобные тем, что возникают из олова или цинка, известны
как факторы, представляющие угрозу надежности из за короткого замыкания между
противоположно заряженными проводниками. Именно поэтому законодательство
в области RoHS сделало поправку, позволяющую использовать свинец в поверхно
стных покрытиях компонентов с шагом <0,65 мм для подавления оловянных усов.
Эта методика применяется для выводных рамок из NiFe (сплав 42, также извест
ный как ковар), а также для компонентов с медными выводными рамками. Стран
но, что это исключение не охватывает разъемы.
1.4. Воздействие законодательства в области RoHS
на промышленное изготовление печатных плат
Никогда раньше еще не было столь радикального изменения в производстве элек
троники, как это имело место в случае законодательных директив WEEE и RoHS,
особенно последней. Любая промышленность находится под влиянием либо уже
используемых процессов и материалов, либо поиска пригодных к использованию
вариантов.
1.4.1. Компоненты
В общем случае, интегральные схемы, пассивные устройства и разъемы не рас
считаны переносить резкие скачки температуры, намного большие, чем темпера
тура плавления сплава Sn Pb, и рассчитаны только на кратковременные циклы
нагревания и охлаждения. Изготовители интегральных схем и производители их
компонентов вынуждены были провести определенную работу, чтобы понять воз
действие более высокотемпературных процессов, требуемых для бессвинцовой
пайки.
Известно, что помещенные в пластмассовый корпус компоненты поглощают
воду из атмосферы. При нагревании этих компонентов до температуры пайки рас
плавлением полуды происходит расширение воды и это может вызвать растрес
кивание корпуса. Это явление широко известно как «приближение хлопка», по
скольку пластмассовый корпус часто пузырится до растрескивания и остается
деформированным после охлаждения. Во избежание этого упакованные в пласт
массовый корпус компоненты «просушивают» до пайки. Режимы повышенных
температур большинства бессвинцовых припоев будут усугублять проблему при
ближающегося хлопка, требуя большего внимания к циклам просушки компо
нентов. Кроме того, повышенная температура пайки методом расплавления по
луды без использования свинца вынудила пересмотреть классификационную таб
20 Глава 1. Законодательство и его влияние на печатные платы
лицу для чувствительности корпуса к влажности. Это особенно актуально для ком
понентов, которые не герметизированы. Для них также необходимы более дли
тельные циклы прогревания.
Многие компоненты, такие как интегральные схемы и пассивные устройства
(сопротивления, емкости и т.п.), могут быть не приспособлены к процессам с по
вышенной температурой, которые обычно связаны с использованием бессвин
цовой пайки. Повышенная температура может привести к изменению электри
ческих характеристик, образованию трещин, плавлению или к другим поврежде
ниям электронных компонентов или ухудшению их функциональных свойств.
Только компоненты, сертифицированные производителем этих деталей или
пользователем, могут рассматриваться для бессвинцового монтажа печатных плат.
Производитель каждоого компонента устанавливает его чувствительность к влаж
ности, которая указывает, как долго этот компонент может храниться в среде обыч
ного рабочего помещения до того, как потребуется плановый цикл его прогревания.
Подробную информацию по классификации чувствительности любого из компонен
тов к влажности по условиям его хранения и требованиям к прогреванию можно найти
в объединенных промышленных стандартах J STD 020 [1] и J STD 033 [2].
Дополнительно к изменению чувствительности к влажности составляющие
слоистых материалов, герметизирующие вещества или формовочные составы
могут иметь склонность к потере функциональных свойств в результате воздей
ствия повышенных температур в течение продолжительного времени их воздей
ствия. Есть и другие отрицательные факторы, связанные с переходом на бессвин
цовые припои. Большинство бессвинцовых припоев имеют более низкую смачи
ваемость (медленней распределяются на предназначенной для пайки поверхнос
ти), гранулируются (что не является обязательно отрицательным фактором, но
отличается от того, что обычно воспринимается как положительный фактор для
соединений с помощью припоя на основе свинца).
С введением бессвинцовых припоев в качестве базовой технологии электри
ческие компоненты, предназначенные для поверхностного монтажа, переквали
фицируются или переформируются, чтобы выдерживать повышенные темпера
туры, необходимые для бессвинцовой обработки. Аналогичным образом органи
зации, занимающиеся стандартами, такие как Объединенный инженерный совет
по электронным устройствам (JEDEC), переопределили максимально безопасный
температурный режим для электронных компонентов из за повышенной темпера
туры пайки расплавлением полуды, которая требуется при исключении свинца.
Инженер технолог теперь должен обращаться к техническим условиям производи
теля электронных компонентов, чтобы установить безопасные параметры для пай
ки расплавлением полуды в случае использования бессвинцовой технологии.
1.4.2. Стандарт качества работы
Наиболее широко используемый стандарт качества работы IPC A 610 был пере
писан, чтобы включить в него обследование бессвинцовых монтажных сборок,
выполненных с помощью пайки. Эти изменения были внесены в версии D этого
документа. Персонал технического контроля нуждается в подготовке, чтобы быть
1.4. Воздействие законодательства в области RoHS 21
на промышленное изготовление печатных плат
в состоянии уделять должное внимание всем внесенным изменениям и пересмот
ренному критерию приемочного контроля.
1.4.3. Слоистые платы
Многие из широко используемых многослойных печатных плат (PWB), предназ
наченных для монтажа с помощью пайки с применением свинца, не смогут вы
держать повышенные температуры, применяемые без использования свинца.
Только многослойные платы с определенной температурой стеклования (Tg) и
определенной температурой разложения (Td) должны исследоваться для выясне
ния возможности их использования в бессвинцовой технологии. Многослойные
платы PWB вероятнее всего будут провисать во время выполнения бессвинцовой
пайки методом расплавления полуды. Некоторые могут даже темнеть или рассла
иваться при воздействии температур, необходимых для бессвинцовой пайки. Для
бессвинцовой пайки необходимо уделять пристальное внимание выбору матери
алов и их испытанию. Для использования многослойных плат при повышенных
температурах требуется изменение последовательности расположения слоев, что
бы уменьшить вероятность искривления, обугливания, расслоения, провисания,
сквозного или кругового образования трещин и т.п. Высокотемпературные мно
гослойные платы PWB имеются в наличии, но они обычно стоят значительно до
роже, чем те, что используются для обработки с использованием припоя из олова
и свинца.
1.4.4. Флюс для пайки
Некоторые из используемых флюсов для свинцово оловянного припоя могут быть
несовместимы с повышенными температурами, необходимыми для бессвинцо
вых сплавов. Необходимые для пайки материалы во флюсе могут выпариться, раз
ложиться или окислиться до того как произойдет полное флюсование. Кроме того,
флюс должен оставаться на соединяемых вместе металлических поверхностях все
время, пока идет процесс пайки расплавлением полуды, поскольку он служит ба
рьером кислороду. Там, где флюс пропадает слишком быстро, может произойти
повторное окисление припоя и соединяемых поверхностей, что замедлит смачи
вание припоя. Флюсы для бессвинцовых припоев должны подбираться с учетом
их состава и повышенной температуры пайки, а также для бессвинцовых поверх
ностных покрытий на площадках выводов и контактных площадок PWB.
1.4.5. Требования по гигиене
Определенная польза для здоровья связана с удалением свинца из смонтирован
ных печатных плат. Токсичность свинца убедительно подтверждена различными
публикациями, а наиболее серьезные проблемы связаны с непосредственным
попаданием внутрь организма содержащих свинец материалов (например, про
глатывание детьми оберток конфет с красками на основе свинца или свинец в
питьевой воде из водопровода, запаянного содержащим свинец припоем). Этот
накапливающийся тяжелый металл очень медленно растворяется в организме че
22 Глава 1. Законодательство и его влияние на печатные платы
ловека. Хотя существуют противоречивые доказательства того, как свинец из при
поя может вымываться в грунтовые воды из свалок мусора, создавая проблему
свинцового загрязнения, все же каждый из нас заинтересован в исследовании аль
тернативных сплавов для припоя и отказе от использования припоев на основе
свинца.
Операции монтажа печатных плат определенно выиграют оттого, что техни
ческий персонал будет соприкасаться с более низким уровнем токсичности. Ока
лина припоя, создаваемая во время пайки волной припоя или возбуждаемая при
выполнении обслуживания пайки волной припоя, является основным источни
ком вдыхаемого свинца на заводах изготовителях. Переносимая по воздуху ока
лина создается также при выполнении операций разбрызгивания припоя, дора
ботки горячим воздухом и даже при пайке вручную. Переход на бессвинцовую
технологию также устранит проблемы, связанные с проглатыванием мелких час
тиц свинца с загрязненных рук.
1.4.6. Стоимость замены свинца
В США и других странах некоторые законодательные инициативы, нацеленные
на ограничение использования свинца, закончились неудачей. Эта неудача дала
толчок исследованию по замене припоя другими сплавами. Несколько корпора
ций и университетов разработали бессвинцовые припои, часть которых была за
патентована. Как в случае с любой запатентованной деталью или запатентован
ным процессом, права на использование изобретения некоторое время остаются
за изобретателем или финансировавшей исследование корпорацией, так что не
которые из этих сплавов не могут использоваться свободно. В некоторых случаях
только незначительные изменения в составе сплава отделяют общедоступные
сплавы припоя от запатентованных композиций припоя. Стоимость патентной
лицензии для конечного пользователя либо для производителя припоя в боль
шой степени ляжет нагрузкой на конечного пользователя.
Почти в каждом случае стоимость бессвинцового припоя как минимум на 20%
выше, чем оловянно свинцового сплава. Многослойные PWB стоят еще дороже,
поскольку состоят из многих компонентов. Вместе с необходимостью использо
вать повышенные температуры для пайки расплавлением полуды увеличиваются
затраты на энергию. Существенные затраты обусловлены также подготовкой пер
сонала, способного заниматься заменами при переходе на бессвинцовую техно
логию. Также могут понадобиться раздельные линии для свинецсодержащих и
бессвинцовых припоев.
Как олово, так и свинец находятся в избытке, легко рафинируются и поэтому
являются недорогими в использовании. Совсем по другому обстоит дело в случае
с некоторыми составляющими бессвинцовых припоев, такими как индий (In),
галлий (Ga) и серебро (Ag). Даже висмут (Bi) является малой составляющей свин
цовой руды и в основном получается в процессе его рафинирования. При пайке
волной припоя требуется большое количество припоя (сотни фунтов) для заполне
ния емкости припоя (ванны). Стоимость и доступность некоторых бессвинцовых
сплавов делают их массовое использование непрактичным. Сравните припой
1.4. Воздействие законодательства в области RoHS 23
на промышленное изготовление печатных плат
Sn Pb стоимостью примерно 1,50 долл. за фунт с Sn 0,7Cu по цене 2,30 долл. за фунт
и с Sn2Ag0,8Cu0,5Sb по цене 4 долл. за фунт. Следует признать, что поскольку сви
нец является тяжелым элементом, то цена за фунт не самая лучшая мера; цена за
единицу объема является в этом случае более предпочтительной.
Несмотря на это, отказ от бинарного сплава олова со свинцом будет означать
существенно более высокие стоимости сырьевых материалов. Кроме того, при
выполнении пайки волной припоя волна расплава будет растворять определен
ные поверхностные покрытия, вещества которых, накапливаясь, могут изменять
состав припоя. Различные сплавы припоя имеют разные свойства растворения
металла. Поэтому использование одного и того же бессвинцового сплава припоя
для пайки волной припоя, так же как и в случае пайки растворением полуды, мо
жет оказаться практически нецелесообразным.
Некоторые очевидные дополнительные затраты и последствия перехода на
бессвинцовые припои упоминались ранее в этой главе. Однако существуют дру
гие возможные и скрытые затраты. Оборудование для пайки может не иметь ши
рину энергетической зоны, необходимую для использования повышенных тем
ператур, требуемых для некоторых бессвинцовых сплавов. Может оказаться, что
для печей, используемых для пайка расплавом полуды, потребуются иные мате
риалы конструкции, чтобы выдерживать длительные воздействия повышенных
температур. Втулки вентилятора и полимерные уплотнители для поддержания
инертной атмосферы могут не выдержать намного более высокие температурные
режимы, чем были необходимы для обработки сплава олова и свинца. Такие же
соображения применимы и к пайке волной припоя. Паяльники для пайки вруч
ную потребуют более высокую температуру нагревания, и еще больше плат может
пойти на лом из за локализованного обугливания, появляющегося при попытке
добиться пайки расплавлением полуды при ручной пайке или при выполнении
ремонта. Материалам плат, флюсам и другим сопутствующим материалам может
потребоваться новый состав, что также повысит затраты.
1.4.7. Изменения оборудования
В некоторых случаях потребуются изменения в оборудовании для пайки с повы
шенными температурами и для контактов с материалами, отличными от олова и
свинца. Подобные изменения подробно описываются в гл. 47.
1.4.8. Отходы в лом и ошибки выбора материала
В некоторых случаях появятся затраты на разделение материалов (содержащие и
не содержащие свинец) и связанный с этим рост рабочего помещения для прове
дения двух инвентаризаций (материалов со свинцом и без него). Неподходящие
материалы должны быть отправлены в лом или распроданы тем, кто все еще ис
пользует процессы с применением свинца. Ожидается, что на начальной стадии
перехода на бессвинцовые технологии при инвентаризации деталей они могут быть
случайным образом перемешаны, а это может повлиять на надежность готовых
изделий и сделает эти изделия неприемлемыми для импорта в Европу после 1 июля
2006 г. из за принципов Директивы в области RoHS.
24 Глава 1. Законодательство и его влияние на печатные платы
1.4.9. Обучение
Каждый сектор производства плат в электронной промышленности сегодня зат
ронут изменениями, вызванными бессвинцовой технологией: освоением нового
типа пайки или проверкой соединений, выполненных с ее помощью; электри
ческим тестированием; инвентаризацией материалов; проверкой ведомости ма
териалов; составлением требований к поставкам, инвентарным распределением
и проверкой поступающих материалов. Адаптация Директивы RoHS и бессвин
цовых стандартов к сборным печатным платам определенно потребует самых
широкомасштабных изменений. Большое внимание должно быть уделено обуче
нию персонала на каждом уровне изготовления монтажной печатной платы (PCA)
и ее технической поддержки.
1.4.10. Испытание надежности
Замена материалов и припоев для реализации ограничения использования свин
ца делает необходимым испытание надежности бессвинцовых сборок, предпола
гая ее сопоставимость с надежностью монтажа на основе олова и свинца. Методы
проверки надежности, параметры и модели должны соответствовать свойствам
материалов бессвинцовых сборок.
1.4.11. Внутрисхемный тест (ICT)
Поскольку температура процесса сборки для большинства не содержащих сви
нец материалов выше, чем для близкого к эвтектическому припою из Sn и Pb, то
любые остатки флюса при технологии без чистки после его использования силь
нее запекаются на поверхностном металле печатной платы PWB. Это препятству
ет электроиспытанию зондовым контактом. Даже с современными, не требую
щими чистки пастами припоя и с применением припоя из Sn и Pb осуществление
зондового контакта может быть проблематичным. Часто остатки, которые покры
вают контрольные точки, вынуждают производить целый цикл приладок зонда,
чтобы проникнуть сквозь остатки флюса.
1.5. Перспективы бессвинцового монтажа
Относительные преимущества отказа от использования или уменьшения приме
нения свинца остаются спорными. Некоторые исследования показали отрица
тельный результирующий эффект из за энергоемких материалов и процессов, тре
буемых для изготовления и перехода на бессвинцовые материалы. Какими бы ни
были долгосрочные перспективы воздействия на окружающую среду, очевидно,
что краткосрочные последствия уже создают техническую проблему обеспечения
надежности и рентабельности сборок монтажных плат. Не существует простой
замены сплаву Sn Pb, как не существует единого мнения относительно возмож
ности промышленного применения однокомпонентного припоя. Наиболее обе
щающие сплавы имеют существенные проблемы из за стоимости исходных ма
1.5. Перспективы бессвинцового монтажа 25
териалов, ограниченной надежности и еще из за не выясненного до конца взаи
модействия с другими материалами. Потребовалось много лет, чтобы понять свой
ства припоя из Sn и Pb, его металлургическое поведение, свойства паяных со
единений и разработать методологию пайки. Новым припоям предстоит пройти
тщательное обследование для определения ключевых характеристик процесса его
использования и надежности. Поскольку система взглядов и понятий для характе
ристики припоев и надежности отрабатывалась в течение векового применения
припоя из Sn и Pb, то цикл развития для бессвинцового припоя должен быть су
щественным образом рационализирован. С другой стороны, быстрый переход на
бессвинцовый припой несет с собой риски в отношении эффективности нового
процесса и его контроля, а также долгосрочной надежности конечной продук
ции. Эти риски потребуют непрерывных проверок выбранных сплавов для при
поя, использованных поверхностных покрытий, условий выполнения пайки, со
вместимости материалов (печатных плат, корпуса интегральных схем и т.п.), из
менения требований к объему припоя для достижения прочности паяного соеди
нения и даже замены некоторого используемого оборудования. Гл. 45 «Материалы
припоя» содержит подробное описание бессвинцовых сплавов и материалов, в
ней предлагается несколько вариантов выбора подходящих материалов, а также
приводятся их характеристики.
Поскольку практически все бессвинцовые сплавы имеют повышенную тем
пературу плавления, то требуемая для этого дополнительная энергия приводит
к повышению затрат на использование бессвинцовой пайки. Необходимые из
менения в оборудовании для обработки по новой технологии будут описаны в
гл. 46 и 47.
Кроме того, поскольку основанные на свинце припои будут продолжать ис
пользоваться согласно директиве RoHS до 2010 г., то другой вероятной причиной
неполадок может стать случайное использование бессвинцового припоя с корпу
сами, содержащими свинец, или припоя на основе свинца с не содержащими сви
нец корпусами. Хотя и существует некоторая совместимость предыдущих версий
с последующими и наоборот в отношении припоев, корпусов и поверхностных
покрытий, существуют все же и определенные трудности. Некоторые корпуса,
предназначенные к использованию с применением свинца, не смогут вынести
повышенных температур пайки бессвинцовыми припоями. В случае бессвинцо
вой платы с матрицей шариковых выводов (BGA), которая паяется припоем со
свинцом, или наоборот, уже известно, что это приведет к отрицательному влия
нию на результирующую надежность паяных соединений с применением главно
го кандидата на замену содержащего свинец припоя. Увеличение предела проч
ности на растяжение наряду с ростом хрупкости обычно проявляется в системе
олово серебро медь – главном кандидате на замену.
Китай, Япония и Корея выдвинули законодательные инициативы, которые
принимают форму, аналогичную инициативе Евросоюза, а именно директивам
WEEE и RoHS. То же самое относится к нескольким штатам США. И от того фак
та, что бессвинцовая пайка будет основной технологией всех будущих межсоеди
нений в электроники, уже никуда не уйти.
26 Глава 1. Законодательство и его влияние на печатные платы
Литература
1. J STD 020: Объединенный IPC JEDEC стандарт для классификации чувствитель
ности к влажности – пайки полудой для негерметичных твердотельных компо
нентов с поверхностным монтажом (Объединенный инженерный совет по элект
ронным устройствам (JEDEC), Арлингтон, Виржиния, США и Ассоциация свя
зей в электронной промышленности, IPC, Баннокберн, Иллинойс, США).
2. J STD 033: Объединенный стандарт JPC JEDEC для обработки, упаковки, транс
портировки и использования чувствительных к влажности и пайке расплавлени
ем полуды компонентов с поверхностным монтажом (JEDEC, Арлингтон, Вир
жиния, США и IPC, Баннокберн, Иллинойс, США).
Глава 2
Clyde F. Coombs Jr.
Editor In Chief, Los Altos, California
Happy T. Holden
Westwood Associates, Loveland, Colorado
2.1. Введение
Для формирования функциональной и работоспособной системы необходимо,
чтобы все электронные компоненты были соединены между собой и собраны во
едино. Проектирование и производство этих межсоединений эволюционировали
в отдельную дисциплину, получившую название монтаж электронных схем в кор
пусе. С начала 1950 х гг. основным стандартным блоком электронного монтажа
является плата с печатным монтажом (PWB), и такое положение дел сохранится в
обозримом будущем. Эта книга обрисовывает основные подходы процессов про
ектирования и производства, необходимые для изготовления PWB.
Данная глава описывает основные соображения при выборе методов межсое
динений для электронных систем, а также допустимые компромиссы. Основной
акцент делается на анализе влияния, которое может оказать выбор различных ти
пов печатных плат и вариантов проектирования на стоимость и рабочие характе
ристики конечной электронной продукции.
2.2. Оценка революционных межсоединений
(межсоединений высокой плотности)
Совершенствование рабочих характеристик компонентов и рост плотности вы
водов параллельно с уменьшением размера корпусов требовали от технологий со
1 Взято из работы Coombs, Clyde F. Jr., Printed Circuits Handbook (4 е издание), гл. 1 «Элек
тронный монтаж и межсоединения» (McGraw Hill, New York, 1996).
28 Глава 2. Монтаж электронных схем в корпусе и межсоединения
высокой плотности
здания PWB соответствующих путей увеличения плотности межсоединений на
подложке. С появлением и усовершенствованием таких технологий сборки, как
матрица шариковых выводов (BGA), монтаж в корпусе, по размеру сопостави
мом с кристаллом (CSP), а также бескорпусный монтаж кристаллов на печатной
плате (COB) традиционная технология достигла той точки, когда стала необходи
ма разработка альтернативных путей обеспечения высокой плотности межсоеди
нений (см. гл. 3 и 4 для ознакомления с подробным описанием используемых ком
понентов и технологий сборки).
Иногда это называют межсоединениями высокой плотности (HDI), револю
ционными межсоединениями или революционной плотностью, потому что про
должать делать одно и то же, но только меньшего размера, дальше было недоста
точно.
2.2.1. Плотное межсоединение элементов
Диапазон проблем, связанных с плотностью межсоединений, не всегда различим,
но диаграмма [1] на рис. 2.1 может помочь каждому определить и понять его. Эта
диаграмма описывает взаимосвязь между плотностью сборки компонентов в кор
пус, плотностью поверхностного монтажа (SMT) и плотностью PWB. Как можно
видеть, все три элемента взаимосвязаны. Изменение одного имеет существенное
влияние на суммарную плотность межсоединений. Наглядные показатели этого
следующие.
Рис. 2.1. Представление показателей сборки, компонентов и PWB и их общей взаи
мосвязи друг с другом
Сборка
(части и выводы
на кв. дюйм)
Компоненты
(среднее
число выводов
на часть)
PWB
(дюймы
на квадратный
дюйм)
• Сложность блока: мера сложности сборки компонентов при поверхностном
монтаже, выражаемая в частях на квадратный дюйм и в выводах на квад
ратный дюйм.
2.2. Оценка революционных межсоединений (межсоединений высокой плотности) 29
• Сложность сборки компонентов в корпусе: степень сложности отдельных ком
понентов, измеряемая средним количеством выводов (I/O) на одной части.
• Плотность платы с печатной электропроводкой: объем электропроводки, ко
торый имеет печатная плата, измеряемый средней длиной разводок на квад
ратный дюйм площади этой платы, включая все слои сигнальной разводки.
Измеряется в дюймах на квадратный дюйм.
2.2.2. Технологическая карта межсоединений
Для визуального представления взаимосвязанности этих трех элементов обратимся
к рис. 2.2. На нем изображены эти элементы в качестве осей трехмерной техноло
гической карты, которая определяет переход от традиционных конструкций PWB
к передовым технологиям и показывает, как изменение только одного из этих трех
элементов может увеличить или уменьшить суммарную плотность полной элект
ронной корпусной сборки.
Для описания сложности блока компонентов все соединения его компонен
тов (I/O), включая обе стороны сборки, а также лапки на его кромках или кон
такты, делятся на общее число компонентов блока. Результирующие средние
числа выводов (I/O) в расчете на одну часть дают ось x на рис. 2.2. Горизонталь
ная овальная форма показывает, как сложность компонентов может меняться
от двух выводов в расчете на одну часть в дискретных элементах схем до очень
большого их числа, которые можно видеть на BGA и специализированных ин
тегральных схемах.
Рис. 2.2. Технологическая карта компонентов, показывающая влиние сборки, PWB
и технологий изготовления компонентов на окончательную плотность кор
пусной сборки и технологии ее изготовления
1 10 100
Компоненты, среднее число выводов на часть
1
10
100
Компоненты, части/дюйм2
Область
передовых технологий
Область
традиционных PWB
Компоненты
Печатный монтаж
Сборка
x.
y. z.
Сборка
(части
и выводы
на кв. дюйм)
Компоненты
(среднее число
выводов
на часть)
PWB
(дюймы
на кв. дюйм)
30 Глава 2. Монтаж электронных схем в корпусе и межсоединения
высокой плотности
Если использовать рис. 2.2 для описания схем с поверхностным монтажом, то
вертикальное измерение (ось y, показанная в виде вертикального овала) указыва
ет, насколько сложно собрать плату, исходя из количества компонентов на квад
ратном дюйме или квадратном сантиметре для данной площади поверхности платы
PWB. Этот вертикальный овал может меняться от одной и до более чем 100 частей
на квадратный дюйм. По мере того как части становятся все меньше и ближе друг
к другу, это число естественным образом возрастает. Второй мерой схемы являет
ся среднее число выводов на квадратный дюйм или квадратный сантиметр. Он
равен произведению величины, взятой по оси x, на величину, взятую по оси y.
(Дальнейшее описание этих вопросов и уравнение для определения их численно
го значения приводятся в гл. 18.)
Овал по оси z на рис. 2.2 описывает плотность платы с печатной проводкой.
Это та проводка, которая требуется для всех выводов компонентов при размере,
определенном схемой, предполагая по три узла на каждую сеть. Эта ось имеет раз
мерность дюймов на квадратный дюйм или сантиметров на сантиметр квадрат
ный. Дальнейшее описание этой меры приведено в этой главе далее, а более под
робное описание можно найти в гл. 9.
2.2.3. Пример революции межсоединений
Строя диаграмму продукции определенного типа в зависимости от времени и ана
лизируя результат, можно показать, как менялась и продолжает меняться техно
логия межсоединений, скорость ее изменения и направленность этих изменений.
Рис. 2.3. Пример одной и той же платы ЦПУ компьютера при использовании ею
альтернативных компонентов, сборки и технологий PWB: а – размер и вне
шний вид каждого поколения; б – изменение суммарной плотности платы
при переходе от традиционной технологии к HDL; в – HDL
а) Первый RISP процессор
(1986 г.) (8″×16″ 14 слойная
плата с монтажом через
сквозные отверстия)
б) Тот же RISP процессор в технологии
МСМ L (1991 г.) (4″×4″ 10 слойная плата
с поверхностным монтажом)
в) Тот же RISP процессор в технологии
HDI (1995 г.) (2″×2″ 2+2+2 HDI схема
c межслойными микропереходами)
2.3. Иерархия межсоединений 31
Пример такой диаграммы показан на рис. 2.3. Он демонстрирует, каким образом
технология создания компонентов, технология сборки и технология PWB приве
ли к эволюции одного и того же компьютерного ЦПУ: от 14 слойной платы с мон
тажом в отверстие платы с площадью поверхности 128 дм2 в 1986 г. (рис. 2.3a) до
10 слойной платы с поверхностным монтажом с площадью поверхности 16 дм2
в 1991 г. (рис. 2.3б) и далее к плате с высокой плотностью межсоединений с пос
ледующими встроенными межслойными микропереходами, заглубленными и
глухими переходными отверстиями и с площадью поверхности в 4 дм2 в 1995 г.
(рис. 2.3в).
2.2.4. Зона передовых технологий
Второй ценной особенностью диаграммы на рис. 2.2 является зона, идентифици
руемая как область передовых технологий. Это то место, где расчеты и данные
указывают на необходимость иметь межсоединения конструкции высокой плот
ности. Именно поэтому в этом месте находится барьер или стена межсоединений
высокой плотности: с одной стороны от этой стены наиболее целесообразно ис
пользовать традиционные технологии PWB; с другой – становится экономически
выгодно использовать технологии HDI. Дальше за этой точкой технология HDI
становится необходимой.
2.3. Иерархия межсоединений
Чтобы иметь возможность правильно оценивать, в каких случаях PWB подходят
для использования в электронных системах, полезно дать краткое описание иерар
хии корпусной сборки электронных систем. Некоторое время тому назад Инсти
тут межсоединений и корпусного монтажа электронных схем (IPC) предложил
восемь категорий систем элементов в порядке возрастания размера и сложности,
которыми мы здесь воспользуемся для того, чтобы проиллюстрировать типичные
корпусные электронные конструкции. Ниже приведено их описание.
Категория A состоит из полностью обработанных активных и пассивных уст
ройств. Открытые или бескорпусные интегральные схемы и дискретные емкости,
сопротивления или схемы с их использованием являются типичными примерами
этой категории.
Категория B включает в себя все корпусные устройства (активные и пассивные)
в пластмассовых корпусах, такие как DIP, TSOP, QFPs и BGA, а также те из них, что
используют керамические корпуса, такие как PGA, включая разъемы, гнезда и пе
реключатели. Все они готовы к подключению в межсоединяемую структуру.
Категория C представлена подложками, которые объединяют бескорпусные
или открытые интегральные схемы (т.e. компоненты категории A) в разъемные
корпуса. Сюда включены все типы многокристальных модулей (MCM), бескор
пусные чипы на плате (COB) и все гибридные микросборки.
Категория D охватывает все типы подложек, которые используются для межсо
единений и составления микросборок уже помещенных в корпус компонентов, т.e.
элементов категорий B и C. Эта категория включает в себя все типы жестких PWB,
гибких, гибко жестких плат, а также плат с дискретными межсоединениями.
32 Глава 2. Монтаж электронных схем в корпусе и межсоединения
высокой плотности
Категория E охватывает соединительные платы, выполненные с помощью
печатного монтажа и методов дискретного монтажа или с помощью гибких пе
чатных плат, которые соединяют между собой различные PWB, но не компонен
ты предшествующих групп.
Категория F охватывает все огражденные изнутри соединения. В эту катего
рию включены жгуты проводов, шины заземления и шины распределения элект
ропитания, коаксиально волноводные тракты и коаксиальные или волноводно
оптические проводки.
Категория G включает в себя установки для сборки аппаратных средств, блоки
для печатных плат, механические конструкции и компоненты терморегулирования.
Категория F охватывает интегрированные системы в целом со всеми секция
ми, полками, боксами и оболочками, а также все вспомогательные и дополни
тельные подсистемы.
Как можно видеть из приведенного списка, PWB находятся посредине этой
иерархии и являются наиболее важными и повсюду используемыми элементами
корпусирования электронных схем.
Категории корпусных электрических схем F, G и H используются главным об
разом в крупных многопользовательских компьютерах, суперкомпьютерах, ком
мутационных станциях и некоторых военных системах. Поскольку существует
явная тенденция использования миниатюрных и портативных электронных из
делий для проектирования большинства электронных схем в корпусах, то комп
ромиссы делаются между разумным использованием и выбором среди элементов
первых пяти категорий. Эти вопросы обсуждаются в данной главе.
2.4. Факторы, влияющие на выбор межсоединений
Выбор подходов в корпусной сборке электронных схем из различных вышеупо
мянутых элементов диктуется не только функцией системы, но также типами
выбранных компонентов и рабочими параметрами системы, такими как тактовая
частота, потребляемая мощность, методы контроля тепла и среда, в которой бу
дет эксплуатироваться система. Этот выбор нуждается в учете этих основных ог
раничений, которые необходимо учитывать для правильного проектирования
корпусной сборки электронной системы.
2.4.1. Рабочая скорость
Частота, на которой будет работать электронная система, является очень важным
техническим фактором в проектировании межсоединений. Многие цифровые
системы работают близко к 100 MГц и уже достигают превышения этого уровня.
Увеличивающаяся частота системы предъявляет повышенные требования к изоб
ретательности инженеров, занимающихся корпусной электроникой, а также к
свойствам материалов, используемых для подложек PWB.
Скорость распространения сигнала обратно пропорциональна квадратному
корню из диэлектрической постоянной материала подложки, что требует от про
ектировщиков знания диэлектрических свойств материалов подложки, которые
2.4. Факторы, влияющие на выбор межсоединений 33
они собираются использовать. Распространение сигнала на подложке между кри
сталлами, так называемое время полета, прямо пропорционально длине провод
ников и должно быть небольшим, чтобы обеспечить оптимальные электрические
характеристики системы, работающей на высоких частотах.
Для систем, работающих на частотах свыше 25 MГц, межсоединения должны
иметь такие характеристики линии передачи, которые бы минимизировали поте
ри и искажение сигнала. Правильное проектирование таких линий передачи тре
бует тщательных расчетов проводника и зазоров между диэлектриками и их точ
ное изготовление, гарантирующее ожидаемую точность рабочих характеристик.
Для печатных плат существуют два основных типа линии передачи:
1) полосковая линия передачи;
2) микрополосковая линия передачи (подробная информация приводится в
гл. 15).
2.4.2. Потребляемая мощность
По мере увеличения тактовой частоты кристаллов и числа логических схем на один
кристалл наблюдается соответствующее увеличение потребляемой мощности. Неко
торые кристаллы требуют для своей работы до 30 Вт. При этом требуется все больше и
больше клемм для подачи электропитания и для вмещения обратного потока на зем
ляном слое. Около 20–30% клемм кристалла используются для подачи электропита
ния и заземления. С появлением необходимости электрической изоляции сигналов,
функционирующих в высокочастотных системах, эта доля может достичь 50%.
Инженеры разработчики должны обеспечить адекватное распределение сло
ев электропитания и земляных слоев внутри многослойной платы (MLB) для обес
печения эффективного, низкоомного протекания токов, что может быть важно в
платах, соединяющих между собой высокочастотные кристаллы, потребляющие
десятки ватт и работающие при 5 В, 3,3 В или более низких напряжениях. Пра
вильное распределение заземлений и электропитания в таких системах очень важ
но для уменьшения di/dt коммутационных помех, возникающих в высокочастот
ных системах, а также для уменьшения нежелательного скопления тепла. В неко
торых случаях требуются конструкции раздельных токопроводящих шин, чтобы
удовлетворить столь высоким потребностям в мощности.
2.4.3. Отвод тепла
Вся энергия, которая была доставлена для питания интегральных схем (IC), дол
жна быть эффективно удалена из системы для ее правильного функционирова
ния и обеспечения продолжительного срока службы. Отвод тепла из системы яв
ляется одной из наиболее сложных задач корпусной электроники. В больших си
стемах крупные конструкции теплоотвода, обслуживающие отдельные интеграль
ные схемы, сами требуют воздушного охлаждения, а некоторые компьютерные
компании создали гигантские суперконструкции для охлаждения своих компью
терных модулей жидкостью. Некоторые разработчики компьютеров используют
охлаждение погружением в жидкость. По прежнему охлаждение, необходимое для
крупных систем, обременяет возможности существующих методов охлаждения.
34 Глава 2. Монтаж электронных схем в корпусе и межсоединения
высокой плотности
Такое положение дел не столь критично в случае небольшого, настольного
или портативного электронного оборудования, но по прежнему ставит инжене
ров корпусной электроники перед необходимостью совершенствовать горячие
точки и обеспечивать приемлемую продолжительность срока службы. Поскольку
печатные платы известны как плохие проводники тепла, разработчики должны
тщательно оценивать метод отвода тепла через плату, используя для этого такие
технологии, как отвод тепла сквозь плату, встроенные металлические отрезки про
волоки и теплопроводные слои.
2.4.4. Помехи электроники
По мере увеличения рабочей частоты электронного оборудования многие интег
ральные схемы, модули или сборки могут действовать как генераторы радиочас
тотных (RF) сигналов. Такие электромагнитные помехи (EMI) могут ставить под
угрозу работу соседней электроники или даже других элементов этого же обору
дования, вызывая появление неисправностей, сбоев и ошибок, и поэтому они
должны быть предотвращены. Существует определенный стандарт EMI, опреде
ляющий допустимые уровни подобного излучения, и эти уровни очень низкие.
Инженеры, занимающиеся корпусированием, а особенно разработчики пе
чатных плат, должны быть знакомы с методами уменьшения или устранения из
лучения этих электромагнитных помех, чтобы гарантировать, что их оборудова
ние не превысит допустимые пределы, установленные для этих помех.
2.4.5. Условия эксплуатации системы
Выбор определенного способа корпусирования электронного изделия, помимо
прочего, диктуется его конечным использованием и сегментом рынка, для которо
го эта продукция была разработана. Разработчик корпусной электроники должен
понимать основную движущую силу использования этой продукции. Что это – сто
имость, рабочие характеристики или что то, находящееся посредине? Где ее бу
дут использовать – например, под капотом автомобиля, где условия окружающей
среды очень суровые, или в офисе, где условия эксплуатации весьма благоприят
ные? Институт по межсоединениям и корпусной сборке электронных схем уста
новил совокупности условий эксплуатации оборудования, классифицируемые по
степени суровости, которые перечислены в табл. 2.1.
2.4.5.1. Стоимость. Всеобщая дискретизация большинства функций элект
роники cвела в одно целое потребителя, компьютеры и технические средства свя
зи. Это развитие привело к повышенному спросу на электронику и необходимос
ти массового производства большинства продукции электроники. Таким обра
зом, стоимость продукции стала наиболее важным критерием при разработке
любых электронных систем. При соблюдении всех вышеупомянутых условий раз
работки и эксплуатации инженер разработчик должен рассматривать стоимость
как доминирующий критерий и анализировать все возможные замены в свете до
стижения наилучшего соотношения цены/эксплуатационных качеств для данной
продукции.
2.4. Факторы, влияющие на выбор межсоединений 35
Важность строгого анализа с целью выбора компромиссных решений при
разработке электронной продукции подчеркивается тем, что около 60% произ
водственной себестоимости определяются на первых стадиях процесса проек
тирования, когда было потрачено только 35% суммарных затрат, связанных с
разработкой.
Внимание к требованиям производства и монтажа и их возможностям (так
называемое проектирование c учетом возможностей производства и монтажа
[DFM/A]) при проектировании продукции может уменьшить затраты на монтаж
до 35%, а затраты на изготовление печатных плат – до 25%.
К элементам, которые должны учитываться для наиболее рентабельных раз
работок корпусирования электроники, относятся:
• оптимизация конструкции печатной платы и ее разводки с целью умень
шения стоимости ее производства;
• оптимизация конструкции печатной платы для уменьшения стоимости ее
монтажа;
• оптимизация конструкции печатной платы для уменьшения стоимости ее
испытания и затрат на ремонт.
Глава 2.1. & – дополнительно.
* ΔT представляет максимальную амплитуду колебаний температуры, но не учитывает
эффекты потери мощности; для потери мощности необходимо рассчитать ΔTе.
&140 2 40
36 Глава 2. Монтаж электронных схем в корпусе и межсоединения
высокой плотности
Следующие разделы содержат некоторые инструкции относительно подхода
к выполнению подобного рода оптимизации разработки печатной платы. В ос
новном стоимость электронных сборок напрямую связана с их сложностью, и су
ществует целый ряд мер исследований, относящихся к влияниям различных кон
структивных элементов печатных плат на их стоимость, для инструктирования
инженера разработчика в выборе наиболее рентабельного подхода.
2.5. Интегральные схемы и корпуса
Наиболее важными факторами, оказывающими влияние на разработку печатной
платы и ее компоновку, являются схемы выводов компонентов и их шаг, особенно в
интегральных схемах и их корпусах, поскольку они диктуют плотность межсоеди
нений на подложках. Поэтому этот элемент будет учитываться в первую очередь.
Под воздействием необходимости уменьшения стоимости и улучшения рабо
чих характеристик сложность интегральных схем постоянно увеличивается. Бла
годаря непреклонному прогрессу в технологии изготовления интегральных схем
плотность упаковки интегральных схем в эквивалентных логических элементах
на кристалле увеличивается примерно на 75% в год, приводя к росту клемм ввода/
вывода кристалла интегральной схемы на 40% в год, что ставит все возрастающие
требования к методам их корпусирования и межсоединений.
В результате физический размер электронного оборудования продолжает сжи
маться на 10–20% в год, тогда как площадь подложек уменьшается примерно на
7% в год. Это сопровождается непрерывным увеличением плотности проводки и
уменьшением ширины линий, что вызывает перенапряжение методов производ
ства печатных плат, уменьшает долю выхода годных изделий при обработке, а также
увеличивает стоимость плат.
2.5.1. Корпуса интегральных схем
С момента своего появления кристаллы интегральных схем помещались внутри
керамических или пластмассовых корпусов. Примерно до 1980 г. все корпуса ин
тегральных схем имели контактные выводы, которые впаивались в металлизиро
ванные сквозные отверстия (PTH) печатных плат. С тех пор все больше корпус
ных интегральных схем стали иметь собственные выводы, которые выполнены в
удобной для технологии поверхностного монтажа (SMT) форме, ставшей преоб
ладающим методом монтажа компонентов.
Произошло профилирование типов корпусов интегральных схем как для мон
тажа с использование сквозных отверстий, так и для поверхностного монтажа, ва
рьируя конфигурации выводов, их расположение и шаг. Кроме того, IFC SM 782 [3]
предоставляет хороший каталог доступных корпусов SMT и форматы контура пе
чатных плат, требуемых для их монтажа.
Основные методы расположения клемм для входа/выхода корпусов интеграль
ных схем включают в себя следующие:
• периферийный метод, в котором выводы располагаются вокруг края крис
талла или корпуса;
2.5. Интегральные схемы и корпуса 37
• матричный вывод, в котором выводы располагаются на нижней поверхности
кристалла или корпуса.
Большинство корпусов интегральных плат имеют на своих краях периферий
ные выводы. Практический предел шага периферийных выводов корпусов состав
ляет около 0,3 мм, что позволяет расположить самое большое 500 входов/выходов
на корпусе интегральной схемы, как это показано в табл. 2.2. Стало также очевид
но, что при выполнении обычных операций монтажа платы выход годной про
дукции упадет, как только шаг выводов станет ниже 0,5 мм.
Òàáëèöà 2.2. Ðàçëè÷íûå ðàçìåðû êîðïóñà ïðè ìàòðè÷íîì âûâîäå, êîíôèãóðàöèÿõ è øàãå âûâîäîâ
Различные компоненты для поверхностного монтажа появляются с большим
разнообразием размеров корпусов, числом вводов/выводов и шагов вводов/вы
водов. Эти компоненты называются корпусами размера, сопоставимого с крис
таллом (CSP), пластмассовыми корпусами с матрицами шариковых выводов
(PBGAs), керамическими корпусами с матрицами шариковых выводов (CBGA),
пластмассовыми корпусами с матрицами штырьковых выводов (PPGA), а также
керамическими корпусами с матрицами колонн выводов (CCGA).
Ðàçìåð êîðïóñà (ìì) ×èñëî ââîäîâ/âûâîäîâ Ìèíèìàëüíûé øàã (ìì)
8×8 24 0,5
9×9 68 0,5
10×10 144 0,5
13×13 154 0,65
23×23 168 1,27
23×23 208 1,27
23×23 217 1,27
23×23 240 1,27
23×23 249 1,27
27×27 225 1,27
27×27 256 1,27
27×27 272 1,27
27×27 292 1,27
27×27 300 1,27
27×27 316 1,27
31×31 304 1,50
31×31 329 1,27
31×31 360 1,27
31×31 385 1,27
35×35 313 1,27
35×35 352 1,27
35×35 388 1,27
35×35 420 1,27
35×35 456 1,27
37×37 676 0,8
42,5×52,5 1247 1,0
52,5×52,5 2577 1,0
38 Глава 2. Монтаж электронных схем в корпусе и межсоединения
высокой плотности
Ожидается, что для кристаллов с количеством выводов менее 150–200 про
должат использовать корпуса с периферийными выводами, если можно будет па
ять в пределах практически приемлемого выхода годной продукции. Но для кор
пусов интегральных схем с количеством вводов свыше 150–200 очень заманчиво
использовать матрицу выводов, поскольку в этом случае может быть использова
на полная площадь нижней поверхности для выводов, что делает возможным раз
месить большое число вводов внутри ограниченной области.
Это соображение способствовало развитию ряда методов осаждения припоя на
контактные выступы в области матрицы для интегральных схем и корпусов много
кристальных модулей (MCM), называемых по разному: корпус с матрицей кон
тактной площадки, корпус с матрицей LG или корпус с матрицей шариковых вы
водов (BGA) с установкой сетки выводов через 1 мм (0,040 in), 1,27 мм (0,050 дюй
ма) и 1,50 мм (0,060 дюйма), соответственно.
Использование матриц выводов предоставляет ряд преимуществ. Наиболее
важным из них является минимальная область контура на подложке межсоедине
ний, но, кроме того, матрица выводов предоставляет лучшие электрические ха
рактеристики благодаря низким паразитным компонентам при высокочастотном
режиме работы, упрощенную адаптацию компонентов в линии размещения SMT,
а также лучший выход годного монтажа, несмотря на невозможность прямой ви
зуальной проверки соединений.
Благодаря продолжающемуся уменьшению шага выводов на корпусах стано
вится важным, чтобы проектировщики печатных плат тщательно оценивали воз
можности производства и сборки подложек печатных плат, требующих выводы с
таким мелким шагом, чтобы гарантировать наибольший выход годных изделий и
самую низкую стоимость готовой продукции.
2.5.2. Прямое крепление кристалла
Влияние, оказываемое уменьшением размера, веса и объема электронной про
дукции, привело к росту интереса к методам прямого крепления кристалла (DCA),
когда незащищенный корпусом кристалл интегральной схемы непосредственно
монтируется на подложку. Эти методы широко используются при монтаже бес
корпусных интегральных схем на поверхности печатной платы (COB) и много
кристальных модулей (MCM), как это показано на рис. 2.4.
К методам крепления бескорпусного кристалла к подложке платы относятся
следующие.
1. Проволочный монтаж является старейшим, а также наиболее гибким и ши
роко используемым методом (более 96% всех кристаллов сегодня смонти
рованы проволочным методом).
2. Автоматизированное прикрепление кристаллов к выводам на ленточном носи
теле (TAB) используется при малом шаге вводов/выводов и дает возможность
предварительного испытания кристаллов перед выполнением монтажа.
3. Монтаж методом перевернутого кристалла используется благодаря его ком
пактности и улучшенной электропроводности, типичным представителем
которого является процесс C4 компании IBM.
2.5. Интегральные схемы и корпуса 39
Проблемы плохого сочетания коэффициентов теплового расширения (TCE)
между кремниевыми кристаллами, которые непосредственно монтируются в пе
ревернутом виде на многослойную подложку, были эффективно устранены с по
мощью герметизации неполной заливкой эпоксидной смолы между кристаллом
и подложкой (рис. 2.5).
Рис. 2.4. Сборки по методам COB и MCM
Герметизация
PWB
Наложение и размещение флюса
Пайка расплавлением полуды
Рис. 2.5. Неполная заливка между кристаллом и печатной платой при монтаже ме
тодом перевернутого кристалла
40 Глава 2. Монтаж электронных схем в корпусе и межсоединения
высокой плотности
По этому методу распределяется напряжение по всей площади кристалла и
таким образом существенно улучшается надежность выполнения монтажа.
Интегральные схемы с матричными выводами по всей площади основания
кристалла или с выводами для монтажа методом перевернутого кристалла, т.e.
имеющие большое число штырьков, являются наиболее быстро растущей катего
рией интегральных схем, однако они по прежнему представляют лишь незначи
тельную долю всех используемых интегральных схем. Именно поэтому разработ
чики должны выяснить, какой из методов DCA будет наиболее привлекательным
с точки зрения стоимости для конкретного применения.
2.5.3. Корпуса размером, сопоставимым с кристаллом (CSP)
При монтаже бескорпусных кристаллов на подложки межсоединений не всегда
можно установить, что были смонтированы только пригодные кристаллы. В на
стоящее время существует ряд методов, предложенных для решения проблемы
использования только пригодного кристалла (KGD).
В качестве одного из путей решения этой проблемы рядом производителей раз
работан комплект миниатюрных корпусов, которые только незначительно круп
нее, чем сам кристалл, и защищают его и перераспределяют выводы на матрицу
выводов. Эти миниатюрные корпуса позволяют испытать и отбраковать кристаллы
до их окончательного монтажа. Типичный пример таких корпусов масштаба крис
талла приведен на рис. 2.6. На рынке представлен целый ряд подобных корпусов.
Проектировщик, однако, должен анализировать шаг выводов этих новых CSP,
потому что некоторые из них используют очень маленький шаг, такой как 0,5 мм
(0,020 дюйма) или еще меньше, что требует применять специальные методы изго
товления печатных плат для перераспределения сигнала от этих корпусов к ос
тальным частям платы.
В общем случае современные технологии изготовления печатных плат соответ
ствуют требованиям по обеспечению прямого соединения кристалла, если прово
лочный монтаж или методика TAB используются для межсоединений открытого
кристалла и подложки. Это требует размещения подходящих контактных площадок,
отстоящих друг от друга на требуемый шаг в один или два ряда вокруг кристалла.
Рис. 2.6. CSP компании Tessera, Сан Хосе, Калифорния
Подложка
Кристалл
Эластомер
2.6. Оценки плотности 41
Хотя эта процедура отчасти уменьшает эффективность компоновки платы, она
все еще считается эффективным методом монтажа DCA.
При использовании матрицы выводов ситуация осложняется, потому что сиг
налы от внутренних рядов области матричных выводов должны проходить между
выводами, расположенными ближе к краю, что не позволяет проходить через них
более чем одному или самое большое двум проводникам. В большинстве случаев
эти сигналы от внутренних рядов опускаются вниз на внутренние слои много
слойных плат.
Традиционные конструкции печатных плат сегодня не в состоянии справляться
с любой матрицей выводов, имеющей шаг менее 0,020 дюйма, тогда как некото
рые технологии перевернутого кристалла с матрицей шариковых выводов дохо
дят до шага менее 0,010 дюйма. В тех случаях, когда шаг сетки области выводов
ниже 0,50 мм (0,040 дюйма), часто используются специальные слои перераспре
делений, которые распределяют сигналы на традиционно сделанные PTH во вспо
могательных многослойных платах.
Такие слои состоят из неармированных диэлектрических слоев, в которых с
помощью лазера, плазмы или фотоспособом сформированы небольшие сквозные
или глухие отверстия с их последующей металлизацией, используя для этого ад
дитивный или полуаддитивный процесс металлизации. Хотя этот подход требует
некоторую дополнительную площадь, выходящую за периметр кристалла для вы
полнения передачи сигнала, и увеличивает стоимость подложки, он позволяет
выполнить на печатной плате монтаж методом перевернутых кристаллов и мон
таж CSP. Типичный метод формирования таких слоев перераспределения, полу
чивший название поверхностной ламинарной схемы (SLC) [4], был разработан
на заводе Yasu компании IBM.
2.6. Оценки плотности
2.6.1. Анализ плотности компонент
Из за того, что компоненты и их контактные выводы оказывают основное вли
яние на усилия разработчиков печатных плат, был разработан ряд показателей,
устанавливающих связь между плотностью компонентов и плотностью печат
ной платы. Основной анализ этих связей был проведен H. Holden [5], и неко
торые из его диаграмм и выводов представлены здесь для инструктирования
инженеров разработчиков при разработке рационального проекта печатной
платы.
Эта информация очень полезна при определении того, в каком месте спектра
плотности компонентов поместится разработанная продукция и что в результате
ожидать в отношении плотности печатной платы.
На рис. 2.7 показан обобщенный вид связей между плотностью компонентов,
плотностью их контактных выводов и требуемой плотностью проводки, необхо
димой для вмещения выбранной степени сложности компонентов. Приводится
определение соединяемости проводки Wf.
42 Глава 2. Монтаж электронных схем в корпусе и межсоединения
высокой плотности
2.6.2. Показатели плотности печатных плат
Для правильного проектирования печатных плат важно определить требования к
плотности и затем проанализировать возможность использования альтернатив
ных методов создания плат для наиболее рентабельного проекта. Существует ряд
основных понятий и уравнений, используемых для расчета и анализа плотности
проводки печатной платы:
,
G
Т L
Wc
= ⋅ дюйм/дюйм2, (2.1)
где Wc – емкость монтажа;
T – дорожки на канал;
L – число слоев сигнальной разводки;
G – ширина канала.
Но важнее определить требуемую плотность проводки, которая будет доста
точной для соединения всех компонентов на плате нужного размера. Существует
ряд эмпирически полученных уравнений, которые позволяют выполнить расчет
требуемой плотности проводки. Самое простое уравнение было получено докто
ром Д. Серафимом6:
Wd = 2,25Nt⋅P, (2.2)
где Wd – требуемая плотность проводки; Nt – число вводов/выводов; P – шаг меж
ду корпусами электронных компонентов.
2.6.3. Специальные показатели для прямого крепления кристалла
Монтаж бескорпусного или открытого кристалла на подложке стал популярен
главным образом благодаря возможности с помощью такого монтажа уменьшить
площадку для межсоединений. Теоретическим пределом такого монтажа являет
Рис. 2.7. График общих связей между плотностью компонентов и плотностью про
водки
Среднее число выводов в расчете на одну часть
Число частей на кв. дюйме
Фактическая плотность
электропроводки,
дюйм/дюйм2
PKG:
число выводов
на кв. дюйме
Дюймов
на кв. дюйм
Выводов
на кв. дюйм
2.6. Оценки плотности 43
ся плотное расположение всех кристаллов вместе без всякого зазора. Это приве
дет к 100% ной эффективности компоновки (показатель, который измеряет отно
шение площади кремния к площади подложки). Естественно, что такая 100% ная
эффективность не может быть достигнута, но этот показатель по прежнему счи
тается полезным при классификации различных конструкций подложки или ме
тодов крепления бескорпусного кристалла, как показано на рис. 2.8.
Рис. 2.8. Эффективность компоновки (любезно предоставлено BPA, используется
с разрешения)
Тонкопленочные модули
DIP
SMT
Ширина дорожки, мкм
Эффективность использования площади подложки, %
Монтаж бескорпусного кристалла
на подложку печатной платы
Модули, полученные
спеканием отдельных слоев
Гибриды
с традиционными
технологиями
100% ная эффективность компоновки не может быть достигнута, поскольку
все методы монтажа кристаллов требуют некоторого пространства вокруг крис
таллов. Даже при монтаже методом перевернутого кристалла между кристаллами
должен оставаться зазор, чтобы было место для использования монтажного инст
румента.
Д р Х. Чарльз [7] из университета Джона Хопкинса перечислил размеры, по
мещенные в табл. 2.3, которые необходимы для зазора между кристаллами (или
суммарную ширину рамки вокруг кристаллов) при использовании различных ме
тодов крепления кристалла. На эти или очень близкие к ним расстояния также
ссылается ряд авторов, приводя при этом другие источники.
Даже при монтаже методом перевернутого кристалла эффективность компонов
ки должна быть снижена примерно до 90%, а в случае проволочного монтажа – до
70%, для TAB же – до 50%, а в некоторых случаях значительно больше. Очень похо
жая ситуация представлена в графическом виде на рис. 2.9. Снижение эффективнос
ти компоновки, показанное на рис. 2.9, требуется только для размещения на подлож
ке монтажных площадок для проволочного соединения. Но монтаж бескорпусных
кристаллов на печатной плате требует дополнительной площади для распределе
ния сигнальной проводки, чтобы дать возможность поместить там сквозные метал
лизированные отверстия подальше для обеспечения связи с внутренними слоями.
44 Глава 2. Монтаж электронных схем в корпусе и межсоединения
высокой плотности
Очевидно, что эффективность компоновки на печатной плате может быть сни
жена до диапазона в 20–30%, если только не используются специальные поверх
ностные слои для распределения сигнальной разводки (как упоминалось ранее),
которые изготавливаются из неармированного диэлектрика. В этих случаях эф
фективность компоновки и зазор между кристаллами снова станут близкими к
величинам, на которые дана ссылка в табл. 2.3.
Рис. 2.9. Площадь под кристалл, требуемая для использования различных методов
соединения
Штраф за корпус: превышение площади межсоединений
Плоская упаковка 196 QUARD (1,880%)
Традиционное крепление
на ленточном носителе (89–164%)
Крепление на леточном носителе
в перевернутом виде (69%)
Крепление
проволокой (39%)
Перевернутым
кристаллом (8%)
Кристалл
400⋅10–3
дюйма
415⋅10–3
дюйма
520⋅10–3 дюйма
1,475⋅10–3 дюйма
472⋅10–3 дюйма
550–650⋅10–3 дюйма
Глава 2.3. Очевидно, что непосредственное крепление кристалла на печатной плате при
ведет к существенному уменьшению эффективности компоновки таких сборок,
за исключением того факта, что компоненты могут монтироваться на обеих сто
ронах подложки печатной платы. Было показано, что проволочный монтаж мож
но выполнять на обеих сторонах печатной платы с помощью специальной кре
пежной оснастки; кроме того, соединение выходных контактов (OLB) по методу
TAB может быть сделано на обеих сторонах подложки печатной платы. Таким об
разом, в то время как односторонний монтаж бескорпусных кристаллов на печат
ной плате уменьшает эффективность ее компоновки примерно наполовину по
сравнению с другими типами конструкций подложки, возможность помещать
2.7. Методы увеличения плотности печатных плат 45
компоненты на обе стороны печатных плат возвращает эффективность компо
новки на тот же уровень, что и у других вариантов подложки.
2.7. Методы увеличения плотности печатных плат
Существует три основных пути увеличения соединяемости или доступной емкос
ти соединений печатных плат [8]:
• уменьшить диаметр отверстий и контактной площадки;
• увеличить число проводящих каналов между контактными площадками
путем уменьшения ширины проводников;
• увеличить число слоев для сигнальной разводки.
Влияние каждого подхода на выход годной продукции при производстве и,
таким образом, на стоимость платы будет описано последовательно. Следует от
метить, что последний вариант представляет самое простое, но и наиболее доро
гостоящее решение, а поэтому должен использоваться только после того, как ме
тоды, приемлемые для выполнения первых двух условий, подтвердят свою спо
собность достичь нужную плотность платы.
2.7.1. Влияние контактных площадок на плотность проводки
Основным препятствием на пути увеличения пропускной способности проводя
щего канала являются контактные площадки большого диаметра вокруг металли
зированных сквозных отверстий (PTH), поскольку на предшествующей стадии раз
вития технологии изготовления печатных плат все еще требовались площадки бо
лее широкие, чем проводники на своих местах. Эти площадки уменьшают возмож
ность соединений печатных плат и должны учитываться при правильном анализе
плотности межсоединений. Например, уменьшение диаметра площадок при проек
тировании от 55 до 25 милов (на 55%) удваивает плотность межсоединений, тогда как
уменьшение шага размещения проводников Cp с 1,8⋅10–2 до 7⋅10–3 дюйма (на 61%)
приведет к увеличению только на 50%. Очевидно, что уменьшение диаметра пло
щадок или их полное устранение может стать более эффективным путем увеличе
ния пропускной способности проводки в случае сложных печатных плат.
Предназначение медных площадок вокруг просверленных отверстий в печат
ных платах состояло в том, чтобы вместить в себя любые возможные несовпадения
слоя со слоем или рисунка с отверстием и таким образом препятствовать любому
разрыву отверстия за пределами медной части площадок. Такое несовпадение в ос
новном вызывается нестабильностью и смещением слоистого пластика при его об
работке на этапах производства печатной или многослойной платы (MLB).
Стандарты базовых материалов определяют, что подобное смещение должно быть
ограничено максимальной величиной в 300 ppm, но фактически сдвиги для базового
материала близки к 500 ppm, что дает сдвиг слоя в 10–2 дюйма в пределах 20 дюймо
вого расстояния. Для многих применений этот допуск слишком широкий, поскольку
он требует, по крайней мере, контактный ободок шириной в 10–2 дюйма вокруг про
сверленных отверстий, приводя при этом к существенной блокировке проводяще
го канала.
46 Глава 2. Монтаж электронных схем в корпусе и межсоединения
высокой плотности
Другой причиной нестабильности материала в MLB платах является чрезмер
ное смещение материала, которое происходит, если температура изготовления
многослойного материала превышает температуру стеклования Tg смолы (связу
ющего). С другой стороны, если температура изготовления многослойного мате
риала остается ниже Tg связующего, то могут происходить только минимальные
изменения в размере материала для основы, поскольку смола при этом находится
в фазе линейного расширения. Это обстоятельство объясняет, почему при изго
товлении печатных плат необходимо использовать смолу с высокой Тg.
Данные, полученные из технических характеристик новых, более стабильных
однонаправленных слоистых материалов, указывают, что смещения базового ма
териала уменьшены с 500 до 200 ppm и что требуемая ширина контактного кольца
будет уменьшена с 10–2 до 4⋅10–3 дюйма.
Табл. 2.4 иллюстрирует возможность повышения числа соединений, которое
становится возможным при использовании более стабильных слоистых материа
лов, позволяя уменьшить начальные диаметры площадок (в первом столбце), от
стоящих друг от друга на 2,5 мм (0,100 дюйма) при сохранении постоянным шага
проводников. Наиболее эффективное использование плоскости слоя сигнальной
разводки достигается в случае, когда площадки устраняются, а межсоединения
по оси z ограничиваются в пределах ширины проводников, формируя невидимые
сквозные соединения.
Этот вывод основывается на фактических данных, полученных из техничес
ких характеристик новых, более стабильных, однонаправленных многослойных
материалов. В то время как платы MLB, используя эти новые, более стабильные в
размерах, однонаправленные слоистые материалы с уменьшенными диаметрами
контактных площадок, могут изготавливаться традиционными методами, то из
готовление плат MLB с невидимыми сквозными соединениями требует исполь
зования последовательного процесса производства, аналогичного процессу про
изводства SLC, описанному ранее.
Производители печатных плат чувствуют себя уверенно, производя платы с
проводниками шириной в (4–5)⋅10–3 дюйма, но им все же требуются крупные пло
щадки вокруг металлизированных отверстий для того, чтобы застраховать себя от
разрыва в отверстии. Это ограничивает достигаемую в настоящее время плотность
соединений примерно 40–60 дюйма/дюйм2 из расчета на слой, как это видно из
табл. 2.4. Технология, которая позволит производителям печатных плат изготавли
вать невидимые сквозные соединения, сможет увеличить соединения в расчете на
слой сигнальной разводки печатной платы от его текущего диапазона до уровня в
100–140 дюймов/дюйм2. Ширина проводника в 0,002 дюйма предоставит для пе
чатной платы 200–250 дюймов/дюйм2 на один слой сигнальной разводки.
Табл. 2.5 иллюстрирует наиболее важные результаты увеличения соединений в
расчете на слой: уменьшение числа слоев сигнальной разводки, требуемых для обес
печения такой же плотности проводки Wd. Табл. 2.5 была составлена с применени
ем данных по соединениям из табл. 2.4 для многослойной платы площадью 50 дюй
мов2 с суммарной длиной проводки в 10 000 дюймов. Также обратите внимание, что
число слоев в табл. 2.4 было поднято до следующей более высокой величины пол
ного числа слоев, т. e. рассчитанные 1,4 слоя были записаны как 2 слоя.
2.7. Методы увеличения плотности печатных плат 47
0,055 0,010 20 37 55
0,036 0,018 30 48 55
0,025 0,009 40 96 100
0,025 0,007 60 130 143
Основное преимущество такого сокращения числа слоев состоит в том, что
оно может привести к существенному уменьшению стоимости производства при
одновременном сохранении общей длины межсоединений.
2.7.2. Уменьшение длины проводников
Очевидным методом увеличения числа соединений печатных плат является умень
шение ширины проводников и промежутков между ними, чтобы таким образом
увеличить число доступных каналов проводки в каждом слое сигнальной развод
ки, как это было описано ранее. Это направление используется в промышленном
производстве интегральных схем и печатных плат уже многие годы. Однако не
возможно бесконечно уменьшать ширину проводников или свободное простран
ство между ними. Уменьшение ширины проводника ограничено пропускной
способностью тока тонких, маленьких проводников, особенно когда эти провод
ники длинные, как это часто бывает в случае печатных плат. Существуют техноло
гические ограничения такого уменьшения параметров проводника, поскольку вы
ход годной продукции при производстве может резко упасть, если это уменьшение
приведет к напряжению возможностей процесса изготовления за границы нормы.
Кроме того, существует предел уменьшения свободного промежутка между
проводниками, обусловленный главным образом соображениями электрических
свойств, т. e. необходимостью предотвращения чрезмерных перекрестных помех,
минимизации шумов, а также обеспечения необходимых условий распростране
ния сигнала и для характеристического импеданса.
И все же такое уменьшение параметров проводников, если бы оно было дости
жимо в пределах описанных ограничений, могло бы быть эффективным способом
увеличения плотности печатной платы и уменьшения стоимости ее производства.
Как видно из табл. 2.6, составленной по данным стоимости, полученным из про
Ò0,055 0,010 10 6 4
0,036 0,018 7 4 4
0,025 0,009 5 2 2
0,025 0,007 4 2 2
48 Глава 2. Монтаж электронных схем в корпусе и межсоединения
высокой плотности
граммы Columbus BPA, уменьшение ширины проводников с 6⋅10–3 до 3⋅10–3 дюйма
уменьшает в два раза число слоев для сигнальной разводки, необходимых для обес
печения того же самого количества соединений (при том, что выход годной про
дукции, плотность межсоединений и площадь платы остаются постоянными). Это
уменьшение числа слоев может существенно снизить затраты на производство
печатных плат.
Рис. 2.10. Выход годных плат в зависимости от ширины проводника
100
Выход годной продукции, %
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
1 10 100 1000
Концентрация дефектов для внутренних слоев
Ширина тоководной линии, дюймы
10000 100000
Линия
токовода
шириной
3⋅10–3 дюйма
Линия
токовода
шириной
4⋅10–3
дюйма
Линия
токовода
шириной
5⋅10–3
дюйма
Глава 2.6. 2.7.3. Влияние ширины проводника на выход годных плат
Очевидно, что любое успешное увеличение плотности проводников Id в печатных
платах будет эффективным только при наличии процесса, позволяющего полу
чать разумный выход годной продукции. К сожалению, выход проводников в пе
чатных платах быстро падает, как только их ширина становится ниже 5⋅10–3 дюй
мов, как показано на рис. 2.10. Понятие выхода годной продукции в производ
стве очень важно для анализа процесса наиболее рентабельного производства,
потому что выход годной продукции при этом процессе оказывает большое влия
ние на стоимость подложек межсоединений.
Полезное эмпирическое уравнение для расчета затрат на производство:
.
выход
(материалы стоимость процесса) (стоимость)
Y
С = + (2.3)
3-3 8 4 55
4-4 10 6 64
5-6 12 7 77
5-7 14 8 87
6-6 16 8 90
7-8 20 10 100
2.7. Методы увеличения плотности печатных плат 49
Для установления влияния плотности межсоединений Id на конечный выход
подложек общий выход при обработке может быть разделен на две составляю
щие: одна из них зависит от плотности проводников, т.e. Yld, а другая является
функцией объединенных выходов оставшихся процессов производства:
Yсумм. = Yld⋅Yпроизв. (2.4)
При хорошо контролируемой технологической операции технологически за
висимый выход (как в случае металлизации) остается в точности постоянным для
данной технологии, позволяя выходу целиком зависеть от изменения ширины
проводников.
Как видно из рис. 2.11, к дефектам, влияющим на зависящую от плотности
функцию выхода Yld, относятся обрывы проводников и короткие замыкания меж
ду ними. Можно предположить, что подобные дефекты имеют функцию распре
деления Пуассона вдоль всей длины (TL) проводников подложки со средней час
тотой появления дефектов ν. Выход является вероятностью появления числа де
фектов, равного нулю (n = 0) во всей длине проводника TL. Таким образом,
Y (при n = 0) = e(–ν⋅TL) (распределение Пуассона). (2.5)
Как видно из рис. 2.10 и 2.11, частота появления дефектов n также зависит от
ширины линий проводки и расстояний между ними, т.e. от шага прокладки про
водников Cp. С уменьшением Cp будет увеличиваться ν, но при очень больших Cp
ν должно равняться 0, поскольку Yld будет равно 100%.
Например, в случае разработки, использующей невидимые площадки, при
использовании которых Cp = 2w, плотность межсоединений Id может быть выра
жена как Id = TL/A, а Id при этом пропорциональна Cp, т. e. Id ⋅ Cp = l, а TL = A/Cp.
Поэтому n в этом уравнении может быть эмпирически выражено как:
ln , 0
0
0
b
p
p
C
C
TL
Y
ν = − ⋅ (2.6)
где b является показателем, зависящим от технологии или процесса, используемо
го для формирования проводников. Этот показатель b существенно меняется от
Рис. 2.11. Потеря выхода от коротких замыканий
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0 200 400 600
6⋅10–3 дюйма
4⋅10–3 дюйма
2⋅10–3 дюйма
Минимальная ширина промежутка, дюймы
800 1000
Удельные потери
выхода годной продукции, %
50 Глава 2. Монтаж электронных схем в корпусе и межсоединения
высокой плотности
оборудования к оборудованию и для различных методов формирования рисунка меж
соединений и в каждом конкретном случае должен определяться эмпирически.
2.7.4. Увеличение числа проводящих слоев
Это самое простое и наиболее прямолинейное решение: когда не хватает места на
уже существующих слоях для размещения всех необходимых межсоединений, до
бавляют еще один слой. Этот подход широко применялся в прошлом, но когда
эффективность затрат на изготовление подложек стала иметь огромное значение,
необходимым стал тщательный анализ проекта для минимизации числа слоев в
MLB, потому что с каждым дополнительным слоем существенно растут затраты
на изготовление платы. Как видно из табл. 2.6, рассчитанной для плат MLB раз
мером 6×8 дюймов, производимых в большом количестве с постоянным выходом
и плотностью проводников, существует почти линейная связь между затратами
на изготовление платы и количеством слоев.
Рис. 2.12. Зависимость стоимости от числа слоев и ширины проводников
Слой 2
Стоимость
Ширина токовода
Слой 4
Слой 6
Слой 8
Слой 10
Слой 14
Слой 18
Слой 22
Литература 51
Табл. 2.6 демонстрирует также, что любое увеличение числа слоев сигнальной
разводки в платах, работающих на частотах, требующих линию передачи, удвоит
общее число слоев благодаря необходимости прокладки слоев заземления или
слоев питания постоянного тока между слоями сигнальной разводки.
Типичный пример влияния числа слоев на конечный выход MLB можно ви
деть на рис. 2.12, подготовленном несколько лет назад BPA. Здесь показано опре
деленное уменьшение выхода при производстве с увеличением числа слоев в лю
бой категории ширины линии проводника. Это достаточно типичная ситуация в
производстве плат, потому что увеличение сложности и толщины платы MLB с
большим числом слоев обычно приводит к большему числу проблем на произ
водственном уровне.
Литература
1. Toshiba, «New Polymeric Multilayer and Packaging,» Proceedings of the Printed Circuit
World Conference V, Glasgow, Scotland, January 1991.
2. The Institute for Interconnecting and Packaging Electronic Circuits, 7380 N. Lincoln
Ave, Lincoln wood, IL60646.
3. IPC SM 782, «Surface Mount Design and Land Pattern Standard,» The Institute for
Interconnecting and Packaging Electronic Circuits.
4. Y. Tsukada et al., «A Novel Solution for MCM L Utilizing Surface Laminar Circuit and
Flip Chip Attach Technology,» Proceedings of the 2d International Conference on Multichip
Modules, Denver, CO, April 1993, pp. 252–259.
5. H. Holden, «Metrics for MCM L Design,» Proceedings of the IPC National Conference on
MCM L, Minneapolis, MN, May 1994.
6. D. Seraphim, «Chip Module Package Interface.» Proceedings of Insulation Conference,
Chicago. IL, 7. September 1977, pp. 90–93.
7. H. Charles. «Design Rules for Advanced Packaging,» Proceedings of ISHM 1993, pp. 301–307.
8. G. Messner, «Analysis of the Density and Yield Relationships Leading Toward the Optimal
Interconnection Methods.» Proceedings of Printed Circuits World Conference VI, San
Francisco. CA, May 1993, pp. M 191–20.
Глава 3
John W. Stafford
JWS Consulting PLC, Phoenix, Arizona
3.1. Введение
Революция, происшедшая в электронной промышленности, была обусловлена
достижениями в разработках и производстве полупроводников, корпусировании
полупроводниковых кристаллов и электронных систем, а также в технологичес
ком проектировании.
Ее движущей силой стали достижения технологии интегральных схем (ИC) и до
стигнутые уровни интеграции. Начальным толчком стало использование литогра
фии микрометрического уровня [1]. Эволюция корпусирования полупроводников и
плат с печатным монтажом (PCB) сопутствовала достижениям технологии изготов
ления интегральных схем. На рис. 3.1 и 3.2 показана тенденция роста плотности
транзисторов на кристалле и рост рабочей частоты кристалла в зависимости от вре
мени. Существует опасение, что текущие достижения полупроводниковой техноло
гии примерно к 2010 г. столкнутся с препятствиями на пути дальнейшего развития.
Рис. 3.1. Тенденция плотности монтажа кристаллов для логических компонентов и
компонентов логической оперативной памяти (DRAM)
106 транзисторов, бит/см2
3.1. Введение 53
Следствием возможности помещать больше компонентов на кремниевой интег
ральной схеме стало увеличение размера ее корпуса и числа корпусных штырько
вых выводов, а также плотность проводки для соединения между собой корпус
ных интегральных схем.
Продолжающееся наступление в борьбе за все более высокие степени интег
рации стимулировало предпринимаемые в настоящее время усилия по обеспече
нию меньших по размеру и более дешевых средств корпусирования этих интег
ральных схем, чтобы они могли соединяться между собой более рентабельным
способом, который при этом не ухудшал бы электрических характеристик собран
ной схемы. Поэтому разработка высокоэффективных систем требует учета одно
временно и способа проектирования интегральной схемы, и формата ее корпуса,
а также согласования с межсоединениями.
В табл. 3.1 сравниваются возможности компьютеров, которые появлялись с го
дами на протяжении определенного периода. Наблюдался постоянный рост функ
циональности (т.e. числа выполняемых команд в секунду) наряду с непрерывным
уменьшением затрат на команду. Результатом является возрастающая функциональ
ность портативных радиоустройств связи, таких как пейджеры и сотовые телефо
ны, а также их уменьшение в размерах до минимальных эргономичных стандартов.
Рис. 3.2. Тенденция требуемой частоты кристалла
МГц
Глава 3.1.1975, IBM ainframe 10 000 000 10 000 000 100
1976, Cray I 160 000 000 20 000 000 12,5
1979, Digital VAX 1 000 000 200 000 20,0
1981, ÏÊ IBM 250 000 3 000 1,2
1984, Sun Microsystems 2 1 000 000 10 000 1,0
1994, ÏÊ Pentium 66 000 000 3 000 0,0045
54 Глава 3. Технология корпусирования полупроводников
В 1998 г. во всем мире насчитывалось 308 млн пользователей сотовыми теле
фонами; в 1999 г. это число возросло до 475 млн. Оценивалось, что в 2001 г. будет
1000 млн (т.e. 1 млрд) пользователей сотовых телефонов. С 2000 по 2001 г. было
произведено полмиллиарда сотовых телефонов, так что в настоящее время они
считаются предметами широкого потребления. Та же самая технологическая тен
денция охватывает радиопродукцию для локальных сетей. Эти приложения по
зволят пользователям сотовых телефонов, персональных компьютеров и т.п. об
мениваться данными (включая видеоданные), используя подходящие радиочас
тотные (RF) протоколы (Bluetooth, работающий в частотном диапазоне 2,4 ГГц,
является одним из таких протоколов), если они находятся поблизости друг от друга.
Потребность Интернета в возрастающей функциональности и ширине поло
сы, а также меньшей стоимости нуждается в новых принципах технологического
проектирования электроники и внедрения оптических компонентов и межсое
динений. Эти тенденции будут продолжаться до бесконечности.
3.1.1. Связь технологий корпусирования и изготовления печатных плат
Линии тренда плотности компоновки (площадь корпуса/площадь кристалла) по
дытожены на рис. 3.3. Эффективность применения корпуса с матричным выво
дом очевидна и сохраняется уже в течение 20 лет.
Тогда очевидно, что тенденция для новых корпусных полупроводниковых кри
сталлов состоит в увеличении числа вводов корпуса. Корпуса с матричными вы
водами по всей площади основания корпуса для полупроводников с высокой плот
ностью выводов появились для минимизации размера корпуса и улучшения его
электрических характеристик (т.е. для уменьшения индуктивности выводов).
Рис. 3.3. Тренды корпусирования показывают область эффективности концепции
использования корпусов с матричным выводом уже в течение 20 лет
Плотность компоновки
(площадь корпуса/площадь кристалла)
Кристаллоноситель,
полученный
методом спекания
0,040 дюйма
Носитель площадки
матричной выводов,
полученный
методом спекания,
0,070 дюйма
Носитель площадки
матричной выводов,
полученный
методом спекания,
0,050 дюйма
Перевернутый кристалл
Носитель площадки
матричной выводов,
полученный
методом спекания,
0,050 дюйма
Корпус
с двухрядным
расположением
выводов,
0,100 дюйма
Матрица
штырьковых выводов,
0,100 дюйма Корпус
с 4 сторонним
расположением
выводов,
0,050 дюйма
Плоский
корпус,
0,040 дюйма
Корпус
с креплением
на ленточном
носителе,
0,020 дюйма
3.1. Введение 55
В результате перед производителями печатных плат была поставлена задача умень
шить ширину проводящих линий и зазоров между ними и отказаться от многовы
водных корпусов с матричными выводами по всему основанию корпуса или от
монтажа прямым креплением (DCA). Чтобы соответствовать требованиям к меж
соединениям для промышленной переносной электроники, номиналом для меж
соединений печатных плат были 6⋅10–3 дюйма для линий и расстояний между ними;
в 1992 г. – 8⋅10–3 дюйма; в 1995 г. – 6⋅10–3 дюйма, а в 2000 г. были уже 4⋅10–3 дюйма.
Для удовлетворения потребности изготовления плат с более мелким шагом,
монтажа схем для корпусов с матрицей шариковых выводов (BGA), корпусов со
поставимого с кристаллом размера (CSP) и монтажных плат с высокой плотнос
тью была разработана новая технология изготовления монтажной платы с высо
кой плотностью межсоединений, способная обеспечить ширину линии и проме
жутков между ними в 1,58⋅10–3 дюйма (40 мкм).
3.1.2. Вопросы и проблемы корпусирования электронных схем
Корпусирование электронных схем начинается после того, как заканчивается их
проектирование.
3.1.2.1. Технологический проект и вопросы корпусирования. К вопросам, кото
рые затрагивают технологическое проектирование и корпусирование, относятся:
• выбор подходящих электронных компонентов (полупроводниковых, диск
ретных и пассивных);
• механическая компоновка и сборка компонентов, разъемов и оболочек;
• техническая и технологическая подготовка производства;
• согласование электрических характеристик межсоединений (проектирова
ние с контролем импеданса, перекрестных наводок, расфазировки синхро
низирующих импульсов, задержки распространения сигнала, электромаг
нитных помех для радиочастотных схем и т.п.);
• расчет теплового режима (рассеяние тепла, охлаждение и т.п.).
3.1.2.2. Соображения при проектировании цифровых схем. Цифровые схемы дол
жны выполнять следующие задачи:
• полностью и в кратчайшее время передавать логический перепад;
• иметь такой характеристический импеданс межсоединения, который бы был
равен полному сопротивлению нагрузки;
• иметь чисто резистивный характеристический импеданс, чтобы свести к
минимуму отражения;
• компенсировать расфазировку синхронизирующих импульсов.
При соединении цифровых полупроводниковых устройств существенной про
блемой является расфазировка синхронизирующих импульсов, которая возника
ет при изменении длины каналов синхронизации и является одним из основных
факторов, которые необходимо учитывать при проектировании высокочастотной
продукции.
3.1.2.3. Соображения при проектировании аналоговых схем. Аналоговые схемы
должны выполнять следующие задачи:
• минимизировать энергию, переданную от входа к выходу;
56 Глава 3. Технология корпусирования полупроводников
• сделать импеданс задающей схемы комплексно сопряженным на линии
передачи.
3.1.2.4. Вопросы мощности для кремниевых полупроводников. Следующие пунк
ты перечисляют проблемы, связанные с потребляемой мощностью кремниевых
полупроводников:
• рассеяние мощности транзисторно транзисторной логикой и комплемен
тарным металлооксидным полупроводником (CMOS) зависит от частоты и
резко возрастает на высоких частотах;
• для заданной нагрузки отток от эмиттера к коллектору логического устрой
ства не зависит от частоты;
• нагрузочное сопротивление разряжает выходную емкость в схеме CMOS;
• подключение нагрузки к схемам CMOS для контроля отражения приводит
к потере мощности.
Полупроводники на основе арсенида галлия (GaAs) в настоящее время техно
логически не уступают кремнию [2], особенно в высокочастотных логических при
ложениях. Для логических схем с GaAs рассеяние мощности не зависит от часто
ты, а работа схемы с GaAs не зависит от напряжения питания при снижении вплоть
до 1 В.
3.1.2.5. Радиочастотные полупроводники. Биполярные CMOS с GaAs и с крем
ний германием являются полупроводниковыми технологиями, в настоящее вре
мя используемыми в радиочастотных цепях многих радиоустройств. При корпу
сировании радиочастотных компонентов требуется уделять особое внимание кон
тролю паразитных электрических компонентов и температурной устойчивости та
ких компонентов, как усилители мощности и т.п.
3.1.3. Требования к электронным системам
Требования к электронным системам и продукции, выдвинутые развитием полу
проводниковой технологии, состоят в следующем.
1. Достижения в технологии интегральных полупроводников означают воз
можность работы изделий на более высоких частотах при повышенной про
изводительности и функциональности.
2. Надежность и качество продукции в настоящее время и ожидаемые в буду
щем не связаны с повышением ее стоимости.
3. Размер электронных изделий уменьшается, и это уменьшение ограничено
только эргономическими требованиями и способностью рассеивать тепло.
4. Стоимость компонентов и сборки, как ожидается, будет непрерывно умень
шаться.
5. Настало время воздействовать на рынок электроники всем перечисленным
выше пунктам.
3.2. Однокристальный модуль
До 1980 г. наиболее широко используемым корпусом для полупроводников был
корпус с двухрядным расположением штырьковых выводов (DIP). Этот корпус
3.2. Однокристальный модуль 57
имеет прямоугольную форму с выводами, расположенными вдоль длинных сто
рон корпуса с шагом 0,100 дюйма.
На рис. 3.4 приведена тенденции развития различных форматов и корпусов
полупроводников. Корпуса с левой стороны рис. 3.4 главным образом относятся
к корпусам, имеющим выводы, расположенные по периметру корпуса, т. e. DIP, а
также плоские корпуса с четырехсторонним расположением выводов (QFP), пла
стмассовые кристаллоносители с выводами (PLCC), корпуса с автоматизирован
ной сборкой на ленточном носителе (TAB) и т.п. В нижней правой части рис. 3.4
находятся корпуса с матричными выводами по всей площади основания корпуса,
в частности со штырьковыми выводами (PGA, прикрепленная к основанию кор
пуса матрица штырьков, используемая для электрического соединения), корпуса
LGA (корпуса с матрицей проводящих площадок на основании корпуса, иногда
называемых несущими матричных площадок [PAC], или корпуса с площадками,
имеющими припаянные шарики, а также корпуса с матрицей шариковых выво
дов [BGA]) и многокристальные модули. Шаг вводов в случае корпусов DIP и PGA
равен 0,1 дюйма, тогда как шаг вводов для баланса частей составляет 0,060 дюйма
и менее (т.e. 0,050 дюйма, 0,5 мм, 0,4 мм, 0,3 мм). Корпуса матричного типа по
явились, чтобы обеспечить электрические характеристики для крупных корпусов
и/или в случае более низких плотностей компоновки (площадь корпуса/площадь
кристалла).
Рис. 3.4. Тенденции корпусирования интегральных схем
Оптические
Корпус
толщиной
с лист бумаги
3.2.1. Корпуса с двухрядным расположением штыревых выводов (DlP)
На рис. 3.5 представлена конфигурация корпуса DIP. Используются корпуса DIP
с многослойным керамическим телом, изготовленным методом спекания; с вы
водами, припаянными вдоль длинных краев, или в опрессованной конструкции,
в которой кристалл привязан к выводной рамке и золотая проволока соединяет
кристалл к выводам выводной рамки до прессовки пластмассового тела вокруг
выводной рамки. Корпуса DIP используют не более 64 вводов/выводов.
58 Глава 3. Технология корпусирования полупроводников
3.2.2. Безвыводной керамический контейнер кристалла
Для улучшения форм фактора были разработаны корпуса промышленного и воен
ного назначения, получившие название безвыводных керамических кристаллоноси
телей, главным образом состоящих из углубления в DIP из герметической керамики
(рис. 3.6) с пригодными для пайки посадочными местами, нанесенными фотолито
графией на нижнюю часть безвыводного керамического корпуса кристаллоносителя.
Рис. 3.5. Корпус с выводами в два ряда
Рис. 3.6. Безвыводной керамический кристаллоноситель
Вид после монтажа
Крышка
Кристалл (закрепленный проволокой
после его присоединения)
Основание
Рамка
выводов
DIP в пластмассовом корпусе
Пластмасса
Кристалл
Золотая
проволока
3.2. Однокристальный модуль 59
Эти части собирались на керамических подложках и использовались как в воен
ной, так и в телекоммуникационной продукции. Почти одновременно стали по
являться варианты с выводами на безвыводных корпусах. Шаг безвыводных час
тей составлял 0,040 и 0,050 дюйма, тогда как части с выводами располагались друг
от друга на расстоянии 0,050 дюйма. Работа [3] содержит подробное описание этих
разработок. К 1980 г. началось использование корпусов с четырехсторонними вы
водами для поверхностного монтажа с акцентом на использовании пластмассо
вых корпусов, оснащенных выводами с четырех сторон.
В работе [4] показано, что к 1993 г. произошел резкий поворот от монтажа
частей в сквозные отверстия платы (т.e. DIP) к корпусам с монтажом на поверх
ности. В 1993 г. 50% изготавливаемых корпусов для полупроводников относились
к DIP, смонтированным с использованием сквозных отверстий. К 2000 г. их доля
упала до 30%, а к 2005 г. предполагается сокращение до 15%.
3.2.3. Плоский керамический корпус
с четырехсторонним расположением выводов (PQFP)
Движущей силой развития пластмассовых корпусов, используемых для поверх
ностного монтажа, была разработка пластмассового плоского корпуса с четырех
сторонними выводами (PQFP), который состоит из металлической рамки выво
дов с выводами, выходящими со всех четырех сторон. К рамке выводов, обычно
медной, должен прикрепляться полупроводниковый кристалл (обычно с помо
щью эпоксидной смолы). Вводы/выводы кристалла соединены проволочным мон
тажом к выводам рамки. Традиционным методом проволочного монтажа являет
ся термоультразвуковая шариковая компрессия золотой проволокой. Пластмас
совый корпус затем запрессовывают вокруг кристалла, а выводы подгоняют и
формируют. На рис. 3.7а приведено поперечное сечение PQFP.
PQFP имеют выводы, сформированные в виде крыла чайки (рис. 3.7), тогда
как PLCC имеют выводы в форме буквы J, которые формируются (т.e. сворачива
ются) под корпусом.
На рис. 3.8 показан шаг выводов и предельное число штырьков в зависимости от
размера QFP и шага выводов. QFP производятся и уже используются при монтаже
продукции с шагом 0,5 мм. Основываясь на возможности формования и воздействии
длины вывода на электрические характеристики, пресс форма с 30 мм стороной счи
тается практическим пределом. QFP с шагом 0,5 мм, основываясь на обработке, ог
раничены примерно 200 вводами/выводами. Внедряются QFP с шагом 0,4 мм.
На рис. 3.7 показано разнообразие пластмассовых корпусов для монтажа на
поверхности, которые были разработаны с использованием технологии PQFP.
Керамические и пластмассовые QFP, а также корпуса PLCC используются для
матриц логических элементов, стандартных логических ячеек и микропроцессо
ров. Плоский микрокорпус интегральной схемы с двусторонним расположением
выводов (корпус SO) в форме крыла чайки, а также корпуса SO с выводами в фор
ме буквы J используются для упаковки памяти (SRAM и DRAM), а также линей
ных полупроводниковых кристаллов. Число штырьков для всех типов корпусов
ограничивается только возможностями прессования и требованием получить как
можно более тонкий пластмассовый корпус.
60 Глава 3. Технология корпусирования полупроводников
Рис. 3.7. Типы пластмассовых корпусов для поверхностного монтажа
Рис. 3.8. Шаг выводов и предельное число штырьков в зависимости от размера QFP
и шага выводов
Разумный
размер
Число выводов
Площадь корпуса, мм2
Шаг выводов = 0,3 мм
Шаг выводов = 0,4 мм
Шаг выводов = 0,5 мм
Предельный
размер
0,2 мм
0,15 мм
0,1 мм
Пластмассовый
кристаллоноситель
с четырехсторонним
расположением
J образных выводов (PLCC)
Интегральная схема
Крепежная проволока Прессованная пластмасса
Рамка выводов
а)
Микрокорпус
с двусторонними выводами
в форме крыла чайки (SOP)
б) в)
г) д)
Плоский пластмассовый корпус
с выводами по периметру
четырех сторон (PQFP)
Плоский микрокорпус
с двусторонним расположением
J образных выводов (SOJ)
3.2. Однокристальный модуль 61
3.2.4. Матрица штырьковых выводов (PGA)
и носитель матрицы площадок (PAC)
Сравним корпуса с выводами, расположенными по периметру корпуса, с корпусами,
использующими матрицу выводов по всей площади основания корпуса. Рис. 3.9 на
глядно представляет разницу между безвыводным кристаллодержателем и корпу
сом с матричным выводом по всей площади основания (PAC). На рис. 3.10 приве
дена зависимость между площадью корпуса и числом выводов для двух различ
ных вариантов – для корпуса с выводами по его периметру и под его основанием.
Из рис. 3.10 становится ясно, что для полупроводников с числом выводов, пре
вышающих 100, корпуса PGA и PAC становятся более привлекательными для упа
ковки сверхбольших и ультрабольших полупроводниковых интегральных схем
(БИС и УБИС). Предел масштабирования определяется только вопросами уста
лости соединения или стыковки, выполняемой пайкой.
Рис. 3.10. Эффективность корпусов типа PAC
Рис. 3.9. Сравнение корпуса с расположением выводов по периметру и корпуса с
матрицей выводов по площади его основания
Число выводов
Эффективность корпусов типа PAC
Площадь площадки (дюйм2)
0,100″ PGA
0,050″ LCC
0,050″ PAC
Безвыводной Кристаллоноситель
кристаллоноситель с площадкой
матрицы выводов
62 Глава 3. Технология корпусирования полупроводников
3.2.4.1. Преимущества и недостатки корпусов с выводами, расположенными
по периметру.
• Корпуса с выводами по периметру при шаге 0,050 дюйма легко использо
вать для сборки с поверхностным монтажом. Корпуса QFP с шагом 0,4 мм
и 0,3 мм в настоящее время уже выпускаются серийно. Анализируя рис. 3.8,
который показывает зависимость размера QFP от шага выводов и числа
штырьков, становится очевидным, что применение корпусов типа QFP ог
раничено примерно 400 выводами.
• Среди специалистов корпусной электроники и электронной сборки все еще
идут споры относительно того, возможно ли корпуса QFP с шагом 0,3 мм,
особенно с большим числом выводов, быстро изготавливать, поддерживая
высокий выход годной продукции. Причина этих споров обусловлена уста
лостью выводов (шириной 0,015 мм) и возможностью появления между
ними перемычек из припоя.
3.2.4.2. Корпуса с матрицей выводов в основании и BGA=корпуса. Это разъемное
соединение прежде всего предназначается для корпусов с выводами в основании
корпуса и для корпусов BGA. В работах [5] и [6] приводится подробное описание
этой развивающейся технологии, что связано с использованием ею недорогих
пластмассовых корпусов с матрицей шариковых выводов для пайки волной при
поя, присоединенных к корпусу. На рис. 3.11 приведен керамический корпус с
матрицей шариковых выводов (СBGA), а на рис. 3.12 – поперечное сечение пла
стмассового корпуса BGA.
Рис. 3.12. Поперечное сечение корпуса с матрицей шариковых выводов
Рис. 3.11. Керамический корпус c матрицей шариковых выводов
Осажденный
припой
Сквозное отверстие
для сигнала/заземления
Проволочное
крепление
Смесь
прессовки
Площадка
кристалла Электроосажденный
медный проводник
Паяльная
маска
Печатная плата
с эпоксидным
связующим
Скозное отверстие
для теплоотвода/
заземления
3.2. Однокристальный модуль 63
К преимуществам корпусов с матрицей шариковых выводов (керамических
или пластмассовых) относятся:
• высокая плотность межсоединений. В настоящее время серийно выпуска
ются площадки с выводами, имеющими шаг 1,27; 1,0; 0,8 и 0,5 мм;
• корпуса достигли уровня качества пайки в 6 s (продемонстрированного для
1,27 и 1,00 мм шага выводов) благодаря большому объему припоя на пло
щадке выводов;
• этот корпус относится к тонкопрофильным частям (теперь доступна тол
щина корпуса не более 1 мм);
• этот корпус имеет превосходные электрические характеристики благодаря
небольшой общей длине выводов, контролируемому импедансу, низкой ди
электрической постоянной и использованию при изготовлении подложки
материалов с малыми потерями;
• корпус благодаря своей конструкции имеет превосходные тепловые харак
теристики;
• принцип конструкции корпуса имеет возможность расширения до вариан
тов многокристальных корпусов (MCP).
В табл. 3.2 приводятся ожидаемые диапазоны числа выводов в случае BGA
корпусов для высокоэффективных микропроцессоров и для кристаллов, использу
емых в портативных изделиях. В 2000 г. примерно 60% всех BGA корпусов имели
шаг 1,27–1,00 мм, а для баланса частей – 0,8–0,5 мм. К 2004 г. 60% всех BGA корпу
сов будут иметь шаг 0,8–0,5 мм, а их небольшая доля – с шагом меньше 0,5 мм.
Òàáëèöà 3.2. Êîëè÷åñòâî øòûðüêîâûõ âûâîäîâ BGA-êîðïóñà
Эффективность использования поверхности BGA корпусов, имевших неболь
шое число контактных площадок (менее 140), за последние несколько лет значи
тельно возросла. Новая форма BGA корпусов, получившая название корпусов с
основанием, сопоставимым с величиной кристалла (CSP), обладает эффективно
стью использования площади поверхности примерно 80% (т. e. 80% площади кор
пуса занимает кремниевый кристалл). Шаг контактной площадки для CSP имеет
диапазон 0,8–1 мм. Корпуса CSP следует рассматривать как разновидность тех
нологии BGA корпусирования. На рис. 3.13 приведен типичный корпус CSP.
Был разработан новый, меньший по размеру корпус, который получил название
корпуса в масштабе целой пластины (WSP). На рис. 3.14 показан такой корпус. Эф
фективность использования поверхности в нем составляет 100% (т.e. 100% площади
корпуса занимает кремниевый кристалл). WSP относятся к корпусам, при изготовле
нии которых все процессы выполняются на кремниевой пластине, включая аппли
кацию шариков припоя, используемых для выводов. WSP имеет относительно не
большое число выводов и шаг расположения площадок в диапазоне 0,8–1 мм. Обыч
но для реализации такого шага требуется равномерное перераспределение выводов
микросхемы по всей площади кристалла. Для WSP не нужна герметизация кристал
ла, как в случае прямого крепления кристалла (DCA), описанного в разд. 3.2.5.
2001 2005 2010
64 Глава 3. Технология корпусирования полупроводников
3.2.5. Прямое крепление кристалла (DCA)
Следующим шагом в развитии корпусов является технология DCA. К методам
крепления полупроводниковых кристаллов прямо на соединительную плату (PCB,
многослойная керамика и т.п.) относятся:
Рис. 3.13. Типичная технология CSP (схема любезно предоставлена компанией Amkor Inc.)
Рис. 3.14. Корпуса в масштабе целой пластины (любезно предоставлено компанией
Flipchip)
A mkor
Матрица выводов
корпуса BGA типа
81 Ld
Шарик припоя
Поперечное сечение корпуса CPS
с проволочным креплением к ленте
Состав на основе Полупроводник
эпоксидной
смолы
Проволочное
крепление
Подложка в виде
полиамидной ленты
Крепление кристалла
с помощью эпоксидной
смолы
Интегральные схемы флэш памяти,
использующие технологию перераспределения WLP
3.2. Однокристальный модуль 65
• соединение кристалла с помощью проволоки;
• технология TAB;
• соединение методом перевернутого кристалла.
Исчерпывающее описание монтажа печатных плат креплением кристалла про
волокой, на ленте (TAB), а также соединение кристалла методом контролируемого
разрушения (C4) или технологии крепления перевернутым кристаллом пайкой к
столбиковым выводам на плату можно найти в гл. 6 работы [7]. Рис. 3.15 иллюстри
рует методики присоединения кристалла, которые будут описаны далее в тексте.
Рис. 3.15. Методики межсоединений: а – модуль с креплением кристалла проволоч
ным монтажом; б – ленточный модуль ТАВ; в – модуль с прикреплением
перевернутых кристаллов к выводам на ленточном носителе; г – модуль с
кристаллом, установленным лицевой поверхностью вниз; д – термоакус
тическое крепление с использованием золотой проволоки; е – крепление
на ленточном носителе TAB; ж – крепление перевернутого кристалла
а) б)
Подставка
вверх
Термокомпрессионное
соединение дугой
Подложка
Термоэлемент,
направленный
вниз
в) г)
д)
е)
ж)
66 Глава 3. Технология корпусирования полупроводников
3.2.5.1. Крепление кристалла к печатной плате. К предпочтительным методам
крепления кристалла и проволочного монтажа относится его крепление эпоксид
ной смолой к межсоединениям (т.e. к PCB или к многослойной керамике) и ме
тод шариковой термокомпрессии золотой проволокой. Одно из преимуществ ша
риковой термокомпрессии золотой проволокой состоит в том, что она может вы
полняться по дуге вокруг шарикового соединения. К термокомпрессии клином с
использованием проволоки это не относится.
Проволочный монтаж можно производить проволокой диаметром не более
0,8⋅10–3 дюйма. Шариковая термоультразвуковая компрессия золотой проволо
кой, показанная на рис. 3.15д, выполняется следующим образом:
1) золотая проволока просовывается через капилляр;
2) на конце проволоки с помощью разряда емкости или водородной горелкой
формируется шарик;
3) крепление шарика завершается одновременным приложением вертикаль
ной нагрузки на шарик, помещенный на крепежную площадку кристалла,
и возбуждением капилляра ультразвуком (кристалл и подложка обычно на
греваются при этом до номинальной температуры);
4) капилляр передвигается вверх и, оказавшись над подложкой или площад
кой выводов, создает петлю, которая под нагрузкой и ультразвуковым воз
буждением создает крепление;
5) проволока фиксируется относительно капилляра, и капилляр, перемеща
ясь вверх, разрывает проволоку в месте ее крепления.
Присоединение кристалла и монтаж с применением проволоки имеют недо
статок, который заключается в том, что закрепленный кристалл очень трудно ре
монтировать, особенно если он герметизирован.
3.2.5.2. Автоматизированная сборка кристаллов на ленточном носителе (TAB).
Метод TAB, представленный на рис. 3.15е, является более дорогостоящим, чем
проволочный монтаж, и может потребоваться существенный коэффициент раз
ветвления выхода от кристалла, чтобы выполнить соединение наружным впаем.
TAB является процессом, в котором химически вытравленные, изготовленные
заводским способом медные штырьки в форме непрерывной, полученной хими
ческим травлением ленты, состоящей из повторяющихся участков, под воздей
ствием температуры и давления одновременно присоединяются к столбиковым
выводам из золота или сплава золота и олова, которые изготавливаются на выво
дах кристалла. Наружные впаи кристалла, закрепленного методом TAB, выреза
ются и одновременно закрепляются к луженым площадкам на плате межсоедине
ний под воздействием температуры и давления.
3.2.5.3. Кристаллы с напаянными столбиковыми выводами. Использование кри
сталлов с напаянными столбиковыми выводами для корпусирования электронных
систем было впервые внедрено компанией IBM и получило название соединения
кристалла с помощью контролируемого разрушения (C4). Припой, используемый
при методике C4, состоит примерно из 95% Pb и 5% Sn. Кристаллы C4 для прило
жений компании IBM прикреплялись к многослойным керамическим подложкам
с помощью пайки расплавлением полуды, используя флюс, который после залив
ки припоя требовалось отчищать. Первоначально компания IBM применяла тех
нологии C4 для профессиональных комплектов вычислительного оборудования.
3.3. Многокристальные модули 67
Крепление методом перевернутого кристалла представлено на рис. 3.15ж. Выво
ды кристалла в этом методе припаяны (обычно используется припой из 95% Pb и
5% Sn или эвтектический припой из Pb и Sn), а кристалл волной припоя крепится
к схеме межсоединений. В настоящее время этот метод стал широко использо
ваться как эффективная технология изготовления бескорпусной серийно выпус
каемой продукции широкого потребления. Для технологии прямого крепления
кристалла с использованием метода PCB место посадки кристаллов обычно покры
вают эвтектическим сплавом Pb и Sn. Для пайки при DCA используется припой,
который не требует чистки после его использования в пайке. После того как крис
талл прикреплен пайкой, для защиты от влажности и для усиления показателей тем
пературной цикличности его герметизируют. В работах [8–10] обсуждаются неко
торые появившиеся разработки для прямого крепления кристалла со столбиковы
ми выводами к PCB для серийного выпуска продукции. На рис. 3.16 показан спо
соб применения DCA, который подробно описан в работе [10]. В этом способе
корпусированный микропроцессор CBGA припаян и напрямую прикреплен крис
таллом, чтобы показать возможность экономии занимаемой PCB площади.
3.3. Многокристальные модули
Многокристальные модули (MCP) появились как вариант корпусирования для
тех случаев, когда возникают проблемы с характеристиками или область межсое
динений для корпусной интегральной схемы имеет первостепенное значение.
Рис. 3.16. Применения DCA. Микропроцессор слева находится в BGA, тогда как
процессор справа прикреплен пайкой к столбиковым выводам, чтобы
продемонстрировать возможную экономию площади
Соединение
на столбиках припоя
а)
б)
Полу
проводниковый
кристалл
Герметик
с низким
внутренним
напряжением
Керамическая
или пластмассовая подложка
68 Глава 3. Технология корпусирования полупроводников
Проблема, связанная с характеристиками, состоит в увеличении технических ха
рактеристик полупроводника и влиянии области межсоединений на характеристи
ки смонтированного кристалла. Следствием этого стал вывод о том, что межсоеди
нения мгновенно обеспечивать электрический контакт не могут. Можно показать,
что для медных проводников на полиамиде при тактовой частоте в 200 MГц макси
мально допустимая длина межсоединений составляет 170 мм или около 6,8 дюй
ма. Для сравнения, тактовая частота для микропроцессора DEC ALPHA RISC была
200 MГц или даже выше уже в 1995 г. Тактовая частота микропроцессора Pentium III
составляет 500 MГц, а микропроцессоры с тактовой частотой 1 ГГц в настоящее
время уже выпускаются серийно.
3.3.1. Мнокристальные модули против однокристальных
MCP для модулей памяти нашли широкое применение в персональных (ПК) и
портативных компьютерах. Модули памяти с многочисленными кристаллами (в
корпусах и без корпусов) монтируются на прямоугольных платах межсоединений
(PCB или многослойной керамики) с выходами вдоль одной из сторон прямо
угольника. Такие корпуса получили название плоских корпусов с односторонним
расположением выводов (SIP). SIP могут иметь два ряда штырьковых выводов,
расположенных для крепления через сквозное отверстие к PCB, или они могут
иметь посадочные площадки на корпусе для стыковки с подходящим разъемом.
Для монтажа в сквозные отверстия платы SIP его выводы обычно имеют шаг в
0,100 дюйма. Модули памяти в системах на одном корпусе или в тонком корпусе
или плоские микрокорпуса типа SO с J образными выводами монтируются на SIP,
подложкой которого служит PCB с подходящими ветвлениями для расширения
возможностей памяти. Можно также использовать DCA или кристалл памяти.
Рис. 3.17. Конфигурации SIP
а)
б)
3.3. Многокристальные модули 69
На рис. 3.17 показано несколько конфигураций SIP. На рис. 3.17а представлена
ранняя версия SIP, использующая керамическую подложку и безвыводные кера
мические кристаллоносители с напаянными выводами. На рис. 3.17б представле
на типичная версия SIP для сочленения с разъемом SIP типа.
3.3.2. Технология применения в MCP печатных плат
MCP с технологией PCB, но с выводами, расположенными на подложке, также
применяются для улучшения функциональных характеристик и сокращения пло
щади монтажа. На рис. 3.18 демонстрируется концепция MCP с выводами на под
ложке. Выводы к подложке могут быть полностью изготовлены на заводе вместе с
платой или могут быть припаяны подходящим высокотемпературным припоем.
МРС с выводами, расположенными на подложке, можно после монтажа гермети
зировать или покрыть слоем подходящего герметика.
Выводы, расположенные на подложке
Рис. 3.18. Печатная плата MCP с выводами на подложке
МРС с выводами на подложке может также использоваться с керамическими
корпусами совместного обжига с напаянными выводами и покрывающим слоем
из подходящего герметика или герметичного уплотнителя собранной интеграль
ной схемы. Гл. 7 в работе [7] содержит подробное описание процесса изготовле
ния керамического многослойного корпуса путем совместного обжига.
3.3.3. Органические подложки MCP
Более распространенная форма MCP использует многослойную органическую
плату межсоединений на подложке, выполненной из кремния, корундовой кера
мики или металлического композита. Диэлектрические пленки накладываются
сериями одна поверх другой для создания многослойной платы межсоединений.
Предпочтительным считается диэлектрик из полиамида с тонкопленочными мед
ными проводниками. Технология для платы межсоединений использует процесс
и оборудование изготовления, которое первоначально использовалось для изго
товления полупроводников. Эта технология способна изготавливать линии тол
щиной 1⋅10–3 дюйма с таким же расстоянием между ними. Корпуса могут иметь
впадину, обращенную вверх (в направлении от PCB) или вниз (в направлении к
PCB), если необходимо использовать сток тепла для его рассеяния.
70 Глава 3. Технология корпусирования полупроводников
На рис. 3.19 показан кристалл, закрепленый проволокой к кремниевой под
ложке и помещенный в заранее спрессованный корпус QFP и в керамический
корпус QFP. Заранее спрессованный корпус QFP представляет собой рамку с вы
водами с запрессованным вокруг пластмассовым корпусом, который содержит
углубление для кристалла или подложку. Присоединение кремниевой подложки
к корпусу производится с помощью проволоки. Как показано на рис. 3.15, бес
корпусный кристалл может крепиться к кремниевой подложке проволочным со
единением, соединением TAB или методом перевернутого кристалла. Как и в слу
чае технологии выводов на подложке, формат выводов для QFP, которые вмеща
ют в себя многокристальную подложку, соответствует стандартам корпусов QFP.
3.3.4. MCP и PGA
Корпуса PGA могут использоваться в качестве MCP с подложкой, тип которой
указан на рис. 3.19. Корпуса PGA могут иметь впадину, обращенную вверх (в на
правлении от PCB) или вниз (в направлении к PCB), если необходимо использо
вать сток тепла для его рассеяния. Шаг выводных штырьков PGA обычно состав
ляет 0,1 дюйма.
3.3.5. Многокристальные корпуса
с многоярусным размещением кристаллов
Новая форма MCP появилась в момент написания этого материала. Корпусные
кристаллы помещаются один над другим и соединяются между собой главным обра
Рис. 3.19. Пример MCP
а)
б) в)
Площадки
для передачи
сигналов,
распределения
питания
и заземления
в плоскости X и Y
Расположенные по периметру
площадки выводов
Материал с низкой
диэлектрической постоянной
Подложка
(Si, Al2O3, пленки AIN,
металлический композит и т.п.)
3.3. Многокристальные модули 71
зом проволочным монтажом. Кристаллы утончены до формы пластины толщиной,
не превышающей 6⋅10–3 дюйма. На рис. 3.20 представлены различные форматы кор
пусов. Подложки для многокристальных корпусов с многоярусным размещением
кристаллов могут быть лентой, многослойной органикой (FR 4, FR 5 и т.п.), мно
гослойной органикой с высокой плотностью внутрисхемных соединений или мно
гослойной керамикой. Предпочтительным форматом является BGA. Первоначаль
ным применением многоярусного размещения кристаллов было объединение па
мяти с логическими кристаллами, а не интегральная логика и память на отдельной
кремниевой подложке.
Прогноз развития 3 мерного корпусирования
Высокая
Functional integration
Packade platforms
3S TCSP 3S PBGA
S PBGA
S SBGA
S MCM
FS CSP2
FS CSP1
S TCSP S CSP S LGA
TABGA CABGA
Низкая
3.3.6. MCP и заведомо годный кристалл
Одной из проблем технологии MCP является возможность использования заве
домо годного кристалла. Справедливо полагая, что для большинства кристаллов
выход при тестировании корпусных кристаллов после испытаний полупроводни
ковой пластины составляет около 95%, MCP ограничиваются примерно пятью
кристаллами интегральной схемы из расчета на корпус в лучшем случае. Это ог
раничение является результатом потери полезного выхода конечного корпусного
многокристального модуля. Например, для двухкристальной MCP, в которой каж
дый кристалл имеет полезный выход в сборе примерно 90%, полезный выход MCP
составит 81% (т.e. 0,92), а для четырехкристальной MCP полезный выход составит
65,6% (т.e. 0,94).
Рис. 3.20. Форматы для многокристальных корпусов с многоярусным размещени
ем кристаллов
72 Глава 3. Технология корпусирования полупроводников
а)
б)
μP
L, R, C SRAM
FLASH
• Радиочастотный входной каскад для HiperLAN
– для 5,2 ГГц модуля радиосети LAN
– 12,2×12,2 мм на базе подложки кристалла CSP
• Обеспечивает все функции для преобразования
между первой промежуточной частотой
и радиочастотой 5,2 ГГц
– приемопередатчик из сплава GaAs
– усилитель мощности GaAs
– прием/передача
– низкошумящие транзисторы
– предварительный делитель
– радиочастотные фильтры системы
• Кристаллоноситель с интергированными
пассивными элементами
– 2 превернутых кристалла GaAs
– 1 кремниевый перевернутый кристалл
– 2 дискретных компонента GaAs,
закрепленных проволокой
РАДИОЧАСТОТНЫЙ ВХОДНОЙ КАСКАД INTARSIA
Рис. 3.22. Примеры системы в одном корпусе
Рис. 3.21. Особенности технологии пакетирования при создании корпуса всей си
стемы в одном корпусе (а); поперечное сечение всей системы в одном
корпусе (б)
3.4. Оптические межсоединения 73
3.3.7. Размещение всей системы в одном корпусе
В настоящее время появилась расширенная форма MCP, получившая название
«система на корпусе» или «система в корпусе» целиком. Этот вариант корпуса
объединяет некоторые или все технологии многокристального корпусирования,
которые были описаны ранее. На рис. 3.21 показаны различные возможности
корпусирования, которые образуют систему на корпусе или систему в корпусе.
Одна из особенностей этой концепции единого корпуса состоит в том, что кор
пус вмещает в себя не только кремниевый кристалл, но также все пассивные
элементы, необходимые для обеспечения функциональности системы. Пассив
ные элементы (т.e. сопротивления, емкости и катушки индуктивности) могут
быть смонтированы на подложке или интегрированы в ней (т.е. в технологии
подложки со встроенными пассивными элементами). В работе [11] приводится
подробный обзор концепции системы на одном корпусе или системы в одном
корпусе. Другим примером применения этой концепции является радиочастот
ный модуль входного каскада высокопроизводительной радиосети HiperLAN,
показанный на рис. 3.22.
3.4. Оптические межсоединения
По мере совершенствования технических характеристик полупроводников, ме
рой которых является тактовая частота, допустимая длина межсоединений, не
приводящая к ухудшению характеристик устройства, уменьшается. Появление
Интернета и необходимость все возрастающей полосы пропускания стали основ
ной движущей силой развития оптических компонентов в технологии межсоеди
нений. Для систем мультиплексирования с разделением по длине волны и систем
Ethernet был достигнут предел полосы пропускания меди, равный 5 Гб/с.
3.4.1. Компоненты и корпуса
У конечного пользователя в настоящее время появилась заинтересованность в
широкой полосе пропускания (стационарные или настольные компьютеры).
К области физических разработок недорогой оптоэлектроники относятся: 1) раз
работка недорогого процесса сборки и недорогих корпусов для оптоэлектрон
ных компонентов и 2) возможность стандартной автоматизированной сборки
на плате всех оптоэлектронных частей. На рис. 3.23 представлены разнообраз
ные типы корпусов, используемые для размещения излучателей и детекторов
излучения. Как правило, все корпуса относятся к транзисторному типу или к
корпусам DIP в форме бабочки, а также предназначенным для монтажа через
сквозное отверстие. Обычно все эти корпуса герметичные. Корпуса DIP для
монтажа через сквозное отверстие и имеющие форму бабочки чаще всего ис
пользуются для упаковки лазеров торцевого излучения. Пример корпуса DIP в
форме бабочки с оптоволоконными выводами для лазера торцевого излучения
показан на рис. 3.24.
74 Глава 3. Технология корпусирования полупроводников
3.4.2. Преимущества оптических межсоединений
Преимущества оптических межсоединений состоят в следующем.
• Распространение сигнала не зависит от скорости потока цифровых данных
(вплоть до 20 000 Гб/с).
• Оптические компоненты не чувствительны к электромагнитным помехам
и перекрестным наводкам.
• Оптические сигналы могут проходить друг через друга (отсутствие опти
ческого взаимодействия).
• Компоненты легко допускают мультиплексирование.
Преимущества оптоэлектронных устройств можно использовать для точного
учета локального распределения оптического сигнала для:
• уменьшения числа штырьковых выводов корпусов для сложных сверхболь
ших интегральных схем путем замены сложных выводов, наличие которых
обусловлено полосой пропускания;
Рис. 3.23. Типы корпусов, используемых для излучателей света и детекторов
Рис. 3.24. DIP лазера 0/7
Литература 75
• переноса сигналов с очень высокой скоростью передачи цифровых данных
в гибридных схемах и сборках PCM;
• обеспечения межсоединений высокой сложности, которые достигаются без
сопутствующего роста себестоимости и затруднений, обычных при исполь
зовании объединяющей платы с металлической основой.
3.5. Обзор корпусирования высокой плотности
с улучшенными техническими характеристиками
Для обеспечения улучшенных технических характеристик и высокого уровня меж
соединений можно воспользоваться идеей совместного использования корпуса
MСР и многокристальных модулей. Кроме того, оптоволоконные передатчики и
приемники, изготавливаемые в настоящее время серийно, в состоянии обеспе
чить оптические соединения вне платы с улучшенными техническими характе
ристиками вместо межсоединений на плате с использованием проволочного мон
тажа, стандартной технологии PCB и кабельной проводки. Эти оптоволоконные
передатчики и приемники обычно используют герметичные и негерметичные,
сделанные под заказ корпуса формата DIP. Вместе с достижениями в оптоэлект
ронных полупроводниках также были продемонстрированы возможности опти
ческих межсоединений на плате. В работе [12] описывается один из вариантов
такого оптического межсоединения на плате, где полимерный оптический вол
новод, включающий ветвление и перекрестное замыкание, был изготовлен в по
лиамидном диэлектрике многослойной медной полиамидной кремниевой под
ложки. В настоящее время разрабатывается технология оптических волноводов,
которые встраиваются внутри печатных плат.
3.6. Информация по перспективному плану развития
Перспективный план развития на 2000 год NEMl [13] является хорошим источни
ком подробной информации по перспективе развития корпусирования интеграль
ных схем, технологии изготовления печатных плат, оптоэлектроники и т.п.
Литература
1. D. R. Harriott, R. J. Collier, D.S. Alles, and J. W. Stafford «EBBS: A Practical Lithogrsphic
System,» IEEE Transactions on Electron Devices, vol. ED 22, no. 7, July 1975.
2. Ira Deyhimy, Vitesse Semiconductor Corp., «Gallium Arsenide Joins the Giants», IEEE
Spectrum February 1993.
3. J. W. Stafford, «Chip Carriers – Their Application and Future Direction.» Proceedings of
the International Microelectronics Conference, Anaheim, CA, February 26 28,1980, New
York., June 17–19, 1980, Also published in Electronics Packaging and Production, vol. 20,
no. 7, July 1980.
4. Ron Iscoff. «COSTS to Package Die Will Continue to Rise,» Semiconductor International,
December 1994, p. 32.
76 Глава 3. Технология корпусирования полупроводников
5. Bruce Freyman and Robert Pennisi, Motorola, Inc., «Overmolded Plastic Pad Array
Carriers (OMPAC): A Low Coat, High Interconnect Density IC Packaging,» Proceedings
of the 41st Electronics Components Technology Conference, Atlanta, GA,May 1991.
6. Howard Markstein, «Pad Array Improves Density,» Electronics Packaging and Production,
May 1992.
7. Rao R.Tummala and Eugene J. Rymaszewski, Microelectronics Packaging Handbook, Van
Nostrand Reinhold, New York, 1989.
8. Yutaka Tsukada, Dyuhei Tsuchia, and Yohko Machimoto, IBM Yasu Laboratory, Japan,
«Surface Laminar Circuit Packaging,» Proceedings of the 42nd Electronics Components and
Technology Conference, San Diego, CA, May 18–20, 1992.
9. Akiteru Rai, Yoshihisa Dotta, Takashi Nukii, and Tetsuga Ohnishi, Sharp Corporation,
«Flip Chip COB Technology on PWB,» Proceedings of the 7th International Microelectronics
Conference, Yokohama, Japan, June 3–5,1992.
10. C Becker, R. Brooks, T. Kirby, K. Moore, C Raleigh, J. Stafford, and K. Wasko, Motorola,
Inc., «Direct Chip Attach (DCA), the Introduction of a New Packaging Concept for
Portable Electronics,» Proceedings of the 1993 International Electronics Packaging
Conference, San Diego, CA, September 12–15, 1993.
11. William F. Shutler, Alberto Parolo, Stefano Orggioni, and Claudio Dall’Ara, «Examining
Technology Options for System On a Package,» Electronics Packaging and Production,
September, 2000.
12. K. W. Jelley, G. T. Valliath, and J. W. Stafford, Motorola, Inc., «1 Gbit/s NRZ Chip to
Chip Optical Interconnect,» IEEE Photonics Technology Letters, vol. 4, no. 10, October
1992.
13. National Electronic Manufacturing Initiative, Inc. (NEMI) Year 2000 Roadmap, NEMI,
Herndon, VA, 2000.