CC BY
0ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И МАРШРУТЫ TECHNOLOGICAL PROCESSES AND ROUTES
Научная статья УДК 621.3.049.77
doi:10.24151/1561-5405-2024-29-3-281-289 EDN: ACQCCF
Исследование конструкторско-технологических особенностей пространственной сборки и монтажа функционального микромодуля
А. Ю. Титов, А. И. Погалов, С. П. Тимошенков
Национальный исследовательский университет «МИЭТ», г. Москва, Россия
dtm@miee.ru
Аннотация. Для создания электронных изделий на базе перспективных технологий необходимы новые конструктивные варианты, учитывающие возможности коммутации элементов и компонентов, распределенных в ограниченном объеме. Гибкие платы на сегодняшний день не имеют альтернативы при обеспечении максимальной плотности коммутации, а также при пространственной сборке и монтаже микромодулей. В работе рассмотрены разработанные технологические процессы сборки и монтажа функционального микромодуля с защитой от внешних воздействий. Проведено моделирование с использованием метода конечных элементов для машинной реализации. Получена объемная картина распределения деформаций и напряжений в функциональном модуле. Показано, что созданная конструкция позволяет снизить массогабаритные характеристики, повысить надежность, обеспечить эффективный теплоотвод, электромагнитное экранирование и виброизоляцию микромодулей. Предложен новый способ сборки кремниевых кристаллов с использованием упоров. Осуществлен подбор материалов, изучены возникающие механические напряжения в соединении. Выявлены оптимальные данные с минимальными коэффициентами концентрации напряжений для обеспечения прочности и функционирования материалов, что дало возможность повысить выносливость соединений при циклических термомеханических воздействиях. На основании разработанных конечно-элементных моделей материалов, включая расчетные, а также узлов функционального микромодуля и принципов их использования проведен анализ напряженно-деформированного состояния, тепловых процессов, эффективности электромагнитного экранирования, способов защиты от вибрации и ударов, расчета прочности и долговечности, что позволило выбрать рациональные материалы, способы сборки и монтажа, конструкцию элементов и соединений.
© А. Ю. Титов, А. И. Погалов, С. П. Тимошенков, 2024
Ключевые слова: функциональный микромодуль, пространственная сборка, материалы микросоединения, термомеханическая прочность, напряженно -деформированное состояние, моделирование, конструктивно-технологические рекомендации, защита от внешних воздействий
Для цитирования: Титов А. Ю., Погалов А. И., Тимошенков С. П. Исследование конструкторско-технологических особенностей пространственной сборки и монтажа функционального микромодуля // Изв. вузов. Электроника. 2024. Т. 29. № 3. С. 281-289. https://doi.org/10.24151/1561-5405-2024-29-3-281-289. - EDN: ACQCCF.
Original article
Research of engineering and technological specifics of the 3D assembly and mounting of a functional micromodule
A. Yu. Titov, A. I. Pogalov, S. P. Timoshenkov
National Research University of Electronic Technology, Moscow, Russia dtm@miee.ru
Abstract. In order to create new generation electronic products based on advanced technologies, new design options are required that consider the switching capabilities of elements and components distributed in a limited space. Flexible boards today have no alternative in ensuring maximum switching density, as well as in 3D assembly and mounting of micromodules. In this work, the developed technological processes of assembly and mounting of the functional module with shield against external effects are considered. The simulation was carried out using finite element method for computer aided implementation. The dimensional pattern of strain and stress distribution in functional module was obtained. It was shown that created design makes it possible to reduce mass-dimensional characteristics, increase reliability, and provides effective heat dissipation, electromagnetic shielding and vibration isolation of micromodules. A new method of silicon crystal assembly using stops is proposed. The selection of materials was carried out and the resulting stresses in the connection were studied. The optimal data with minimum stress concentration factors to ensure materials strength and function has been identified, which has allowed increasing connections endurance under the influence of thermomechanical cycling. Based on the developed finite element models of materials, including computational ones, as well as nodes of the functional micromodule and the principles of their use, the analysis of stress-strain state, thermal processes, effectiveness of electromagnetic shielding, methods of protection against vibration and shock, strength and durability calculations was carried out, which has allowed the selection of rational materials, assembly and mounting methods, and elements and connections design.
Keywords: functional micromodule, 3D assembly, microconnection materials, thermomechanical strength, stress-strain state, simulation, engineering and technological recommendations, shield against external effects
For citation: Titov A. Yu., Pogalov A. I., Timoshenkov S. P. Research of engineering and technological specifics of the 3D assembly and mounting of a functional micromodule. Proc. Univ. Electronics, 2024, vol. 29, no. 3, pp. 281-289. https://doi.org/ 10.24151/1561-5405-2024-29-3-281-289. - EDN: ACQCCF.
Введение. С учетом сохранения требований к уменьшению массогабаритных характеристик устройств необходимы новые технологии создания функциональных микромодулей. Существующие гибкие платы не имеют альтернативы, когда нужно обеспечить максимальную плотность коммутации, а также при пространственной сборке и монтаже микромодулей.
В настоящей работе рассматривается функциональный микромодуль, собранный на теплоотводящем основании и представляющий собой коммутационную плату со смонтированными на ней бескорпусными элементами [1]. Коммутационная плата выполнена в виде гибкой ленты с перфорацией для герметизации и фиксации бескорпусных элементов, основание снабжено пазами для размещения и герметизации бескорпусных элементов. Перфорация на ленте - матрица в виде одинаковых по форме квадратных окон.
Методы исследования. Цель моделирования - поиск способов повышения прочности без увеличения массы изделия. Проектирование конструкции изделия представляет собой сложный и многоступенчатый процесс определения оптимальных конструкторских, технологических, эксплуатационных параметров при заданной нагрузке и условиях эксплуатации.
При построении моделей прочности и материалов использовали единый подход и правила, принципы разработки и анализа результатов исследования. Проводили испытания по определению механических свойств материалов, соединений и узлов функционального микромодуля, а также их динамических свойств. Для учета рассеяния энергии колебаний применяли логарифмический декремент и коэффициент демпфирования. Использовали достоверную информацию об уровне внешних механических и температурных воздействий.
Для распределения слоя компаунда между лентой и бескорпусным элементом выполняли окна с перфорацией, что предупреждает деформации, минимизирует поверхностные напряжения и повышает функциональные возможности микромодуля. Герметизацию каждого бескорпусного элемента осуществляли через перфорацию с окнами на ленте с помощью эластичного низкомодульного компаунда с модулем упругости 20-40 МПа. В случае увеличения значения модуля упругости снижается выносливость соединений, в несколько раз ухудшаются динамические и демпфирующие характеристики. Такая конструкция обеспечивает не только хорошее совмещение, но и наибольшую прочность соединения гибкой коммутационной платы с поверхностью кристалла при герметизации СБИС. Прочность конструкции повышается за счет улучшения адгезионного соединения коммутационной платы с поверхностью кристалла. Разработанная конструкция придает жесткость коммутационной плате, обеспечивает совмещение защитного покрытия и устраняет его коробление [2-4]. Размер герметизирующего соединения бескорпусного элемента определяется размером микровыводов и составляет ~ 100 мкм. Когезионная прочность соединения при увеличении его толщины снижается в 3,5 раза.
На рис. 1 представлена схема размещения бескорпусного элемента функционального микромодуля. Бескорпусной элемент с микровыводами расположен на гибкой ком-
4 3 2 4
Рис. 1. Схема размещения бескорпусного элемента: 1 - теплоотводящее основание; 2 - гибкая коммутационная плата; 3 - бескорпусной элемент; 4 - микровыводы; 5 - паз;
6 - компаунд; 7 - шары Fig. 1. Layout of the uncased element: 1 - heat sink base; 2 - flexible switching board; 3 - uncased element; 4 - micro-leads; 5 - groove;
6 - compound; 7 - balls
мутационной плате. В теплоотводящем основании выполнен паз, который заполняют шарами и компаундом в процессе сборки модуля.
Результаты и их обсуждение. На каждом бескорпусном элементе с лицевой стороны сформированы микровыводы размером ~ 100 мкм, выполняющие функцию не только электрического контакта, но и дополнительного упора между лентой и бескорпусным элементом. В результате расчетов для данной конструкции определены оптимальные размеры микровыводов, равные 70 мкм. При таком размере достигается наибольшая прочность соединения. При увеличении размера соединения до 200 мкм и более прочность уменьшается в 3 раза.
Надежность соединений кристалла с гибким носителем обусловлена напряженно-деформированным состоянием сборки, физико-химической совместимостью и механической прочностью ее материалов [5]. Исходя из того, что в модуле необходимо
обеспечить повышенную функциональную сложность с повышенной надежностью сборки, а также с учетом уменьшения массо-габаритных характеристик сборки обоснован выбор и проведены расчеты жесткости и прочности материалов конструкции, включая технологический процесс изготовления функционального микромодуля. Паяный шов сборки (эквивалентные механические напряжения) представлен на рис. 2.
Для областей, в которых возможны высокие градиенты механических напряжений и температур, использовали неравномерную сетку конечных элементов. Моделирование и расчет напряженно-деформированного состояния материалов позволили установить наиболее значимые конструктивно-технологические факторы прочности функционального микромодуля. Для моделирования применяли материалы, которые могут оказывать влияние на термомеханическую прочность микромодулей, - легкоплавкие припои ПОС 61, ПОВи, ПОЦ с площадью паяного соединения от 50 до 80 мкм . Из результатов анализа механических напряжений и деформаций в материалах модели следует, что при температуре выше 80 °С механические напряжения в образце неравномерны по плоскости и по толщине слоев. Распределения механических напряжений в слоях имеют форму параболы, и максимальные значения напряжений находятся на краях и углах слоев. Характер конечных элементов разбиения показан на рис. 3.
Критическая нагрузка расположена на границе контактная площадка - кремний и кремний - клеевое соединение. Интенсивность нагрузки на контактной площадке при применении разных припоев составляет 250-260 МПа, и эпюра по высоте близка к постоянной. Для повышения выносливости соединений при циклических термомеханических воздействиях необходимо равномерное распределение механических напряжений по всей площади соединений и уменьшение их концентрации. Это позволит обеспечить прочность и нормальное функционирование материалов. При сборке использовали следующие компоновочные решения: уменьшение габаритов, увеличение плотности компоновки, выбор рациональных соотношений форм и размеров деталей и зазоров, совмещение нескольких функций в одной детали. Результаты моделирования представлены на рис. 4 и 5.
Рис. 2. Эквивалентные механические
напряжения в паяном соединении Fig. 2. Equivalent mechanical stresses in the solder joint
Рис. 3. Эпюра распределения эквивалентных механических напряжений в материалах функционального микромодуля Fig. 3. Distribution diagram of equivalent mechanical stresses in the materials of the functional micromodule
Рис. 4. Распределение температуры нагрева материалов по центральной горизонтальной оси X и вертикальной оси Z микромодуля Fig. 4. Distribution of material heating temperature along the central horizontal X axis and vertical Z axis of the micromodule
На рис. 4 приведены поля распределения механических напряжений в материалах соединения. Оптимальная толщина соединительного шва компаунда 50-70 мкм, при этом тепловое сопротивление составляет от 0,6 К/Вт. Механические напряжения в сборке для трех вариантов моделей проиллюстрированы на рис. 5.
На основании ранее проведенных исследований [6-9] установлено влияние конструктивно-технологических параметров на рациональную толщину клеевого шва, которая составляет ~ 100 мкм. При толщине клея 500 мкм механические напряжения в кремнии повысились на 20 %, их концентрация возросла на 10 %. Рациональная толщина медного проводника составляет 20 мкм, что приводит к снижению напряжений в меди на 10 %. Увеличение площади пайки от 50 до 80 мкм позволяет снизить механические напряжения в медном проводнике от 57 до 47 МПа (на 20 %). Наилучшие результаты достигнуты при использовании бессвинцового припоя ПОВи, что дает возможность снизить действующие механические напряжения в паяном соединении в 1,5-2,2 раза и концентрацию напряжений на 15 %. В процессе эксплуатации на функциональный микромодуль воздействуют вибрационные и ударные нагрузки в диапазонах частот до 5000 Гц, ускорений до 100 g и температур от -60 до +70 °С. Одна из наиболее эффективных мер контроля динамических характеристик функционального микромодуля -использование виброизоляции от источника внешних возмущений.
Проведены исследования динамических свойств нескольких типов виброизоляторов (силиконовая резина ИРП, полиуретан СКУ, стальная плетеная проволока ЭИ-816, резина СКИ) с различными геометрическими и технологическими параметрами. При проведении расчетов [4, 6] в качестве виброизолятора использовали резину СКИ диаметром 6 мм, толщиной 4 мм. Типовая амплитудно-частотная характеристика такого функционального микромодуля показана на рис. 6. Расчеты показали, что резонансная частота /0 составляет 16 Гц, коэффициент динамичности ^ = /(у,<^) не превышает 2,0.
Ослабление вибраций наблюдается при коэффициенте расстройки V = /Т/0 > л/2 при частотах возбуждения / > 25 Гц. При V = 5 и коэффициенте динамичности ^ = 0,04 происходит ослабление колебаний на порядок.
Функциональный микромодуль содержит теплоотводящее основание для размещения в нем кристаллов, а также служит для экранирования от наводок между микросхемами, входящими в состав микромодуля, и от внешних воздействий. Для экранирования кристаллов от электромагнитных воздействий разработан медный экран из фольгированной полиимидной пленки размером 15 х 15 мм и толщиной 0,1 мм, которая крепится на основание. На рис. 7 приведена зависимость эффективности экранирования
Рис. 5. Максимальные механические напряжения для трех вариантов моделей: В1, В2 - клеевой шов (клей ВК 9) - компаунд СИЭЛТ; В3 - клеевой шов (компаунд СИЭЛТ) и компаунд СИЭЛТ. Толщина клеевого шва и шва компаунда 0,05-0,2 мм, толщина кристалла
кремния 0,46 мм Fig. 5. Maximum mechanical stresses in adhesive, silicon and compound for three model variants: B1, B2 - adhesive seam (VK 9 glue) - CIELT compound; B3 - adhesive seam (CIELT compound) and CIELT compound. The thickness of the adhesive seam and the compound seam is 0.05-0.2 mm, the thickness of the silicon crystal is 0.46 mm
^ = 0,25
О 1 2 3 4 v
Рис. 6. Амплитудно-частотная характеристика функционального микромодуля Fig. 6. Amplitude-frequency response of the functional micromodule
Рис. 7. Эффективность экранирования медного плоского экрана в радиотехническом диапазоне волн
Fig. 7. Shielding effectiveness of the copper flat screen in the radio wave range
экрана толщиной 0,1 мм в диапазоне волн X = 0,3-300 м (/" = 1 ГГц-1 МГц). Из результатов анализа следует, что при использовании кристаллов СВЧ-диапазона необходимо увеличить его толщину или комбинировать слои.
Подключение основания функционального микромодуля к цепи «земля» микроэлектронной аппаратуры посредством прямого контактирования (через свободные грани основания) позволит снизить влияние электромагнитной совместимости на сборку.
Заключение. Исследования показали, что разработанные технологические процессы сборки и монтажа бескорпусных микросхем на кубическое основание для создания функционального микромодуля с защитой от внешних воздействий обеспечивают эффективный отвод тепла, электромагнитное экранирование, виброизоляцию, рациональное использование прочности и жесткости материалов, элементов и соединений конструкции. Предложенный способ сборки кремниевых кристаллов как на полиимид-ной пленке, так и в пазах основания с использованием калиброванных упоров на лицевой и обратной сторонах позволяет сформировать соединительный шов требуемой толщины из эластичного низкомодульного компаунда, обеспечивающего необходимое демпфирование, эффективный сток тепла от кристаллов, снижение значений и концентраций напряжений, а также деформаций в материалах сборки [10].
Разработанные аналитические (конечно-элементные и расчетные) модели материалов, соединений и узлов функционального микромодуля, принципы их использования и проведенный анализ напряженно-деформированного состояния, тепловых процессов, эффективности электромагнитного экранирования, способов защиты от вибрации и ударов, расчета прочности и долговечности позволили выбрать оптимальные материалы, конструкцию элементов и соединений, определить рациональные способы сборки и монтажа.
Литература
1. Погалов А. И., Титов А. Ю., Долговых Ю. Г. Проектирование и инженерный расчет тепловых и прочностных характеристик функционального микромодуля // Электронная техника. Сер. 3. Микроэлектроника. 2020. № 2 (178). С. 49-52. https://doi.org/10.7868/S2410993220020074. - ББ№ ОХШ^.
2. Кузнецов О. А., Погалов А. И., Сергеев В. С. Прочность элементов микроэлектронной аппаратуры. М.: Радио и связь, 1990. 144 с.
3. Справочник по пайке / под ред. И. Е. Петрунина. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 2003. 480 с.
4. Неметаллические конструкционные материалы / Ю. В. Антипов, П. Г. Бабаевский, Ф. Я. Бородай и др.; ред.-сост. А. А. Кульков. М.: Машиностроение, 2005. 463 с. (Машиностроение: энциклопедия в 40 т. / гл. ред. К. В. Фролов; т. II-4).
5. Погалов А. И., Грушевский А. М., Блинов Г. А., Титов А. Ю. Термомеханическая прочность материалов паяных соединений многокристальных модулей памяти // Изв. вузов. Электроника. 2009. № 6 (80). С. 3-7. EDN: KZIDAN.
6. Титов А. Ю., Погалов А. И., Угольников С. В., Сахаров Е. А. Исследование динамических характеристик виброизоляции функционального модуля // Интеллектуальные системы и микросистемная техника: сб. тр. науч.-практ. конф. (пос. Эльбрус, 01-07 февр. 2022). М.: МИЭТ, 2022. С. 156-159. EDN: XRFTJY.
7. Погалов А. И., Титов А. Ю., Тимошенков С. П. Термомеханическая прочность соединений элементов в микроэлектронных модулях // Изв. вузов. Электроника. 2019. Т. 24. № 6. С. 565-572. https://doi.org/10.24151/1561-5405-2019-24-6-565-572. - EDN: XBGUVG.
8. Pogalov A. I., Titov A. Yu., Timoshenkov S. P. Thermomechanical strength of element connections in microelectronic modules // Russ. Microelectron. 2020. Vol. 49. Iss. 7. P. 489-493. https://doi.org/10.1134/ S1063739720070082
9. Титов А. Ю., Погалов А. И., Тимошенков С. П. Монтаж микроэлектронного модуля по бессвинцовой технологии на полиимидном носителе и теплопроводящем основании // Интеллектуальные системы и микросистемная техника: сб. тр. науч.-практ. конф. (пос. Эльбрус, 03-08 февр. 2020). М.: МИЭТ, 2020. С. 95-102. EDN: LFLDSI.
10. Installation of a microelectronic module according to lead-free technology on a polyimide film and a heat-conducting base / A. Pogalov, A. Titov, S. Ugolnikov et al. // 2020 IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (EIConRus). St. Petersburg; Moscow: IEEE, 2020. P. 2153-2155. https://doi.org/10.1109/EIConRus49466.2020.9039008
Статья поступила в редакцию 15.08.2023 г.; одобрена после рецензирования 21.11.2023 г.;
принята к публикации 10.04.2024 г.
Информация об авторах
Титов Андрей Юрьевич - старший преподаватель Института нано- и микросистемной техники Национального исследовательского университета «МИЭТ» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 1), kisrpi@mail.ru
Погалов Анатолий Иванович - доктор технических наук, профессор Института нано- и микросистемной техники Национального исследовательского университета «МИЭТ» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 1), dtm@miee.ru
Тимошенков Сергей Петрович - доктор технических наук, профессор, директор Института нано- и микросистемной техники Национального исследовательского университета «МИЭТ» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 1), spt@miee.ru
References
1. Pogalov A. I., Titov A. Yu., Dolgovykh Yu. G. Design and engineering calculation of heat and strength characteristics of a functional micromodule. Elektronnaya tekhnika. Ser. 3. Mikroelektronika = Electronic Engineering. Ser. 3. Microelectronics, 2020, no. 2 (178), pp. 49-52. (In Russian). https://doi.org/10.7868/ S2410993220020074. - EDN: OXUSNQ.
2. Kuznetsov O. A., Pogalov A. I., Sergeyev V. S. Strength of microelectronic equipment elements. Moscow, Radio i svyaz' Publ., 1990. 144 p. (In Russian).
3. Petrunin I. E., ed. Handbook of soldering. 3rd ed., rev. and upd. Moscow, Mashinostroyeniye Publ., 2003. 480 p. (In Russian).
4. Antipov Yu. V., Babaevskiy P. G., Boroday F. Ya. et al. Nonmetallic structural materials, comp. ed. A. A. Kul'kov. Moscow, Mashinostroyeniye Publ., 2005. 463 p. (In Russian). Mechanical engineering, encyclopedia in 40 vol., chief ed. K. V. Frolov, vol. II-4.
5. Pogalov A. I., Grushevsky A. M., Blinov G. A., Titov A. Yu. Thermomechanical durability of materials for soldered connections of multicrystal modules. Izv. vuzov. Elektronika = Proc. Univ. Electronics, 2009, no. 6 (80), pp. 3-7. (In Russian). EDN: KZIDAN.
6. Titov A. Yu., Pogalov A. I., Ugolnikov S. V., Sakharov E. A. Study of the dynamic characteristics of the vibration isolation of the functional module. Intellektual'nyye sistemy i mikrosistemnaya tekhnika, research-to-practice conference proceedings (pos. El'brus, 01-07 fevr. 2022). Moscow, MIET, 2022, p. 156-159. (In Russian). EDN: XRFTJY.
7. Pogalov A. I., Titov A. Yu., Timoshenkov S. P. Thermomechanical strength of connections of elements in microelectronic modules. Izv. vuzov. Elektronika = Proc. Univ. Electronics, 2019, vol. 24, no. 6, pp. 565-572. (In Russian). https://doi.org/10.24151/1561-5405-2019-24-6-565-572. - EDN: XBGUVG.
8. Pogalov A. I., Titov A. Yu., Timoshenkov S. P. Thermomechanical strength of element connections in microelectronic modules. Russ. Microelectron., 2020, vol. 49, iss. 7, pp. 489-493. https://doi.org/10.1134/ S1063739720070082
9. Titov A. Yu., Pogalov A. I., Timoshenkov S. P. Installation of a microelectronic module using lead-free technology on a polyimide film and a heat-conducting base. Intellektual'nyye sistemy i mikrosistemnaya tekhnika, research-to-practice conference proceedings (pos. El'brus, 03-08 fevr. 2020). Moscow, MIET, 2020, pp. 95-102. (In Russian). EDN: LFLDSI.
10. Pogalov A., Titov A., Ugolnikov S., Garbuzova M., Pshenichnova M. Installation of a microelectronic module according to lead-free technology on a polyimide film and a heat-conducting base. 2020 IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (EIConRus). St. Petersburg, Moscow, IEEE, 2020, pp. 2153-2155. https://doi.org/10.1109/EIConRus49466.2020.9039008
The article was submitted 15.08.2023; approved after reviewing 21.11.2023;
accepted for publication 10.04.2024.
Information about the authors
Andrei Yu. Titov - Senior Lecturer of the Institute of Nano- and Microsystem Technology, National Research University of Electronic Technology (Russia, 124498, Moscow, Zelenograd, Shokin sq., 1), kisrpi@mail.ru
Anatoly I. Pogalov - Dr. Sci. (Eng.), Prof. of the Institute of Nano- and Microsystem Technology, National Research University of Electronic Technology (Russia, 124498, Moscow, Zelenograd, Shokin sq., 1), dtm@miee.ru
Sergey P. Timoshenkov - Dr. Sci. (Eng.), Prof., Director of the Institute of Nano- and Microsystem Technology, National Research University of Electronic Technology (Russia, 124498, Moscow, Zelenograd, Shokin sq., 1), spt@miee.ru
r \
Уважаемые авторы!
С правилами оформления и опубликования научных статей
можно ознакомиться на нашем сайте:
http://ivuz-e.ru
4 /
