CC BY
12Научная статья УДК 621.3.049.76
doi:10.24151/1561-5405-2023-28-4-471-488 EDN: EHHJOY
Особенности проектирования и технологии изготовления трехмерной микросистемы с торцевой коммутацией
И. А. Беляков, Д. В. Вертянов, М. Д. Кочергин, С. П. Тимошенков
Национальный исследовательский университет «МИЭТ», г. Москва, Россия
vdv.vertyanov@gmail.com
Аннотация. Трехмерные микросборки с торцевой коммутацией перспективны для применения в электронике промышленного и аэрокосмического назначения благодаря высокой плотности вертикальных соединений и стойкости к внешним воздействиям. При проектировании таких трехмерных структур возникают трудности, связанные с обозначением в САПР вертикальных дорожек, отделяемой тестовой части и заданием расположения компонентов внутри сборки. При изготовлении - проблемы связаны с процессами и материалами для герметизации трехмерных модулей, совмещением уровней, совмещением вертикальной коммутации с торцевыми контактами и формированием торцевой металлизации. В работе рассмотрены два типа микросборок с торцевой коммутацией. В области проектирования приведены решения по использованию стандартных инструментов САПР электроники для обозначения нестандартных структур. В области технологии рассмотрены способы и материалы герметизации сборок, приведены результаты исследования температурного коэффициента линейного расширения данных материалов методом дилатометрии. Указаны подходы к совмещению уровней и формированию вертикальных дорожек с шириной и зазором 50 мкм путем лазерной абляции осажденного металла с поверхности герметизирующего компаунда.
Ключевые слова: проектирование микросборок, корпусирование, система в корпусе, торцевая коммутация
Финансирование работы: работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России (госзадание FSMR-2022-0002).
Для цитирования: Беляков И. А., Вертянов Д. В., Кочергин М. Д., Тимошенков С. П. Особенности проектирования и технологии изготовления трехмерной микросистемы с торцевой коммутацией // Изв. вузов. Электроника. 2023. Т. 28. № 4. С. 471-488. https://doi.org/10.24151/1561-5405-2023-28-4-471-488. - ББ№ БИИГОУ.
© И. А. Беляков, Д. В. Вертянов, М. Д. Кочергин, С. П. Тимошенков, 2023
Original article
Design and manufacturing features of a three-dimensional microsystem with side commutations
I. A. Belyakov, D. V. Vertyanov, M. D. Kochergin, S. P. Timoshenkov
National Research University of Electronic Technology, Moscow, Russia vdv.vertyanov@gmail.com
Abstract. Three-dimensional microassemblies with side commutation are promising for industrial and aerospace electronics applications due to their high density of vertical connections and their environmental durability. However, in the design of such three-dimensional structures there are problems associated with designating vertical traces and separable test part in ECAD, and specifying the location of components within the assembly. In the fabrication, the problems are related to processes and materials for sealing three-dimensional modules, to levels alignment, vertical commutation alignment with side contacts and side metallization formation. In this work, two types of microassemblies with side commutation are considered. In the field of design, solutions for the use of standard electronics ECAD tools to designate non-standard structures are given. In the field of technology, the methods and materials of assemblies sealing are considered, and the results of research of thermal coefficient of linear expansion of these materials by dilatometry method are given. The approaches to alignment of levels and formation of vertical traces with width and clearance of 50 цт by laser ablation of deposited metal from the surface of the sealing compound have been indicated.
Keywords: microassemblies design, packaging, system in package, side commutation
Funding: the work has been supported by the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation (state task FSMR-2022-0002).
For citation: Belyakov I. A., Vertyanov D. V., Kochergin M. D., Timoshenkov S. P. Design and manufacturing features of a three-dimensional microsystem with side commutations. Proc. Univ. Electronics, 2023, vol. 28, no. 4, pp. 471-488. https://doi.org/ 10.24151/1561-5405-2023-28-4-471-488. - EDN: EHHJOY.
Введение. Преобразование двумерных печатных плат и микросборок в трехмерные структуры - эффективный способ миниатюризации, позволяющий с минимальными временными и материальными затратами улучшить массогабаритные параметры изделий. При этом положительный результат достигается не посредством уменьшения топологических норм коммутации, а путем более полного использования объема устройства. Это позволяет изготавливать трехмерные структуры с помощью технологий и оборудования того же уровня, что и исходное двумерное изделие. Например, микросборки корпус на корпусе могут быть изготовлены с помощью процессов корпусирова-ния на уровне пластины, а микросборки со встроенными кристаллами - посредством технологий печатных плат. В результате для каждой группы технологий создания электронных устройств формируются подходы к изготовлению соответствующих трехмерных микросборок и области их применения [1]. Так, технологии трехмерной интегра-
ции с использованием кремниевых интерпозеров и микросхем с металлизированными отверстиями в кремнии используются в областях, где приоритетное значение имеет вычислительная мощность, например при анализе больших данных, построении серверов, а также в системах виртуальной реальности [2]. Микросборки корпус на корпусе широко применяются при производстве мобильных микропроцессоров (технология InFo) [3] и носимой электроники [4], а также в устройствах Интернета вещей [5] и телекоммуникационном оборудовании. В то же время сборки на основе встроенных кристаллов становятся все более востребованными в различных областях силовой электроники и СВЧ [6, 7].
Микросборки с торцевой коммутацией по плотности межсоединений уступают кремниевым трехмерным микросборкам, поскольку в отличие от последних основаны на уровнях, изготавливаемых по технологии печатных плат. Однако по той же причине микросборки с торцевой коммутацией проще и дешевле в изготовлении и позволяют более гибко регулировать состав изделия. Микросборки с торцевой коммутацией применяются в промышленной электронике и космической технике (технологии 3D Plus и Irvine Sensors) благодаря высокой механической прочности, высокой защищенности от радиационных воздействий [8, 9], а также относительно высокой плотности вертикальных соединений (до 100 мкм [9]), которая не зависит от высоты изделия, так как из-за применения торцевых дорожек нет проблемы ограниченного аспектного отношения.
Однако при преобразовании платы или корпуса в трехмерную микросборку с торцевой коммутацией возникают трудности, связанные с проектированием и технологией их изготовления, что требует применения оригинальных подходов в рамках технологического уровня и оборудования, используемых для двумерных структур.
В настоящей работе рассматриваются микросборки с торцевой коммутацией -класс трехмерных сборок, отличительной особенностью которых являются вертикальные связи, сформированные не с помощью переходных отверстий или шариковых выводов, как в большинстве других трехмерных структур, а посредством проходящих по торцевым граням коммутационных дорожек.
Описание образцов. Особенности проектирования и технологии изготовления микросборок с торцевой коммутацией рассмотрим на примере двух вариантов микросборок.
Первый вариант представляет собой тестовую микросборку, предназначенную для отработки базовых подходов к проектированию и изготовлению трехмерных структур с торцевой коммутацией. Данная микросборка состоит из четырех коммутационных плат уровней с выходящими на торцы проводниками, имеющими шаг 500 мкм. При этом верхние три платы микросборки одинаковые: на них сформированы идущие параллельно друг другу проводники (рис. 1, а). Нижняя плата (рис. 1, б, в) отличается от остальных, так как на ней присутствуют выходные контактные площадки в виде посадочного места с матрицей шариковых выводов - BGA (Ball Grid Array). Монтаж компонентов на уровни не предусматривается. Общее число выходных контактов равно 72.
Второй вариант микросборки с торцевой коммутацией представляет собой полноценное электронное изделие. Шаг торцевых выводов составляет 300 мкм, число выходных контактов микросборки - порядка 250 (рис. 2). Эти изделия служат для отработки процесса проектирования сложных микросборок с торцевыми выводами, а также для проверки эффективности подхода торцевой коммутации применительно к реальному изделию.
Рис. 1. Изображения плат уровней тестовой микросборки: а, б - типы применяемых плат в среде проектирования; в - изготовленная плата нижнего уровня Fig. 1. Images of test microassembly level boards: a, b - types of boards used in the design environment;
c - manufactured lower level board
Рис. 2. Изображение платы нижнего уровня тестового варианта трехмерной микросборки Fig. 2. Image of the lower level board of the test version of a three-dimensional microassembly
Уровни обеих микросборок имеют одинаковые габариты и включают в себя рабочую и тестовую части. Габариты рабочей части (в центре уровня) составляют 20 х 20 мм. Общие габариты плат каждого уровня с тестовой и технологической частями составляют 30 х 40 мм. Высота уровней изделия первого варианта микросборки составляет 3, 4 и 5 мм. Для микросборки второго варианта высота уровня определяется исходя из высоты компонентов. При изготовлении высота задается с помощью специальных рамок с внутренними полостями под компоненты.
Особенности проектирования микросборок с торцевой коммутацией. Проектирование микросборок с торцевой коммутацией сопряжено с рядом трудностей из-за отсутствия для торцевых дорожек, а также для любых торцевых элементов специальных средств компьютерного представления в САПР электроники. Так, даже такая распространенная структура, как торцевые полуотверстия, не поддерживается стандартными средствами проверки правил проектирования (DRC) многих САПР. В то же время для кремниевых интерпозеров и структур корпус на корпусе средства компьютерного представления есть. Например, множество таких средств имеется в специализированных САПР проектирования корпусов и подложек, таких как Package Designer и Substrate Integrator от Siemens EDA (Mentor Graphics). В частности, указанные программы имеют в арсенале специализированный набор средств для разработки микросборок по технологии InFo от TSMC [10, 11].
В случае структур с торцевой коммутацией необходимо подстраиваться под имеющиеся в САПР инструменты описания электронных элементов и компонентов. Однако некоторые существующие ограничения и правила не подходят для новой технологии, что не является поводом для отключения всех проверок DRC. В интересах разработчика максимальное число проверок для нового технологического процесса должно действовать. Это позволит исключить случаи, когда среди многообразия приемлемых ошибок может скрыться ошибка, нарушающая функциональность изделия, или когда из-за накопления слишком большого числа ошибок, принятых как допусти-
мые, вся САПР начинает функционировать неправильно - исчезают или неверно отображаются элементы, становится недопустимым перемещение некоторых объектов (ошибки начинают накапливаться и действовать друг на друга).
При проектировании изделий по экспериментальным технологиям следует уделять больше внимания созданию технологического поля изделия. В данном поле должны располагаться все необходимые тестовые и совместительные структуры, а тестовые элементы не должны препятствовать выполнению технологических операций и способствовать появлению неоднозначности при определении источника возникающих проблем. В настоящей работе используется минимально необходимое количество тестовых и совместительных элементов в технологическом поле. Так, с целью совмещения по углам тестовой части плат уровней формировали четыре базовых отверстия диаметром 3 мм для совмещения на штифтах. Габариты плат с тестовой частью 40 х 30 мм, без тестовой части 20 х 20 мм. Тестовую часть закладывали как часть уровней непосредственно в рабочем проекте микросборки, а не только в средстве подготовки к производству (рис. 3, а), поскольку на мультизаготовке платы должны формироваться вместе с ней для последующего тестирования и совмещения в единую структуру. Рамки, задающие расстояние между уровнями, также закладываются в проект как составная часть микросборки.
Рис. 3. Фрагменты проекта трехмерной микросборки с торцевой коммутацией в САПР электроники: а - нижний уровень тестовой микросборки с технологической частью; б - трехмерная микросборка с показанной технологической частью уровней и задающими высоту
рамками (вертикальная коммутация показана с помощью отверстий) Fig. 3. Fragments of the design of three-dimensional microassembly with side commutation in ECAD: a - lower level of test microassembly with technological part, b - three-dimensional microassembly with shown technological part levels and height setting frames (vertical
commutation is shown by means of holes)
Таким образом, в проекте САПР микросборка имеет вид как после герметизации и до отделения тестовой части (рис. 3, б), а не вид готового параллелепипеда с габаритами уровня 20 х 20 мм и торцевой коммутацией. Такое отображение позволяет создать цифровую версию изделия на этапе сборки. Однако отображение вертикальной коммутации проблематично. Именно с подобным представлением, а также с отсутствием
подходящих средств САПР для отображения торцевых межсоединений и связаны основные проблемы проектирования микросборок с торцевой коммутацией.
Торцевые выводы сборки на каждом уровне необходимо размещать так, чтобы контакты одной и той же цепи располагались строго друг над другом. Для этого в САПР все уровни микросборки должны быть объединены в едином проекте (едином файле топологии). Тогда связи между уровнями будут адекватно отображаться в окне топологического проектирования. В этом случае правильно расположить торцевые контакты, а также проверить полноту трассировки несложно. Помимо расположения строго друг над другом, торцевые выводы должны еще и подходить к границе внутреннего пространства микросборки строго перпендикулярно, без смещения (рис. 4, а). Иначе не удастся совместить топологию торцевых дорожек с выходящими на торец контактами в разных уровнях.
Рис. 4. Смещение дорожек при входе в рабочую область микросборки с торцевой коммутацией при задании торцевых контактов как дорожек коммутации (а) и размещение компонентов на внутренних
уровнях сборки с помощью инструмента «полость» (б) Fig. 4. Displacement of traces when entering the working area of the microassembly if the end contacts are defined as commutation traces (a) and problem solution of component placement on internal levels of the
assembly - the "cavity" tool (b)
Следует отметить, что смещения могут возникать неумышленно. Например, если формировать торцевые выводы из незафиксированных трасс, то велика вероятность того, что при внесении изменений в топологию рабочей части трассы в пограничной области (между рабочей и тестовой частями) изменят свое положение. Следовательно, в проекте торцевые выводы на границе внешней и внутренней областей подложки должны представлять собой либо полностью зафиксированные трассы (что затрудняет изменение положения торцевых контактов), либо полигоны (в этом случае подключение к такому полигону может отображаться неадекватно), либо посадочные места условных компонентов.
Компоненты микросборок с торцевой коммутацией необходимо располагать на внутренних слоях изделия, а не на лицевой или оборотной стороне, как в стандартных печатных платах. Для этого у некоторых современных САПР есть инструмент «полость» (cavity) для создания встроенных в печатные платы компонентов. Он имеется, например, в САПР Xpedition Enterprise (рис. 4, б), PADS Professional и в системе Altium Designer. Полости позволяют размещать компоненты на любых внутренних слоях, а если у САПР есть система проверки правил проектирования в 3D, то в автома-
тическом режиме проверяется, можно ли без пересечений с вышележащими слоями поместить компонент в полость при заданной конструкции стека и высоте компонента.
В САПР отсутствуют специализированные инструменты описания торцевых дорожек. В САПР Xpedition и PADS пересечение любого элемента коммутации, например переходного отверстия с контуром платы, определяется системой онлайн-проверки правил проектирования как ошибка и автоматически предотвращается программой. Выполнить подобную операцию можно лишь при отключении онлайн-проверки или заданием особого разрешения для подобных элементов, но и в этом случае элемент останется отверстием, а не станет торцевым полуотверстием или торцевой дорожкой. Однако, даже если описание торцевых дорожек было бы предусмотрено САПР, оно бы не функционировало, поскольку торцевые выводы формируются после отделения тестовой части, а в проекте САПР сборка представлена в том виде, в каком она находится до отделения тестового поля - отсутствуют торцевые дорожки и соединения между уровнями.
Решением проблемы описания торцевых дорожек может быть формирование второго представления сборки уже с отделенным технологическим полем и сформированной коммутацией. Но это требует создания отдельного проекта, который не будет связан с основным. Можно также экспортировать трехмерную модель микросборки со всей топологией, компонентами и торцевыми выводами из проекта с тестовой частью в САПР трехмерного твердотельного моделирования, где вручную удалить тестовую часть и создать дорожки требуемой конфигурации. Полученная модель будет пригодна для экспорта в САПР инженерных расчетов, но не будет иметь полноценной связи с исходником (единственным вариантом реализации связи будет использование IDF-, IDX-форматов).
Возникает трудность при отображении вертикальной коммутации и в исходном проекте микросборки с тестовой частью, так как, хотя в реальности до отделения тестовой части вертикальных связей еще нет, они должны быть реализованы в САПР для проверки полноты трассировки. В противном случае велика вероятность ошибок - сохранившиеся до этапа подготовки к производству неоттрассированные цепи, нарушение правил по длине проводников и дифференциальным парам и т. д. Для условного отображения вертикальных дорожек используются переходные сквозные отверстия от каждого торцевого контакта (рис. 5, а). Это позволяет передавать не только вертикальную коммутацию в виде прямолинейных параллельных проводников, но и коммутацию в виде полноценной непрямолинейной торцевой топологии за счет использования системы глухих и скрытых отверстий между определенными уровнями.
Отметим, что переходные отверстия не являются частью торцевых площадок. Они могут смещаться вместе с ведущими к ним дорожками. Кроме того, связанные с ними контактные площадки или дорожки необходимо двигать отдельно в каждом уровне. Поэтому, если вертикальная коммутация представляет собой параллельные друг другу дорожки, идущие по торцам сборки, оптимальным вариантом может быть использование для отображения этих дорожек условных компонентов в виде прямоугольных площадок со сквозным отверстием под традиционный монтаж на конце (рис. 5, б). Такие условные компоненты при их размещении в топологическом редакторе формируют площадки сразу на всех слоях сборки. При перемещении таких компонентов площадки передвигаются вместе с ними на всех слоях одновременно. Если для отображения используются торцевые контакты площадок поверхностного монтажа, установленные в полости, то для передвижения каждой площадки необходимо открывать полость и двигать площадки на каждом уровне по отдельности.
Рис. 5. Изображения вертикальной торцевой коммутации в проекте САПР: а - вертикальные дорожки в виде переходных отверстий; б - компонент с площадкой особой формы
(прямоугольник с отверстием на конце) Fig. 5. Images of vertical side commutation in ECAD project: a - vertical traces are represented as vias, b - side commutation is represented by a component with a platform of a special shape
(rectangle with a hole at the end)
Особенности технологии изготовления микросборок с торцевой коммутацией.
Процесс изготовления рассматриваемых вариантов микросборок с торцевой коммутацией включает в себя следующее:
1) изготовленные платы уровней устанавливаются друг над другом на штифты и объединяются посредством герметизирующего компаунда в монолитную структуру, формируя заготовку будущей микросборки;
2) после герметизации от заготовки отделяется тестовая часть;
3) полученная структура обрабатывается по торцам для вскрытия торцевых контактов;
4) заготовка направляется на металлизацию и формирование рисунка межсоединений.
Данный процесс по порядку и составу базовых операций аналогичен процессам изготовления известных микросборок с торцевой коммутацией, которые применяют фирмы 3D PLUS (Франция, США) и Irvine Sensors (США) [12]. Важное значение имеют способ реализации операций и используемые в них материалы. В этом рассматриваемая технология значительно отличается от технологии, предлагаемой фирмами 3D PLUS и Irvine Sensors.
При разработке технологии изготовления микросборок с торцевой коммутацией возникают следующие проблемы.
В стандартных технологиях корпусирования для герметизации двумерных структур чаще всего применяется термоопрессовка в двух вариантах - трансферная и компрессионная. Оба варианта требуют использования специализированных установок (mold chase) и материалов - эпоксидных монолитизирующих компаундов (Epoxy Mold Compound's, EMC). Последние при нормальных условиях обычно имеют условно-твердую форму (порошки, цилиндры, листы) и переходят в вязкотекучее состояние только при нагреве в процессе опрессовки. Однако в случае трехмерных микросборок применение термоопрессовки сопряжено с рядом сложностей. Во-первых, термоопрес-совка не предназначена для герметизации трехмерных структур большой высоты, в которых компаунд должен пройти процесс отверждения в значительном замкнутом объеме внутри микросборки. Во-вторых, термоопрессовка является частью технологии корпусирования кристаллов на уровне пластины (Wafer Level Packaging, WLP), тогда
как платы уровней в микросборках с торцевой коммутацией изготавливаются с помощью технологического процесса печатных плат, т. е. необходимо сочетать операции и оборудование двух различных технологических уровней. Это ведет к усложнению и удорожанию технологического процесса, так как требуется дополнительное дорогостоящее оборудование - установки mold chase и системы скрайбирования после герметизации. Кроме того, в процессах разных уровней, как правило, применяются заготовки разной формы и размера, например пластины при корпусировании и прямоугольные заготовки в случае печатных плат.
В оригинальных технологиях проблема решается с помощью особых жидких компаундов для герметизации электронных средств, например HYSOL FP4450 в технологиях от 3D PLUS [14]. Однако в рамках работы решено применять собственные компаунды на основе термостойких эпоксидных смол. Основные их преимущества - меньшая стоимость, а также возможность получения на основе одной смолы композиций с разными свойствами за счет введения различных наполнителей и добавок (что целесообразно при использовании в рамках одной микросборки компаундов с разными свойствами [15, 16]). Также ввиду известной формулы смолы и отвердителя поведение композиции при введении наполнителей более предсказуемо, чем в случае модификации иностранных аналогов.
Микросборки с торцевой коммутацией не предусматривают наличия на уровнях припойных бампов в отличие от микросборок корпус на корпусе и других структур, где применяется монтаж на шариковые выводы. Поэтому самосовмещения уровней по осям X и Y не происходит. Следовательно, необходимо вносить в изделие дополнительные совместительные элементы. Сведения о способах решения этой проблемы в оригинальных технологиях Irvine Sensors и 3D PLUS отсутствуют.
Тестовая часть в микросборках с торцевой коммутацией служит для электрического тестирования уровней и для расположения в ней технологических элементов. Именно в тестовую часть ведут дорожки, которые в дальнейшем станут торцевыми контактами. Для этого тестовую часть необходимо отделить от микросборки, что проблематично, так как высота микросборки значительно больше, чем высота одиночной печатной платы или корпуса, и по торцу трехмерной структуры располагается область высоконаполненного компаунда, содержащая до 70 % и более абразивного материала в виде мелкодисперсного оксида кремния.
Первый способ решения данной проблемы - отделение тестовой части вместе со всеми вспомогательными элементами от рабочей после герметизации методом скрай-бирования. Данный способ максимально прост, однако существует высокая вероятность повреждения приграничных областей по торцам сборки, быстрого износа инструмента, также необходима установка скрайбирования достаточной мощности и использование одноразовых прокладок. Второй способ - предварительное формирование сквозного фрезерованного контура вокруг рабочей области на каждом уровне с помощью стандартной установки фрезеровки, применяемой в технологии печатных плат (рабочая часть остается закрепленной на перемычках). На следующем этапе уровни с фрезерованными контурами герметизируются, а затем происходит отделение тестовой части каждого из уровней путем разрушения перемычек (вырубкой, фрезеровкой или лазерным скрайбированием). Преимущество данного способа - возможность использования многоразовых межуровневых прокладок, а также меньшая нагрузка на оборудование по сравнению с механическим скрайбированием сквозь все уровни и небольшие повреждения в ходе отделения тестовой части. Недостатки - сложности с автоматизацией процесса выламывания, возможность повреждения дорожек при фрезеровке,
а также необходимость в более длительной шлифовке граней для вскрытия торцевых контактов после герметизации.
Слой металлизации поверхности микросборок с торцевыми соединениями должен быть достаточно толстым для обеспечения электрического контакта уровней; металл должен быть пластичным, чтобы перенести деформацию микросборки из-за разницы температурного коэффициента линейного расширения (ТКЛР) между компаундом и уровнями; металлизация должна характеризоваться достаточной адгезией к гладкой поверхности компаунда (поверхность должна быть максимально гладкой для получения малых топологических норм). В оригинальных технологиях торцевой коммутации, применяемых Irvine Sensors и 3D PLUS, проблема решается за счет вакуумно-плазменных процессов металлизации поверхности микросборки с последующим гальваническим доращиванием [8, 9, 12]. Вакуумные процессы распыления позволяют получать высокую адгезию металла к диэлектрикам, но при этом они дорогостоящие и, как и в случае с термоопрессовкой компаундом, не являются частью процесса производства печатных плат. Кроме того, для нанесения металла на неплоскостную поверхность вакуумные процессы необходимо проводить в специализированной оснастке, которая поворачивает заготовку в процессе распыления, либо требуется проведение операции распыления для каждой грани изделия в отдельности.
Помимо наращивания металла на торцевых гранях микросборок также необходимо сформировать рисунок межсоединений. Однако после металлизации грани покрыты металлом, и совместительные элементы на них отсутствуют. В результате совмещение топологии торцевых элементов и выходящих на торец контактов уровней затруднено. Решение этой задачи в оригинальных технологиях, разработанных 3D PLUS и Irvine Sensors, не приводится. Вероятнее всего, позиционирование происходит по границам сборки или каким-то неуказанным совместительным элементам на гранях. В процессе
формирования топологии из-за химических процессов или перегрева происходит отслаивание торцевых дорожек. В оригинальных технологических процессах для формирования торцевой коммутации используется лазерная абляция металла до диэлектрика по контуру дорожек. Но лазер может сильно нагреть материал сборки и вызвать локальный температурный удар. В результате коммутация со слишком малыми топологическими нормами сразу после изготовления может отслоиться от диэлектрика из-за разницы теплового расширения с компаундом (рис. 6).
Эксперимент. Отработку процессов изготовления микросборки с учетом рассмотренных проблем проводили для тестового варианта изделия. Особое внимание уделено процессам сборки, последующей герметизации уровней и формированию на их торцевых поверхностях металлизации с получением рисунка коммутации. Адгезия сформированной коммутации на отрыв при этом должна быть не менее 1,6 Н/мм2 (согласно ГОСТ Р МЭК 61249-2-7).
Для сборки уровней использовали оснастку, состоящую из стальных штырей и многоразовой подложки основания из стеклопластика с четырьмя отверстиями, в которые вставлены штыри. Для разделения уровней и задания межуровневого пространства использовали прокладки из силикона на платиновом катализаторе с высокой твердо-
Рис. 6. Отслаивание дорожек при обработке
лазером по контуру Fig. 6. Track flaking during contour laser processing
стью по Шорру (40 ед.) и высокой термостойкостью (до 250 °С) с низкой адгезией к компаунду. При этом они легко отделялись от сборки после заливки и отверждения материала герметизации. Также прокладки выдерживали температуру отверждения компаунда 170-180 °С на протяжении нескольких часов.
Сборку уровней в оснастку (рис. 7) выполняли в следующем порядке. В основание сборочной оснастки помещали базовые штыри и разделительный сплошной слой силикона, чтобы компаунд не прилип к многоразовому основанию. На штыри надевали плату первого уровня микросборки и на нее помещали разделительную прокладку толщиной 3-5 мм с полостью 20 х 20 мм. Далее в полость помещали компаунд, уровень с компаундом закрывали следующей платой.
Рис. 7. Оснастка для сборки уровней микросборки после установки в нее первого уровня Fig. 7. Fixture for assembling the microassembly levels after installing the first level
Отверждение композиции происходило в термошкафу под прижимом. Поскольку в качестве матрицы герметизирующего компаунда использовали термостойкие смолы (эпоксифосфазеновые и фенол-новолачные), температуру при их отверждении повышали в пределах 120-180 °С в течение 6 ч (на 20 °С каждый час). После отверждения компаунда сборку извлекали из оснастки послойно. Сначала снимали базовые штыри, затем отделяли тестовую часть верхнего уровня, закрепленную на перемычках. Далее снимали первую силиконовую прокладку, и процесс разбора повторяли для следующего уровня.
В процессе герметизации с указанной оснасткой отмечено несколько основных дефектов: небольшое смещение уровней по осям X и Y, связанное, вероятно, с недостаточно ровной установкой стальных базовых штырей при заливке, а также со слишком высокой пластичностью силиконовых прокладок; пористость компаунда, из-за которой торцевые поверхности получались неоднородными (поры препятствовали формированию коммутации, и в них не осаждалась металлизация) (рис. 8, а). Одна из возможных причин пористости - силиконовые прокладки, которые задерживают в себе воздух и имеют малую теплопроводность, что препятствует равномерному нагреву изделия при отверждении. Исследование процесса сборки уровней с использованием стальных прокладок (по примеру пресс-форм для герметизации корпусов) также не дало результатов. Прокладки не прилипали к эпоксидному компаунду ввиду малой шероховатости полированных поверхностей, но и не отделялись от сборки, поскольку не имеют достаточной пластичности. Однако при использовании стальной оснастки удалось получить полностью свободные от пор слои герметизации. В результате силиконовые и стальные прокладки были заменены на гибридные со стойками из стеклотекстолита заданной
толщины с обрамлением из пластичного термостойкого силикона, предварительно прошедшего дегазацию. Полученный после применения гибридных прокладок образец представлен на рис. 8, б.
Рис. 8. Заготовки тестовой микросборки, полученные при отверждении компаунда в форме с силиконовыми прокладками (на торцевых поверхностях хорошо заметны поры) (а) и в форме с комбинированными прокладками (минимальная
пористость) (б) Fig. 8. Test microassembly blanks obtained by curing the compound in a mold with sili-cone spacers (pores are clearly visible on the end surfaces) (a) and with combined spacers (minimum porosity) (b)
В качестве компаундов для герметизации исследовали композиции из смол на основе тетраглицидилового эфира диаминодифенилметана, модифицированного фосфа-зеном бисфенола-А (компаунд 1) и фосфазеном бисфенола-F (компаунд 2). Отвердите-лями для данных смол служили 4,4-диаминодифенилсульфон, диэтилтолуолдиамин, изо-МТГФА, а также аминный отвердитель ХТ-488. В качестве наполнителей использовали оксид кремния фракции порядка 5-10 мкм, а также кубический нитрид бора (CBN), алмаз, карбонитрид титана, гексагональный нитрид бора. Наилучшую адгезию к меди и стеклопластику показали композиции 4,4-диаминодифенилсульфона и смолы на основе тетраглицидилового эфира, 4,4-диаминодифенилсульфона и модифицированного фосфазеном бисфенола А, а также на основе отвердителя XT-488 с тетрагли-цидиловым эфиром (во всех композициях в качестве наполнителя использовали оксид кремния). Последняя комбинация более пористая и в то же время имеет большую усадку. Композиции на основе модифицированного фосфазеном бисфенола-F также характеризуются высокой пористостью, хотя и имеют наименьший ТКЛР (рис. 9). Переход на графике для нитрида бора вызван, очевидно, неполным отверждением смолы.
Рис. 9. Зависимости ТКЛР компаундов на основе модифицированных фосфазеном эпоксидных смол марки PNA от температуры для ненаполненной смолы и смол
с оксидом кремния и кубическим нитридом бора: а - компаунд 1; б - компаунд 2 Fig. 9. Dependences graphs of the coefficient of thermal expansion of compounds based on phosphazene-modified epoxy resins "PNA" on temperature for unfilled resin and resins with silicon oxide and cubic boron nitride (CBN): a - compound 1; b - compound 2 (the transition in the graph for boron nitride is most likely caused by incomplete curing of resin)
В результате для дальнейших исследований металлизации выбраны две комбинации смолы и отвердителя: 4,4-диаминодифенилсульфон и модифицированная фосфазеном смола на основе бисфенола А; 4,4-диаминодифенилсульфон и смола на основе тетраглицидилового эфира.
Для создания металлизации образцов исследовали различные растворы активирования и медной металлизации. Наилучший результат показало сочетание ванн активирования от прямой металлизации с предварительной в растворе на основе 3-глицидоксипропилтриметоксисилана и последующим медленным химическим наращиванием затравочного слоя меди. После формирования затравочного слоя микросборка проходила электрохимическую металлизацию. Сформированную медь далее селективно удаляли с помощью лазерной абляции на микросекундном оборудовании лазерной микрообработки. Формирование коммутации проводили по торцам тестовых отливок из указанных материалов, имитирующих микросборки (размеры дорожки и зазора от 500 до 30 мкм). Отливки содержат различные наполнители, в том числе гексагональный и кубический нитрид бора, карбонитрид титана (рис. 10).
Два образца с наполнителями из оксида кремния и алмаза перед активацией поверхности обрабатывали в растворе на основе эпоксисилана (рис. 11). Как видно из рисунков, особенно на примере образца, наполненного алмазом, раствор на основе эпок-сисилана значительно увеличивает адгезию коммутации к поверхности эпоксидного герметизирующего компаунда.
Рис. 10. РЭМ-изображения образцов со сформированной методом лазерной обработки медной коммутацией на тестовых отливках из смолы тетраглицидилового эфира, отвержденной 4,4-диаминодифенилсульфоном с наполнителями в виде: 50 % гексагонального нитрида бора (а);
60 % карбонитрида титана (б); 60 % кубического нитрида бора (в) Fig. 10. SEM images of samples with laser-formed copper commutation on test castings from tetraglycidic acid ester resin cured with 4,4 diaminodiphenylsulfone with fillers in the form of 50 % hexagonal boron nitride (a);
60 % titanium carbonitride (b); 60 % cubic boron nitride (c)
Рис. 11. Снимки образцов со сформированной методом лазерной обработки медной коммутацией на тестовых отливках из смолы тетраглицидилового эфира, отвержденной 4,4-диаминодифенилсульфоном с наполнителями в виде: 60 % алмаза без обработки в растворе эпок-сисилана перед меднением (а); 60 % алмаза с обработкой в растворе на основе эпоксисилана (б);
60 % оксида кремния (в - снимок РЭМ; г - снимок оптического микроскопа) Fig. 11. Snapshots of samples formed by laser-treated copper commutations on test castings of tetraglycidyl ether resin cured with 4,4 diaminodiphenylsulfone with fillers in the form of 60 % diamond without treatment in epoxysilane solution before copper plating (a); 60 % diamond with treatment in epoxysilane-based solution (b); 60 % silicon oxide (c - SEM image; d - optical microscope image)
Заключение. Результаты проектирования трехмерной микросистемы с габаритными размерами 20 х 20 х 20 мм, четырьмя функциональными уровнями на основе бескорпусных микросхем и высокоинтегрированных подложек, соединяющихся между собой с помощью вертикальной торцевой коммутации с топологическими нормами до 50 мкм, выявили следующие особенности:
- все функциональные уровни микросборки должны располагаться в едином проекте САПР для точного совмещения подложек, элементов торцевой коммутации и во избежание ошибок при соединении цепей;
- торцевые элементы коммутации должны подходить к границе внутреннего пространства микросборки строго перпендикулярно, без смещения;
- элементы и компоненты должны располагаться во внутренних слоях, в полостях уровней микросборки;
- тестовая и технологическая части уровней микросборки должны быть включены в проект САПР;
- для обеспечения корректных результатов проверки полноты трассировки следует применять условные изображения торцевых контактов в виде переходных отверстий или специализированных условных компонентов.
Экспериментальные исследования по герметизации уровней трехмерной микросборки с помощью высоконаполненных композитов показали, что наилучшие результаты по теплопроводности, наименьшему ТКЛР, однородности и адгезии медной металлизации получены при использовании двух компаундов: на основе 4,4-диаминодифенилсульфона и модифицированной фосфазеном смолы на основе бис-фенола А и 70%-ного наполнителя из оксида кремния; 4,4-диаминодифенилсульфона и смолы на основе тетраглицидилового эфира и 70%-ного наполнителя из оксида кремния.
Материалы статьи доложены на Российском форуме «Микроэлектроника 2022» (2-8 октября 2022 г., г. Сочи).
Литература
1. Pereira G., Chitoraga S., Kumar S., Yik Yee Tan. Advanced packaging quarterly market monitor Q1 2022: Market and technology product brochure // Yole Group [Электронный ресурс]. 2022. URL: https://medias.yolegroup.com/uploads/2021/12/Advanced-Packaging-Quarterly-Market-Monitor-Q1-2022-Product-brochure-.pdf (дата обращения: 24.05.2023).
2. Chitoraga S., Yeghoyan T., Shoo F. High-end performance packaging 2022 - focus 2.5D/3D integration: Market and technology report product brochure // Yole Développement [Электронный ресурс]. 2021. URL: https://s3.i-micronews.com/uploads/2022/03/ffigh-End-Performance-Packaging-2022-Product-Brochure.pdf (дата обращения: 24.05.2023).
3. Tseng C.-F, Liu C.-S., Wu C.-H., Yu D. InFO (wafer level integrated fan-out) technology // 2016 IEEE 66th Electronic Components and Technology Conference (ECTC). Las Vegas, NV: IEEE, 2016. P. 1-6. https://doi.org/10.1109/ECTC.2016.65
4. Package-on-package (PoP) warpage characteristic and requirement / W. K. Loh, R. Kulterman, T. Purdie et al. // 2015 IEEE 17th Electronics Packaging Technology Conference (EPTC). Singapore: IEEE, 2015. P. 1-5. https://doi.org/10.1109/EPTC.2015.7412314
5. Yoon S. W. Ultrathin 3D FO-WLP eWLB-PoP (embedded wafer-level ball grid array-package-on-package) technology // Advances in Embedded and Fan-Out Wafer-Level Packaging Technologies / eds B. Keser, S. Kroehnert. Hoboken, NJ: Wiley, 2019. P. 77-95. https://doi.org/10.1002/9781119313991.ch4
6. Lapedus M. Embedded die packaging emerges // Semiconductor Engineering [Электронный ресурс]. 09.04.2018. URL: https://semiengineering.com/embedded-die-packaging-emerges/ (дата обращения: 24.05.2023).
7. Huesgen T. Printed circuit board embedded power semiconductors: A technology review // Power Electronic Devices and Components. 2022. Vol. 3. Art. No. 100017. https://doi.org/10.1016/j.pedc.2022.100017
8. Plante J., Shaw H. Evaluation of 3D Plus packaging test structures for NASA Goddard Space Flight Center // Proceedings of the European Space Components Conference, ESCCON 2002 (24-27 September 2002, Toulouse, France). Noordwijk: ESA Publ. Div., 2002. P. 213.
9. The European 3D technology platform (e-CUBES) / P. Ramm, A. Klumpp, J. Weber et al. // Future Fab International. 2010. Vol. 34. P. 103-116.
10. Rey J. C. Design to manufacturing considerations in 3D IC design // Electronic Design Process Symposium Archive for 2017 [Электронный ресурс]. URL: https://www.ieee-edps.com/archives/2017/c/1200rey.pdf (дата обращения: 24.05.2023).
11. Li S. (Li Yang). SiP system-in-package design and simulation: Mentor EE flow advanced design guide. Hoboken, NJ: Wiley, 2017. 400 p.
12. StricklandM., Johnson R. W., GerkeD. 3-D packaging: A technology review // NASA Technical Reports Server [Электронный ресурс]. 2005. URL: https://ntrs.nasa.gov/citations/20050215652 (дата обращения: 24.05.2023).
13. Исследование влияния механических и температурных воздействий на уровень напряжений и деформаций в герметизированных двумя типами компаундов трехмерных микросборках / Д. В. Вертянов, И. А. Беляков, А. В. Погудкин и др. // Изв. вузов. Электроника. 2022. Т. 27. № 1. С. 28-40. https://doi.org/10.24151/1561-5405-2022-27-1-28-40
14. Проектирование корпусов и микросборок по технологии FO WLP средствами САПР Mentor Graphics. Часть 1 / Дж. Фергусон, Д. Вертянов, К. Фелтон и др. // Электроника: Наука, технология, бизнес. 2021. № 4 (205). С. 56-65. https://doi.org/10.22184/1992-4178.2021.205.4.56.64
15. Effects of multilayer structures made of epoxy compounds with different filler contents on thermo-mechanical stresses in 3D packages / D. V. Vertyanov, S. P. Timoshenkov, V. N. Sidorenko et al. // 2021 IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (EIConRus). St. Petersburg; Moscow: IEEE, 2021. P. 2495-2500. https://doi.org/10.1109/ElConRus51938.2021.9396288
Статья поступила в редакцию 07.03.2023 г.; одобрена после рецензирования 11.04.2023 г.;
принята к публикации 31.05.2023 г.
Информация об авторах
Беляков Игорь Андреевич - научный сотрудник Научно-исследовательской лаборатории передовых технологий корпусирования и производства 3D микросистем Национального исследовательского университета «МИЭТ» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 1), igor-terra@yandex.ru
Вертянов Денис Васильевич - кандидат технических наук, начальник Научно-исследовательской лаборатории передовых технологий корпусирования и производства 3D микросистем Национального исследовательского университета «МИЭТ» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 1), vdv.vertyanov@gmail.com
Кочергин Михаил Дмитриевич - инженер-конструктор Научно-исследовательской лаборатории передовых технологий корпусирования и производства 3D микросистем Национального исследовательского университета «МИЭТ» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 1), misha.kochergin1999@yandex.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), spt111@mail.ru
References
1. Pereira G., Chitoraga S., Kumar S., Yik Yee Tan. Advanced packaging quarterly market monitor Q1 2022: Market and technology product brochure. Yole Group. 2022. Available at: https://medias.yolegroup.com/ uploads/2021/12/Advanced-Packaging-Quarterly-Market-Monitor-Q1-2022-Product-brochure-.pdf (accessed: 24.05.2023).
2. Chitoraga S., Yeghoyan T., Shoo F. High-end performance packaging 2022 - focus 2.5D/3D integration: Market and technology report product brochure. Yole Développement. 2021. Available at: https://s3.i-micronews.com/uploads/2022/03/High-End-Performance-Packaging-2022-Product-Brochure.pdf (accessed: 24.05.2023).
3. Tseng C.-F., Liu C.-S., Wu C.-H., Yu D. InFO (wafer level integrated fan-out) technology. 2016 IEEE 66th Electronic Components and Technology Conference (ECTC). Las Vegas, NV, IEEE, 2016, pp. 1-6. https://doi.org/10.1109/ECTC.2016.65
4. Loh W. K., Kulterman R., Purdie T., Fu H., Tsuriya M. Package-on-package (PoP) warpage characteristic and requirement. 2015 IEEE 17th Electronics Packaging Technology Conference (EPTC). Singapore, IEEE, 2015, pp. 1-5. https://doi.org/10.1109/EPTC.2015.7412314
5. Yoon S. W. Ultrathin 3D FO-WLP eWLB-PoP (embedded wafer-level ball grid array-package-on-package) technology. Advances in Embedded and Fan-Out Wafer-Level Packaging Technologies, eds B. Keser, S. Kroehnert. Hoboken, NJ, Wiley, 2019, pp. 77-95. https://doi.org/10.1002/9781119313991.ch4
6. Lapedus M. Embedded die packaging emerges. Semiconductor Engineering. 09.04.2018. Available at: https://semiengineering.com/embedded-die-packaging-emerges/ (accessed: 24.05.2023).
7. Huesgen T. Printed circuit board embedded power semiconductors: A technology review. Power Electronic Devices and Components, 2022, vol. 3, art. no. 100017. https://doi.org/10.1016/j.pedc.2022.100017
8. Plante J., Shaw H. Evaluation of 3D Plus packaging test structures for NASA Goddard Space Flight Center. Proceedings of the European Space Components Conference, ESCCON 2002 (24-27 September 2002, Toulouse, France). Noordwijk, ESA Publ. Div., 2002, p. 213.
9. Ramm P., Klumpp A., Weber J., Taklo M., De Raedt W., Fritzsch T., Hilt T., Couderc P. et al. The European 3D technology platform (e-CUBES). Future Fab International, 2010, vol. 34, pp. 103-116.
10. Rey J. C. Design to manufacturing considerations in 3D IC design. Electronic Design Process Symposium Archive for 2017. Available at: https://www.ieee-edps.com/archives/2017/c/1200rey.pdf (accessed: 24.05.2023).
11. Li S. (Li Yang). SiP system-in-package design and simulation: Mentor EE flow advanced design guide. Hoboken, NJ, Wiley, 2017. 400 p.
12. Strickland M., Johnson R. W., Gerke D. 3-D packaging: A technology review. NASA Technical Reports Server. 2005. Available at: https://ntrs.nasa.gov/citations/20050215652 (accessed: 24.05.2023).
13. Vertyanov D. V., Belyakov I. A., Pogudkin A. V., Timoshenkov S. P., Sidorenko V. N. Investigation of the influence of mechanical and thermal effects on the level of stresses and deformations in three-dimensional microassemblies sealed with two types of compounds. Izv. vuzov. Elektronika = Proc. Univ. Electronics, 2022, vol. 27, no. 1, pp. 28-40. (In Russian). https://doi.org/10.24151/1561-5405-2022-27-1-28-40
14. Ferguson J., Vertyanov D., Felton K., Belyakov I., Evstafiev S., Sidorenko V., Gorshkova N. Designing FO WLP packages and micro-assemblies using Mentor Graphics CAD. Part 1. Elektronika: Nauka, tekhnologiya, biznes = Electronics: Science, Technology, Business, 2021, no. 4 (205), pp. 56-65. (In Russian). https://doi.org/10.22184/1992-4178.2021.205.4.56.64
15. Vertyanov D. V., Timoshenkov S. P., Sidorenko V. N., Pogudkin A. V., Belyakov I. A. Effects of multilayer structures made of epoxy compounds with different filler contents on thermo-mechanical stresses in 3D packages. 2021 IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (EIConRus). St. Petersburg, Moscow, IEEE, 2021, pp. 2495-2500. https://doi.org/10.1109/ElConRus51938. 2021.9396288
The article was submitted 07.03.2023; approved after reviewing 11.04.2023;
accepted for publication 31.05.2023.
Information about the authors
Igor A. Belyakov - Science Assistant of the Research Laboratory of Advanced Technologies for the Packaging and Production of 3D Microsystems, National Research University of Electronic Technology (Russia, 124498, Moscow, Zelenograd, Shokin sq., 1), igor-terra@yandex.ru
Denis V. Vertyanov - Cand. Sci. (Eng.), Head of the Research Laboratory of Advanced Technologies for the Packaging and Production of 3D Microsystems, National Research University of Electronic Technology (Russia, 124498, Moscow, Zelenograd, Shokin sq., 1), vdv.vertyanov@gmail.com
Mikhail D. Kochergin - Design Engineer of the Research Laboratory of Advanced Technologies for the Packaging and Production of 3D Microsystems, National Research University of Electronic Technology (Russia, 124498, Moscow, Zelenograd, Shokin sq., 1), misha.kochergin1999@yandex.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), spt111@mail.ru
/-N
Вниманию читателей журнала
«Известия высших учебных заведений. Электроника» Подписку на печатную версию журнала можно оформить:
• по каталогу «Периодические издания. Газеты и журналы» ООО «Урал-Пресс Округ». Подписной индекс 47570
• по объединенному каталогу «Пресса России» ООО «Агентство «Книга-Сервис». Подписной индекс 38934
• через Агентство «ПРЕССИНФОРМ»: http://presskiosk.ru/categories
• через редакцию - с любого номера и до конца года
Подписку на электронную версию журнала можно оформить на сайтах:
• Научной электронной библиотеки: www.elibrary.ru
• ООО «Агентство «Книга-Сервис»: www.rucont.ru;www.akc.ru;
www.pressa-rf.ru
• ООО «Урал-Пресс Округ»: www.delpress.ru
• ООО «ИВИС»: www.ivis.ru ---
