CC BY
73Состояние и концепция развития корпусной продукции
для изделий микроэлектроники
Ангелина ШАДЕИКО
Развитие направлений производства интегральных микросхем (ИМС) во многом определяется возможностями выбора специальных многовыводных металлокерамических корпусов.
Техника корпусирования кристаллов движется по пути диверсификации различных семейств корпусов в сторону увеличения количества внешних выводов до 1500, уменьшения расстояния между ними (шаг выводов до 0,5 мм и менее) и увеличения числа ИМС, выполненных в корпусах формата ВвА. При этом поверхностный монтаж является основным направлением корпусирования.
Введение
В настоящее время сформировались следующие основные технологии сборки кристаллов ИС:
• установка кристалла непосредственно на печатную плату — COB (Chip-On-Board);
• сборка кристалла на ленточном носителе ТАВ (Tape-Automated-Bonding);
• сборка в пластмассовых или металлокерамических корпусах с расположением внешних выводов по периметру или в форме матрицы;
• сборка многокристальных модулей МКМ (Multi-Chip Module), которые представляют собой объединение нескольких кристаллов на миниатюрной подложке — печатной плате внутри одного корпуса.
Для разработки ИМС необходимо обладать особыми технологиями для оперативной разработки и изготовления мелкосерийных партий необходимых типов корпусов, в первую очередь — QFP (Quad-Flat-Package) с их сторонним планарным расположением выводов от 32 до 340. В ближайшей перспективе специалисты столкнутся с необходимостью разработки большой номенклатуры корпусов BGA с количеством выводов от 140 до 532.
В отечественной электронной отрасли корпуса типа BGA не выпускаются. Определенные работы в этом направлении проводило ОАО «Завод полупроводниковых приборов» (г. Йошкар-Ола), где были получены опытные образцы корпусов подобного типа с числом контактных площадок 64 и 100.
Российские специалисты не смогли разработать технологию создания на подготовленных контактных площадках самих шариковых выводов определенной формы, способных вы-
держивать достаточно высокие температуры в процессе сборки ИМС и при последующих испытаниях. Основными сдерживающими факторами применения отечественных сложных корпусов являются:
• Низкое качество корпусов. Средний выходной уровень их дефектности доходит до 40%. Основные виды брака — дефекты покрытия, отслоение ободка, смещение и отслоение внешних выводов.
• Отсутствие достаточной номенклатуры корпусов.
• Длительные сроки проектирования и изготовления. По отдельным типам корпусов работы ведутся годами, при этом без гарантии серийного освоения.
• Высокая стоимость разработки и изготовления корпусов по сравнению с импортными, а это существенный показатель, поскольку стоимость корпуса составляет до 70% от общей стоимости изделия. Анализ деятельности отечественных
предприятий, осуществляющих разработку и производство корпусов и материалов для изделий микроэлектроники, за последнее десятилетие показал не только резкое снижение номенклатуры и объемов выпуска корпусов и материалов, но в ряде случаев — полное прекращение отпуска отдельных видов продукции.
Номенклатура корпусов для ИМС сократилась на 15%, причем полностью прекращен выпуск стеклокерамических корпусов.
Качественные и производственные показатели деятельности отечественных предприятий имеют устойчивую тенденцию к снижению.
Главными факторами, препятствующими развитию прогрессивных конструктивно-технологических решений в области корпусиро-вания изделий микроэлектроники, являются:
• общий спад в объемах выпуска продукции радиоэлектронной промышленности, начавшийся в 1991 г.;
• износ основных фондов, оборудования и средств, технологического оснащения предприятий на 75-95%;
• недостаток оборотных средств на предприятиях, и — одновременно — стремительный рост тарифов на энергоносители, транспортные услуги, сырье и полуфабрикаты.
Не лучшим образом обстоят дела с обеспечением сырьем и материалами для производства корпусов.
Ряд заводов объявил о прекращении выпуска ленточных носителей повышенного качества из сплавов 29НК («Ковар») и 42Н («Фени»). Имеют место серьезные проблемы с производством и обеспечением надлежащего качества мелкоячеистой стальной сетки, проволоки марки «Платинит», пластификаторов на основе поливинилбутираля, высокодисперсионных порошков вольфрама и молибдена, порошков и гранул специального стекла и глинозема, высокоплотного графита и огнеупоров.
Значительными сдерживающими факторами развития номенклатуры отечественных корпусов и разработки новых также являются:
1. Отсутствие отечественного унифицированного стандарта на корпуса для ИМС и полупроводниковых приборов, совмещенных по размерам, технологиям и способам герметизации с зарубежными аналогами:
- ^СС от 3 до 124 выводов, шаг 1,0 и 1,27 мм;
- CPGA от 64 до 391 выводов, шаг 2,54 мм;
- CQFP от 28 до 340 выводов, шаг 0,4; 0,5; 0,6; 1,0; 1,27 мм;
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2009
- BGA от 140 до 1500 выводов, шаг 0,3-0,5 мм;
- CMD от 2 до 12 выводов;
- корпуса для СВЧ-электроники с фланцами на основе сплавов вольфрам-медь (эльконайт).
2. Недостаточно эффективное использование САПР. Предприятия слабо владеют компьютерной технологией проектирования конструкций корпусов и оснастки.
3. Не в полной мере уделяется внимание развитию методологии моделирования и расчетов тепловых, электрических и механических параметров корпусов.
Для того чтобы корпусное производство не являлось сдерживающим фактором развития ИМС и быстро реагировало на требования разработчиков, должны быть значительно снижены сроки проектирования, изготовления и проведения испытаний. Это возможно при наличии комплекса современного оборудования, прогрессивных технологий и использовании качественных комплектующих и сырья.
В настоящее время наиболее надежным способом корпусирования микроэлектронных изделий является технология высокотемпературных отожженных керамических модулей (НТСС).
Описание процесса
Сырой керамический лист
Сырой керамический лист (необожженная глиноземная пленка) используется в последовательности процессов создания многослойной структуры (рисунок).
Перфорация
На данном этапе создаются переходные и выравнивающие отверстия в керамических листах, на каждом уровне наносится бар-код, создаются пустоты и осуществляется визуальный контроль.
Заполнение переходных отверстий
Отверстия в керамическом слое либо заполняются, либо покрываются вольфрамовой пастой для электрического соединения. Происходит сушка и отвердение в печи.
Трафаретная печать Токопроводящие линии и другие металлические области послойно формируются из тугоплавких металлов и в сыром состоянии. При помощи пробивки отверстий и заполнения их вольфрамом создаются электрические соединения между слоями. Происходит сушка и отвердение в печи. Осуществляется визуальный контроль.
Изготовление слоистого материала («пирога»)
Каждый слой керамики (с нанесенным рисунком и металлизированными отверстиями) помещается в стек в последовательности,
Рисунок. Диаграмма процесса
определенной при проектировании, после чего происходит спекание слоев.
Создание формы (шлифовка)
Чтобы отделить форму от общей массы, выполняется вырубка по габариту и шлифовка поверхности.
Обжиг
На этом этапе происходит одновременное спекание керамики и вольфрамовой металлизации; обжиг при температуре 1500...1600 °С в восстановительной газовой
среде. Осуществляется визуальный контроль и контроль электрических параметров. После отжига многослойная керамика становится монолитной, включая вольфрамовые элементы как составную часть керамической микроструктуры.
Нанесение никеля (перед припайкой)
Нанесение никеля необходимо для лучшего смачивания припоя.
Припайка
Металлические части — такие как контакты, области отвода тепла, ободок основания корпуса — путем расплавленной серебряномедной эвтектики или пайки чистым серебром при температуре 800... 1000 °С в газовой среде устанавливаются в соответствующие зоны.
Финишное покрытие
Все открытые металлические поверхности покрываются электролитическим или электролизным методом заданным металлом (обычно это золото с подслоем никеля) для дальнейших функциональных использований и защиты от воздействия окружающей среды.
Заключение
Для получения продукции из многослойной керамики нужен целый комплекс систем автоматического проектирования и эмуляции. Технология высокотемпературных отожженных керамических модулей (НТСС) является наиболее актуальной для развития и усовершенствования многоуровневых керамических изделий.
Наиболее уникальные особенности НТСС-технологии:
• качественное заполнение отверстий и линий;
• возможность создания многослойных изделий;
• малые допуски на размеры.
Хотелось бы отметить тот факт, что в последнее время появляются новые предприятия, способные осуществлять разработку и производство металлокерамических корпусов, по эксплуатационным характеристикам и качеству соответствующих корпусам лучших мировых производителей.
ЗАО «ТЕСТПРИБОР» с начала 2009 г. осуществляет разработку металлокерамических корпусов на основе технологии высокотемпературных отожженных керамических модулей (НТСС). Компанией были разработаны и освоены в производстве четыре типа корпусов ^СС на 48 выводов, CQFP 108, 240, 256 вывода. При этом большое внимание уделяется обеспечению полного соответствия разрабатываемых корпусов требованиям разработчиков ИМС в части конструкции, эксплуатационных характеристик и сроков изготовления. ■
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2009
www.kit-e.ru
