CC BY
135
УДК 621.3.049.776 Спирин В.Г.
Арзамасский политехнический институт,
филиал Нижегородского технического университета им. Р.Е. Алексеева
СРАВНЕНИЕ ПЛОТНОСТИ УПАКОВКИ КРЕМНИЕВОЙ И ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ
Аннотация. Проведено сравнение плотности упаковки кремниевой и печатной платы. Показано, что плотность упаковки кремниевой платы в 2-12 раз может быть больше печатной.
Ключевые слова: плотность упаковки, кремниевая и печатная платы.
Одной из проблем производства микросборок (МСБ), как в России, так и за рубежом, является недостаток бескорпусных кристаллов (БК) . С начала 1990-х годов выпуск новых БК в РФ практически прекращен. Мало того, снимаются с производства освоенные БК. Особенно эти процессы характерны для прибалтийских стран, бывших союзных республик. Свои новые изделия Российские предприятия разрабатывают на основе технологии поверхностного монтажа (ТПМ) компонентов на печатных платах. Однако, перспективы развития печатных плат в части повышения плотности межсоединений весьма ограничены и повышение плотности упаковки разрабатываемой электронной аппаратуры в этом случае может быть достигнуто только за счет повышения интеграции полупроводниковых ИС.
В настоящее время разработана обширная номенклатура для ТПМ, включающая резисторы, конденсаторы (в том числе переменные), катушки индуктивности, микротрансформаторы, реле, кварцевые резонаторы, диоды, транзисторы, микросхемы, микропереключатели и др. Данные компоненты имеют несколько разновидностей корпусов: безвыводные с облуженными торцами, с укороченными выводами
типа крыла чайки или J-образными. Конкретные конструкции корпусов для ТПМ рассмотрены в [1]. Основными типами корпусов микросхем, в зависимости от расположения их выводов, являются:
- корпуса с периферийным расположением выводов (типа QFP), когда выводы расположены по краям кристалла или корпуса микросхемы;
- корпуса с матричным расположением выводов (типа BGA), когда выводы расположены равномерно по всей площади основания микросхемы.
Большинство выпускаемых микросхем имеют периферийное расположение выводов. однако матричная система выводов обеспечивает ряд очевидных преимуществ, наиболее важными из которых являются:
Минимальная площадь монтажного поля подложки.
Лучшие условия работы микросхем на быстродействующих операциях за счет меньших паразитных параметров, создаваемых выводами.
В процессе пайки силы поверхностного натяжения припоя способствуют точной центровки корпуса, что повышает точность его позиционирования.
Наличие большого количества контактных площадок непосредственно под корпусом улучшает условия отвода тепла за счет кондукции.
В табл. 1 приведены сравнительные конструктивные характеристики периферийных и матричных корпусов.
Таблица 1. Конструктивные характеристики периферийных и матричных корпусов
Шаг выводов, мм Число выводов в корпусе Площадь корпуса, мм
периферийном матричном периферийного матричного
1,25 64 256 2420 580
0,625 124 961 1210 290
0,5 156 1528 970 230
0,4 196 3401 770 185
0,25 312 6084 485 120
Дальнейшее развитие микрокорпусов для ТПМ направлено на уменьшение шага выводов и габаритных размеров, а также на увеличение количества выводов. Освоенными в настоящее время являются корпуса микросхем с шагом выводов 0,5 мм и 0,3 мм с общим количеством выводов до 300. В перспективе предполагается освоение корпусов с шагом выводов 0,25 мм при общем количестве 500-600 выводов.
Однако корпуса QFP с шагом выводов 0,4 и менее требуют весьма бережного обращения из-за малой жесткости выводов, что предъявляет высокие требования к сборочным автоматам и резко повышает их стоимость. В состав автоматов должны входить системы технического зрения для проверки комланарности выводов и центровки корпуса перед монтажом. Поэтому вопросы поиска новых решений по корпусированию микросхем с большим количеством выводов имеют огромное значение. В настоящее время намечены следующие основные направления корпусирования микросхем.
Корпуса с матричным расположением выводов, содержащих монтажную плату (BGA) с шагом выводов 1,52 мм и 1,27 мм.
Корпуса с креплением кристалла на ленточном носителе (технология ТАВ). Этот метод используется для автоматического монтажа кристаллов с малым шагом выводов (до 0,25 мм)на промежуточный носитель из фольгированного диэлектрика, например, на полиимидную пленку. Кроме возможности автоматизации монтажа, он обеспечивает возможность предварительного тестирования кристалла перед окончательной установкой его на монтажную плату.
Корпуса типа CSP с матричным расположением выводов и шагом 0,5 мм и менее. Размеры этих корпусов лишь не намного превышают размеры кристалла, но выполняют функцию защиты от внешней среды и проходят предварительное тестирование. При использовании корпусов с малым шагом выводов требуется использование специальных технологий производства плат, позволяющих обеспечить разводку сигнальных проводников в узких пространствах между контактными площадками монтажного поля.
Бескорпусные кристаллы с матричным расположением выводов, монтируемые методом перевернутого кристалла (Flip Chip). БК требуют герметизации в составе МСБ.
Как следует из табл. 1 конструктивные преимущества корпусов с матричным расположением выводов бесспорны, однако корпусам данного типа присущи технологические проблемы, главной из которых считается контроль качества паяных соединений. Эти соединения находятся под корпусом микросхемы и практически недоступны для визуального контроля.
Тем не менее, в настоящее время существует устойчивая тенденция к разработке корпусов с матричными выводами. Практика применения данных типов корпусов демонстрирует больший выход готовой продукции вопреки опасениям потери качества, из-за невозможности прямого визуального контроля соединений.
1
В настоящее время пассивные электронные компоненты ультраплотного поверхностного монтажа с линейными размерами менее 500 мкм (корпус 0201) используются в большинстве портативных приборов (сотовые телефоны, автомобильные системы глобального позиционирования, МКМ и др.). Согласно прогнозу ITRS-2004 (International Technology Roadmap Semiconductors) в 2006-2015 гг. получат распространение пассивные компоненты с линейными размерами 150...300 мкм. В табл. 2 приведены размеры в плане современных пассивных компонентов, выпускаемых зарубежными фирмами [2].
Таблица 2 Сравнительные размеры чип-корпусов пассивных компонентов
Типоразмер чип-корпуса Размеры в плане, мм Площадь, мм2 Отношение площадей, % Спрос на керамические конденсаторы, %
длина ширина 1995 г. 2005 г
1206 3,2 1,6 5,12 100 10 4
0805 2,0 1,25 2,5 50 53 10
0603 1,6 0,8 1,28 25 30 27
0402 1,0 0,5 0,5 10 4,0 40
0201 0,5 0,25 0,125 2,5 15
01005 0,3 0,15 0,045 1,0 3,0
Другие 3,0 1,0
Таким образом, существует устойчивая тенденция по снижению размеров корпусов компонентов, увеличению числа их выводов и уменьшению шага между выводами. Все это потребует увеличения плотности межсоединений на платах.
В связи с этим, наиболее простым методом уменьшения массогабаритных характеристик электронной аппаратуры является монтаж компонентов в миникорпусах на тонкопленочные платы [3]. Компоненты в миникорпусах имеют выводную рамку из ковара, который плохо согласуется по ТКЛР с материалом печатной платы. Значительно лучше ковар по ТКЛР согласуется с кремнием. Поэтому, с позиции надежной работы в широком диапазоне температур, установка компонентов в миникорпусах на кремниевую плату является более предпочтительной, чем их установка на печатную плату, ТКЛР которой составляет (14-18) 10-61/°С.
Целью настоящей работы является сравнение плотности упаковки кремниевой и печатной платы.
Для того чтобы оценить плотность упаковки того или иного конструктивно-технологического варианта платы достаточно рассчитать площадь размещения компонента с одним и тем же количеством выводов на плате по методике, изложенной в [190]. Эта площадь, обеспечивающая требуемую трассировку проводников, определяется выражением:
sk = (1 + 1П ) (b + Win),
где I, b - длина и ширина компонента; □1П - увеличение требуемого размера платы относителв-но размера компонента.
Используя методику работы [4] проведем расчет площади платы, занимаемой компонентами с 24 выводами различных типов корпусов, размеры которых приведены в [5], а результаты расчета сведем в табл. 3.
Таблица 3. Площади, занимаемые компонентом на кремниевой (Ьд = 0,01 мм ) и печатной (Ьд = 0,1; 0,2 мм) платах
Типы корпусов l ,мм b, мм S, мм2 Ьд, мм 11д, мм Sk, мм2 Sk Мов
БК с ОВ 6,57 5,65 37,12 0,01 0,5 43,48 1
БК(мод.1,2) 8,57 5,85 50,13 57,59 1,32
LCCC 11,18 11,18 125 136,4 3,14
0,1 5 239,3 5,5
SOP 15,4 10,24 157,7 02 10 514,1 11,8
Примечание: В табл. 3 приведены следующие обозначения: ОВ - объемные выводы; мод. - модификация; LCCC - керамический миникорпус; SOP - пластмассовый миникорпус; S = l b - площадь компонента; Ьп - ширина проводника; Sob - площадь, занимаемая на плате БК с ОВ.
Как следует из табл. 3 плотность упаковки кремниевой платы с БК может быть повышена в 5-12 раз по сравнению с монтажом миникорпусов на печатную плату. В случае установки миникорпусов на кремниевую плату выигрыш в плотности упаковки менее значительный. Тем не менее, он составляет 1,75-3,75 раза. На самом деле это преимущество еще выше. Дело в том, что метод [4] был разработан на основании исследования печатных плат, поэтому полученные статистические коэффициенты (по крайней мере, некоторые) напрямую зависят от диаметра переходных отверстий.
В печатной плате потери из-за сквозных отверстий достигают 30% ее поверхности [6]. В кремниевой плате минимальный размер КП переходного отверстия составляет 0,35-0,55 мм, а в печатной плате 0,7-1 мм. Кроме этого расстояния между КП переходных отверстий в кремнии будут значительно меньше, чем в печатной плате. Размеры КП заметно сказываются на трассировочную способность печатных плат. Например, в одном проекте уменьшение диаметра площадок с 1,4 до 1,0 мм (на 40%) позволило более чем втрое увеличить плотность межсоединений [7]. Следовательно, и значения статистических коэффициентов для кремниевой платы будут ниже. Кроме того, на кремниевой плате возможно изготовление тонкоплёночных резисторов (ТПР), что также повышает плотность упаковки.
Выводы
1. Для повышения плотности упаковки МСБ можно рекомендовать установку миникорпусов, предназначенных для поверхностного монтажа, на платы из кремния. Сборку МСБ проводят методами ТПМ. Такой конструктивно-технологический вариант МСБ позволяет повысить интеграцию по сравнению с монтажом компонентов на печатную плату, за счет увеличения плотности проводников и формирования ТПР на подложке. Кроме того, значительно улучшится теплоотвод от компонентов и резисторов.
2. Плотность упаковки кремниевой платы с БК может быть повышена в 5-12 раз по сравнению с монтажом миникорпусов на печатную плату. В случае установки миникорпусов на кремниевую плату выигрыш в плотности упаковки менее значительный. Тем не менее, он составляет 1,75-3,75 раза.
ЛИТЕРАТУРА
1. Леухин, В.Н. Радиоэлектронные узлы с монтажом на поверхность: конструирование и технология: учебное пособие / В.Н. Леухин. - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2006.- 248 с.
2. Деспотули, А. Суперконденсаторы для электроники (часть 2) / А. Деспотули, А. Андреева //
Современная электроника.- 2006. - № 6.- С. 46-51.
2
3. Гуськов, Г.Я. Монтаж микроэлектронной аппаратуры./ Г.Я. Гуськов, Г.А. Блинов, А.А. Газаров. - М.: Радио и связь, 1986. - 176 с.
4. Елизаров, Б.А. Оценка электромонтажных параметров коммутационных плат на ранних этапах проектирования РЭС / Б.А. Елизаров, А.В. Максимов, В.И. Шелест, Ю.Н. Ширяев // Технология и конструирование в радиоэлектронной аппаратуре.-2004.-№ 2.-С. 3-6.
5. Мэнгин, Ч.-Г. Технология поверхностного монтажа: [пер. с англ.] / Ч.-Г. Мэнгин, С. Ма-
клеланд. - М.: Мир, 1990.- 276 с.
6. Скубилин, М.Д. Проблемы ресурсосбережения и экологической безопасности в гальванотехнологии / М.Д. Скубилин, А.В. Письменов, Б.А. Гусев // Технология и конструирование в радиоэлектронной аппаратуре.-2004.-№ 2.-С. 46-51.
7. Медведев, А.М. Печатные платы. Конструкции и материалы / А.М. Медведев.- М.: Техносфера, 2005.- 304 с.
3
