NAGYINTEGRÁLTSÁGÚ MODULÁRAMKÖRÖK
BUDAPEST UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND ECONOMICS DEPARTMENT OF ELECTRONICS TECHNOLOGY
NAGY INTEGRÁLTSÁGÚ MODULÁRAMKÖRÖK Előadók • Dr. Berényi Richárd
Célkitűzés • a nagy alkatrész sűrűségű moduláramkörök alapvető típusainak bemutatása, • a szerelőlemezek technológiai és konstrukciós elveinek ismertetése, • a kettő és háromdimenziós összekötési rendszerek, • a nagy integráltság szerelés-technológiai, tokozási és minőségbiztosítási elvei.
Oktatás rendje: • Előadások: Hétfő 10:15 – 12.00 (V1.102) • Gyakorlatok: Páratlan oktatási héten: Szerda 10:15 –12:00 (V1 CAD labor) , 1. gyak: 2014 szeptember 10. 2/28
MULTICHIP MODULOK (ISM.) Elnevezésük alapján multichip moduloknak a több chipet tartalmazó, szerelt áramköröket nevezzük. Pontosabb értelmezés szerint a MCM-ok legfontosabb tulajdonságai: – legalább két tokozatlan vagy chipméretű tokozott alkatrész, – nagy vezetéksűrűségű (HDI = High Density Interconnect) hordozó, – hatékony hűtési módszer. A MCM-okat a - rendszerint többrétegű - hordozó szigetelő rétegének készítéséhez alkalmazott technológia alapján csoportosítjuk: – a laminált multichip modulok (MCM-L) hordozója többrétegű, laminált nyomtatott huzalozású lemez, – a többrétegű kerámia hordozójú modulok neve MCM-C (ceramic), – a vékonyrétegtechnológiai vákuumeljárásokkal felépített (leválasz-tott) rétegszerkezetű hordozóra szerelt modulokat MCM-D-nek (deposited) nevezzük.
3/28
NAGYINTEGRÁLTSÁGÚ MODULÁRAMKÖRÖK Legfontosabb ismérvek: – Alkatrészek: – Nagy komplexitású integrált áramkörök, elektronikai funkciók kibővülése: érzékelők, beavatkozók, kijelzők, mechanikai, optikai, fluidikai funkciók (MEMS, MOEMS, mikrofluidika), nagyfelbontású lineáris ill. mátrix elrendezésű kivezető rendszerrel. – Miniatürizált tokozott ill. tokozatlan diszkrét alkatrészek. – Nagy vezetéksűrűségű, nagyfelbontású, többrétegű szerelőlemez hordozó, villamos összeköttetés rendszeren kívül tartalmazhat passzív (RLC), optikai hullámvezető, fluidikai, hőmérsékletmenedzsment, ill. 3D összeköttetési elemeket (tágabb értelemben HDI = High Density Interconnect - MCM-C, D, L hordozók) , Szűkebb értelmezésben: HDI – nagyfelbontású mikroviás NYHL típus
4/28
HDI DEFINÍCIÓ (HIGH DENSITY INTERCONNECT) (Nagyfelbontású nyomtatott huzalozású lemezek)
• a szerelőlemez nagyon finom rajzolatú, többrétegű (3D) huzalozási pályákat tartalmaz, • a huzalozási pályaszintek között a villamos összekötést mikro-viák (d < 150 µm) létesítik, • a mikroviák típusai: • átmenő, • eltemetett, • vakvia.
• a szerelőlemezek általában szekvenciális build-up (rétegenként felépített) technológiával készülnek.
5/28
A HDI technológiai előzményei • Első áramkör, 1850 • Réteges struktúra szabadalma, 1903 • Szigetelt felületre vezető csíkok elkészítése, 1925 • „nyomtatott áramkör” szóösszetétel kezdete
• Nyomtatott huzalozású lemez megjelenése, 1943 • Paul Eisler, vezető sávok kialakítása üvegszálas szigetelő hordozón
• • • • • • •
Tranzisztor szabadalma, 1947. dec. 16. Többrétegű hordozók megjelenése vezető falú furatokkal, 1961 A furatszerelési technológia elterjedése, 1960-70-es évek COB (Chip on Board), 1970-80 A felületi szereléstechnológia elterjedése, 1980-as évek, Multichip modulok (MCM-C,L,D) 1985 BGA tokozás megjelenése, 1989 • Többrétegű vezetékezés szükségessége a nagyszámú kivezetéshez
Nagy Integráltságú Hordozók kialakításának szükségessége 6/28
ÚT A HDI FELÉ Szereléstechnológia szerint az alkatrészek megoszlása. Furatszerelhető (THT)
Felületre-szerelhető (SMD) Tokozatlan Si chip
BGA/CSP
2000
év
7/28
Az IC chipek műszaki jellemzői: A 60-as évektől az alábbi főbb változások: • CMOS kapu méret csökkenése (14nm , 2014), Ultrabook laptop ,14 nm Broadwell CPU
• Si Chip felülete növekedett (1 mm2 – 900 mm2), míg a vastagságuk csökkent (600 µm – 50 µm), • feszültség csökkenés (0.9V), • az egy chipen megvalósított tranzisztorok darabszáma rohamosan növekedett (>10 mrd), • gyorsabb jelfelfutási idő, nagyobb frekvencia.
8/28
Az IC chipek műszaki jellemzői:
9/28
Tranzisztor szám alalkulása Quad-Core + GPU Core i7
1,160,000,000
2011
Intel
32 nm
216 mm²
Six-Core Core i7 (Gulftown)
1,170,000,000
2010
Intel
32 nm
240 mm²
8-core POWER7 32M L3
1,200,000,000
2010
IBM
45 nm
567 mm²
8-Core AMD Bulldozer
1,200,000,000
2012
AMD
32 nm
315 mm²
Quad-Core + GPU AMD Trinity
1,303,000,000
2012
AMD
32 nm
246 mm²
Quad-core z196[15]
1,400,000,000
2010
IBM
45 nm
512 mm²
Quad-Core + GPU Core i7
1,400,000,000
2012
Intel
22 nm
160 mm²
Dual-Core Itanium 2
1,700,000,000
2006
Intel
90 nm
596 mm²
Six-Core Xeon 7400
1,900,000,000
2008
Intel
45 nm
503 mm²
Quad-Core Itanium Tukwila
2,000,000,000
2010
Intel
65 nm
699 mm²
8-core POWER7+ 80M L3
2,100,000,000
2012
IBM
32 nm
567 mm²
Six-Core Core i7/8-Core Xeon E5
2,270,000,000
2011
Intel
32 nm
434 mm²
8-Core Xeon Nehalem-EX
2,300,000,000
2010
Intel
45 nm
684 mm²
10-Core Xeon Westmere-EX
2,600,000,000
2011
Intel
32 nm
512 mm²
Six-core zEC12
2,750,000,000
2012
IBM
32 nm
597 mm²
8-Core Itanium Poulson
3,100,000,000
2012
Intel
32 nm
544 mm²
12-Core POWER8
4,200,000,000
2013
IBM
22 nm
650 mm²
15-Core Xeon Ivy Bridge-EX
4,310,000,000
2014
Intel
22 nm
541 mm²
62-Core Xeon Phi
5,000,000,000
2012
Intel
22 nm
Xbox One Main SoC
5,000,000,000
2013
Microsoft/AM D
28 nm
363 mm²
SPARC M7
>10,000,000,000
2014
Oracle
20 nm
?
10/28
IC TECHNOLÓGIAI ALAKULÁSA Si chip alkatrészeinek méretcsökkentése Nagyobb integráció Több I/O
Feszültség csökkentés
Gyorsabb órajel Nagyobb sávszélesség
Felületi lábkiosztás
Kisebb zajsáv
Nagyobb áramfelvétel
Több PWR/GND pin
Komplexebb IC tokok 11/28
Tokféleségek chipek részére A kivezetők elhelyezkedése szerint négy alapvető típus: • Kerületen elhelyezkedő; furatszerelhető: • Dual In-line Package (DIP),
• Kerületen elhelyezkedő; felületszerelhető: • SO (Small Outline), QFP (Quad Flat Pack), QFN (Quad Flat No-lead)
• Felületen, rácsháló metszéspontjaiban helyezkednek el: BGA (Ball Grid Array) • CSP (Chip Size Package) tok
12/28
A különböző IC tokokkal megvalósítható kivezető darabszám 1960-’80
1980-’90
1990 – napjainkig
A tok mérete
Gyorsabb Könnyebb Kisebb Olcsóbb Nagyobb I/O
A kivezetők darabszáma 13/28
IC LÁBTÁVOLSÁGOK (PITCH) • QFP (Quad Flat Pack, TQFP-Thin Quad Flat Pack) • 2,54…1,27 mm, 1.0 mm, 0.8 mm, 0.65 mm, 0.5 mm
• BGA (Ball Grid Array) • 0,8 mm
• CSP (Chip Size Package) • 0,65 – 0,25 mm
• DCA (Direct Chip Attach) • 0,25 mm alatt
14/28
Kicsi kivezető raszterosztás távolságú BGA tokok • Hagyományos PWB szerelőlemezeknél: 1 mm. • Chip gyártók ösztönzik a HDI használatát • IBM, MOTOROLA,INTEL,TEXAS, AMD, SUN,HP…..
• HDI lehőségek: • 0.8 mm , 0.65 mm, 0.5 mm, 0.4 mm raszter • Zsák furatok a közbülső rétegekhez • Via a kontaktus felületen (via-on pad) lehetőség a méretcsökkentéshez
15/28
RENDSZERSZINTŰ TOKOZÁSOK • Hybrid áramkörök, 1950 • IC-ket, SM alkatrészeket,integrált passzív alkatrészeket tartalmaz: TFC (Thick Film Circuits), LTCC, HTCC technológia,
• MCM (Multi Chip Module) chipek integrálása többrétegű hordozón, 1980 • MCM-L, MCM-C, MCM-D,
• SoC (System on a Chip), • SiP (System-in-Package) • Több Si chip + diszkrét passzív alkatrészek
• SoP (System-on-Package), • Build-up hordozó. • Több Si chip + diszkrét és integrált passzív alkatrészek.
• PoP, Package-on-Package • Egymásra rétegesen felépített struktúra 16/28
RENDSZERSZINTŰ TOKOZÁSOK
17/28
A HDI szerelőlemezekre szerelhető tokozatlan chipek
stacked Chip and Wire
Flip chip (alulnézet)
TAB IC
Chip a Si szeleten keresztül kialakított bumpokkal (TSV= Through Silicon Via)
Egymásra épített chipek
Az HDI szerelőlemez huzalozására ültetik be a tokozatlan chipeket (dies). A chipeket mikrohuzalozási technológiával vagy reflow forrasztással kötik be.
Az elektronikai szereléstechnológia fejlődése
18/28
RENDSZERSZINTŰ TOKOZÁSOK • TSV (Through Silicon Via) • Szilícium hordozón átmenő via kivezetők. • Rétegelés és 3D összeköttetések létesítése.
• WLP (Wafer Level Package) • Si szeleten BGA kivezetések készítése. • A szelet darabolása előtt már kivezetővel ellátott IC-k.
• CSP (Chip scale Package) • IPC, J-STD-012 szabvány szerinti értelmezés Under bump tokozott méret kisebb mint a chip 1,2-szerese. • Ha a végleges metallization & wiring
19/28
EGYÜTTLAMINÁLT TÖBBRÉTEGŰ LEMEZEK PROBLÉMÁI A MINIATÜRIZÁLÁSBAN • Az együttlaminálási techn. méretkorlátokat állít. • Továbbra is „Jel”, „PWR”, „GND” rétegek vannak. • A vezetékek, hidtávolságok, viák méretcsökkentése jelentősen elmaradt az alkatrészekétól. • Még minding az FR4 az alaphordozó (nagy dielektromos áll., nagy hőtágulási tényező, rossz hővezetés, stb.). • A működési frekvenciákon nem elhanyagolható az átmenő furatok kapacitása. • Korlátozott funkcionalitás. • Rétegszám emelkedésével magasabb ár jellemzi. Az új típusú IC-khez HDI kell. 20/28
TÖBBRÉTEGŰ ÉS HDI PANELEK ELTERJEDÉSE Built-up szekvenc [%]
Együttlaminált >16 Layer [%]
szingapúr; 2
szingapúr; 1
É-Amerika; 2 kina; 8
Japán; 28 É-Amerika; 35
Taiw an; 14
Japán; 52
Európa; 11
Korea; 13 kina; 6 Európa; 10
Korea; 11
Taiwan; 7
*2009 21/28
HDI ALAP STRUKTÚRÁI
Build-Up Alaphordozóra
Szekvenciális felépítésű
22/28
HDI BEÁGYAZOTT PASSZÍV ELEMEKKEL Mikro-via kondenzátorhoz Mikro-via kondenzátorhoz Beágyazott kondenzátor Kondenzátor elektróda
Ellenállás réteg Hozzávezetés átmenő viához
Mikro-via ellenálláshoz
23/28
HDI TÖBBRÉTEGŰ IRÁNYZATOK Négy fő típus létezik: • Hordozó és elosztó rétegek. • Modulok. • Hordozható elektronika • Magas minőség jellemzők.
24/28
HDI TÖBBRÉTEGŰ IRÁNYZATOK • Hordozó és elosztó réteg technológia: • Flip-chip, vagy mikro huzal bekötésekhez • Mikrovia lehetőségek sűrű I/O chip-ekhez (flip-chip) • 2 mil (50 µm) vezeték, 3 mil (75 µm) távolság
• Modulok: • Szekvenciálisan felépítet többrétegű poliimid hordozó. • 3 mil (75 µm) vezeték, 3 mil (75 µm) távolság, 10 mil-es (254 µm x254 µm) kontaktus felület (pad) méret. • Viák az alkatrészek kontaktus felületein helyezkednek el. • Flip-Chip, CSP, Mikro huzal bekötések • Diszkrét alkatrészek (esetleg beágyazott), 0201, 0101
25/28
HDI TÖBBRÉTEGŰ IRÁNYZATOK • Hordozható elektronikai alkalmazásokhoz: • Vezető szerep a HDI fejlesztésekben. • µBGA, flip-chip alkatrészek
• Magas minőségi jellemzők: • • • • •
nagy rétegszámú panelekhez, sok kivezető, kis raszter távolságú alkatrészek, µBGA alkatrészek, pl. repülőgép vezérlő 26/28
HDI ANYAGVÁLASZTÉK HDI Alapanyagok
• ABFilm (Ajinomoto Build-up Film) • Aramid • BT (Bismaleimide/Triazine) • Hagyományos Pre-preg • Epoxy • Fényérzékeny film • Lézer fúrt Pre-preg • Poliimid • RCC (Resist Coated Copper) • Egyéb
AB Film; 5,0% Aramid; 0,4%
RCC; 28,3%
BT; 1,8% Hagyományos Pre-preg; 19,2%
Egyéb; 3,2% Poliimid; 0,3%
Lézer fúrt Prepreg; 38,4%
Epoxy; 3,3% Fényérzékeny film; 0,1%
27/28
HDI ANYAGVÁLASZTÉK ABFilm • Vékony dielektrikum 15-100 µm. • Epoxy-phenol keményítővel. Aramid (Thermount) • Már nem használják (2006 óta, drága, nedvszívó). • DuPont termék. • Stabil dielektromos állandójú. BT Bismaleimide/Triazine • Üvegesedési hőm>180°C. • Magas működési hőmérséklethez. 28/28
HDI ANYAGVÁLASZTÉK Pre-Preg • Üvegszál erősítés. • Keresztszövésű. Lézerrel fúrható Pre-Preg • Finomabb szövés. • A lézer számára homogén.
29/28
HDI VIA LEHTŐSÉGEK PCB
RCI a standard 8 rétegű PCB-hez hasonlítva
HDI
RCI – Relatív Költség Index, DEN – Sűrűség indikátor [I/O pin/inch2] 30/28
ELLENÖRZŐ KÉRDÉSEK • • • • •
Mik a HDI jellemzői? Mik a főbb fejlett rendszerszintű tokozások? Mik az együttlaminált többrétegű lemezek problémái? Milyen szigetelő anyagokat lehet használni HDI-hez? Vázoljon fel min 4 különböző via elrendezést.
31/28
