Moderní hardware. Konstrukce a technologie elektrických obvodů - pouzdření a propojování (1)

Moderní hardware Konstrukce a technologie elektrických obvodů pouzdření a propojování (1) Substráty, čipy, moderní pouzdra, funkční bloky, integrované systémy …

Obsah 1. 2. 3. 4. 5.

Úvod - opakování Substráty a čipy Pouzdření a propojování Parametry pouzdření Moderní typy pouzder (CSP, MCM SiP , SOC … 3D … WLP atd.) 6. Přístup k pouzdření 7. Pouzdření a legislativa 8. Závěr 2

1 Úvod - hardware •

HARDWARE - (z anglického významu „železářské zboží“ nebo také „nářadí“, počítačový hardware je pak „computer hardware“) označuje veškeré fyzicky existující technické vybavení počítače na rozdíl od dat a programů (označovaných jako software).

•

vše co je uvnitř elektronického systému (PC) -

součástky (čipy) chladiče konektory, porty …

3

1 Úvod - PC hardware Hardware PC: 1. Monitor 2. Motherboard 3. CPU 4. RAM Memory 5. Další karty (grafika …) 6. Napájecí zdroj 7. Optická disková jednotka 8. Hard disk 9. Klávesnice 10. Myš Hardware is the computer peripherals and equipments. It is the devices that makes the computer systems works. The examples of hardware are mouse, monitor and CPU. 4

1 Úvod - úrovně pouzdření 1. úroveň - Propojení kontaktních plošek čipu k vývodům pouzdra 1,5. úroveň - Připojení čipu na hybridní integrovaný obvod, multičipový modul, připojení DCA,COB,WLP… 2. úroveň - Propojení pouzdra na nosný substrát (základní deska, rozšiřující karta) 3. úroveň - Propojení jednotlivých desek a rozšiřujících karet na systémovou desku 4. úroveň - Propojení mezi deskami ve skříňce zařízení (konektory např. BNC …) 5. úroveň - Propojení mezi jednotlivými systémovými skříňkami (systémové konektory např. Canon …)

Tři kroky v pouzdření:

1 - čip (funkční blok) po zapouzdření tvoří součástku (the device is packaged into a component), 2 - součástka je osazována (montována) na substráty (the component is mounted on the board), 3 - substráty jsou montovány do šasi (the board is installed into the subsystem chassis) MCM=Multi Chip Module, CSP=Chip Scale Package, SoP=System on Package,COB=Chip On Board,FCH=FlipChip.

Subsystem chasis

Singlechip COB package

Die

MCM, CSP, SOP

COB

6

Vývoj v mikroelektronických technologiích Mikroelektronické technologie řeší základní konstrukční část (hardware) elektronických systémů. Z hlediska výroby můžeme rozlišit tři následující oblasti: • polovodičové čipy (semiconductor chips), • pasivní součástky a konstrukční prvky (passive components), • montáž, pouzdření a propojování. (assembly, packaging and interconnection) BMTS, 2011-12

7

1 Úvod – rekapitulace hardware • Hardware: (co ho tvoří?) – nosné substráty (organické, anorganické) – aktivní součástky (polovodičové čipy) – pouzdra a spoje – pasivní součástky – konstrukční prvky (chladiče, konektory …)

Technologická integrace Návrh + konstrukce

(jak se tvoří?) - polovodičové technologie - vrstvové technologie + LTCC - technologie povrchové montáže - …..

Elektronický systém Materiály +

+

součástky

Websterův slovník – technologie je odvětví techniky, které se zabývá tvorbou, zaváděním a zdokonalování výrobních postupů – aplikovaná věda přeměny materiálů….

Procesy

Normy – jakost a životní prostředí

technologie

8

1 Úvod – vývoj pouzdření • -

Původní pohled na pouzdření rozlišoval následující typy: Plastová pouzdra termosetová, Keramická pouzdra z vysokoteplotních materiálů, Kovová pouzdra se skleněnými zátavami.

•

V současné době převládají pouzdra která umožňují kompaktní, miniaturní provedení. To umožňují nové materiály - laminovaná keramika, plasty a také anorganické materiály. Ty tvoří nosný substrát obvodu nebo elektronického systému, do něhož je integrována propojovací síť a vývody, případně další pasivní prvky.

•

Mnohem důležitější je komplexní pohled na provedení pouzdra (mikro)systému, které obsahuje tři základní technologické oblasti: -

•

Mikroelektronika a mikroelektromechanické systémy včetně opto a vf, (Microelectronics, Photonics, MEMS and RF devices), Systémové inženýrství (System Engineering), Systémové pouzdření (System Packaging).

Příkladem je mikroprocesor v PC, který je dnes vlastně sub-produktem protože zajišťuje částečnou funkci systému, limitovanou stupněm integrace na úrovni IO a 9 přitom neřeší konečné provedení včetně pouzdření.

1 Úvod – typy pouzder Původní pohled na pouzdření rozlišoval následující typy: Plastová pouzdra termosetová, SIP

DIL, DIP

-

Keramická pouzdra z vysokoteplotních materiálů,

PGA

-

C-DIP

Kovová pouzdra se skleněnými zátavami.

TO-x

10

SIP DIP (DIL)

SO-J

QFP

SO-I

SO-G

PLCC, LCCC BGA

PGA

Dual-Cavity PGA (MCM) 11

1 Úvod – vývoj pouzdření •

Dnes začínají převládat pouzdra která umožňují kompaktní, miniaturní provedení. To umožňuje laminovaná keramika, plastové materiály a také anorganické materiály. Tyto tvoří vlastní nosný substrát obvodu nebo elektronického systému, do něhož je integrována také propojovací síť a vývodový systém, případně další pasivní prvky. Vývody mohou být ve tvaru pinů, kontaktních plošek nebo bradavkových (kuličkových) vývodů.

QFP ~ BGA QFP vs. CSP

12

Úvod – vývoj v pouzdření MCM

Obsah 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

Úvod Substráty a čipy Pouzdření a propojování Parametry pouzdření Moderní typy pouzder (CSP, MCM SiP , SOC … 3D … WLP atd.) Přístup k pouzdření Pouzdření a legislativa Závěr

14

2 Substrát – základ pro pouzdření Základní částí integrovaných obvodů a systémů jsou nosné podložky (substráty), které musí splnit následující požadavky: • • • • • • • •

vytvořit nosič pasivních, aktivních a konstrukčních prvků vytvořit propojení čipu do systému zajistit izolaci mezi jednotlivými prvky odvádět teplo z obvodu mechanicky chránit celý systém splňovat elektrické požadavky (stínění, stabilita atd.) být chemicky odolný vzhledem k prostředí případně tvořit aktivní část obvodu či systému 15

2 Substrát – základ pro pouzdření Materiály pro substráty rozdělujeme do tří základních skupin, kterými jsou: • polovodičové materiály (Si, GaAs….) • organické materiály (epoxydové, fenolycké, polyimidové…. polymery) • anorganické ( keramika Al2O3, AlN, skla….) 16

Si

•

Výskyt Je druhým nejrozšířenějším prvkem zemské kůry, vyskytuje se pouze ve sloučeninách s oxidačním číslem IV. Jako oxid křemičitý je součástí křemene (písek břehů řek a pouští).

•

Vlastnosti Elementární křemík je podle podmínek přípravy hnědý prášek nebo temně šedá krystalická látka. Má diamantovou strukturu. Je velmi málo reaktivní, s ostatními prvky se slučuje jen za vysokých teplot. Křemík je polovodič.

Je rozpustný v horkých roztocích alkalických hydroxidů:

Si + 2 NaOH + H2O Na2SiO3+ 2 H2

Vlastnosti:

εr=16.0

μelek=3790cm2/V.s

μděr=1780cm2/V.s 17

GaAs- galiumarzenid • •

• • • •

Asi 6x větší pohyblivost elektronů než Si a téměř 2x vyšší maximální driftová rychlost. Kratší průletová doba polovodičem - možnost pracovat na vyšších kmitočtech (na stejném kmitočtu může mít prvek GaAs větší rozměry, tj. může zpracovávat větší výkony), geometricky stejné prvky z GaAs a Si mají poměr mezních kmitočtů 4:1 - nižší hodnota sériového odporu, lepší šumové vlastnosti aktivních prvků GaAs Větší šířka zakázaného pásma GaAs (1.43eV) než Si (1.12eV): Možnost práce při vyšších teplotách, vyšší zpracovávané výkony Možnost společné integrace s optoelektrickými prvky (polovodičové lasery, LED), nové optoelektronické integrované obvody(OEIO) Možnost vytváření velmi tenkých heterostruktur (AlGaAs, GaInAs, GaInPAs, apod.)tloušťka několik atomů

- Drahý výchozí materiál (galium)- odpad při výrobě hliníku - Velmi drahá a složitá technologie (nelze využít technologii Si) - Obtížné vytváření kvalitního kysličníku na povrchu GaAs - Asi 3x menší tepelná vodivost GaAs (0.46W/cmK) než u Si (1.41W/cmK) - Špatný odvod tepla (potíže s integrací výkonových prvků)

Vlastnosti: εr=12.9,

μelek=8550cm2/V.s,

μděr=400cm2/V.s,

18

Organické substráty Existuje celá řada materiálů, z nichž každý se vyznačuje určitými specifickými vlastnostmi. Patří mezi ně kromě FR-2, 3.4 také jeden z nejdražších, ale nejkvalitnějších materiálů FR-5, ze skupiny laminátů vytvrzovaných epoxidovou pryskyřicí, vyznačující se vysokou tepelnou odolností (v teplotě 150 oC si zachovává po dobu minimálně 1 h 50% pevnost v ohybu). Tabulka II: Vlastnosti organických substrátů _______________________________________________________________________________ Parametr / Materiál FR-2 FR-3 FR-4 _______________________________________________________________________________ • Permitivita (1 MHz) 4,5 4,6 4,9 • Elektrická pevnost (kV. mm-1) 60 - 70 60 - 65 35 - 65 -1 -1 -1 • Tepelná vodivost (J.s .m .K ) 0,24 0,23 0,25 -1 • Součinitel teplotní roztažnosti ( ppm . K ) 11 13 11 • •

Adsorpce vlhkosti (%) Pevnost v tahu (MPa . mm2)

0,8 88

0,75 83

0,35 280 19

Anorganické substráty •

Hlavním důvodem pro použití keramických substrátů jsou vyšší nároky na spolehlivost realizovaného obvodu nebo jeho části. To souvisí s konkrétní aplikací (lékařství, letecký a kosmický průmysl, automobilový průmysl a pod.), nebo přímo vychází z požadavků na požadované vlastnosti obvodu (výkonové zatížení, mikrovlnné aplikace, nutnost dodatečného dostavování jmenovité hodnoty rezistorů tzv. aktivním trimováním a pod.). Tabulka I : Vlastnosti anorganických substrátů

Parametr / Materiál 96 % Al2O3 99,5 % Al2O3 ) 99 % BeO ) AlN _____________________________________________________________________________ 35 37 250 170 Tepelná vodivost (J.s-1.m-1.K-1) Součinitel teplotní roztažnosti ( ppm . K-1) Elektrická pevnost (kV. mm-1) Měrný odpor ( . mm) Tangenta ztrátového činitele (%) 100 MHz Relativní permitivita r

6,4

6,6

5

4,5

8

9

14

12

7. 10 13

7. 10 13

10 14

 1013

0,55

0,08

0,04

7 - 20

9

10

6,6

9 - 10

) používá se pro tenkovrstvé obvody ) toxický keramický materiál používaný v omezené míře pro výkonové aplikace

20

Obsah 1. 2. 3. 4. 5.

Úvod Substráty a čipy Pouzdření a propojování Parametry pouzdření Moderní typy pouzder (CSP, MCM SiP , SOC … 3D … WLP atd.) 6. Přístup k pouzdření 7. Pouzdření a legislativa 8. Závěr 21

3 Vývoj čipů a pouzdření

22

3 Různé požadavky na pouzdra obvody ASIC pracují s kmitočtem několika set MHz, přičemž požadovaný počet vývodů je běžně až několik set

mikroprocesory vyžadují pouzdra s počtem vývodů až několik tisíc, které musí vyhovovat co nejvyšším pracovním kmitočtům, řádově až GHz 300 500 1000

paměti ROM a DRAM , kde požadavky stále rostou

cache paměti pracují na stejných kmitočtech jako mikroprocesory 23

3 Struktura pouzdření a propojování Pouzdření a propojování = Packaging and Interconnection

Chemické, fyzikální, matematické inženýrství

Výrobní a průmyslové inženýrství

Elektrická analýza a testování Spolehlivost, výkon, cena, poptávka/načas o-vání,výnosy…

Trhová analýza

Mechanická analýza a testování Teplotní analýza a testování

Stále rostoucí pracovní kmitočet vyžaduje věnovat zvýšenou pozornost také způsobu vedení signálu s čímž souvisí provedení vodivých cest (propojení).

24

3 Požadavky na pouzdření • Elektronické pouzdření všeobecně: Ochrana a propojení integrovaného obvodu do elektronického systému • Moderní pouzdření musí zajišťovat: – Ochranu obvodu (mechanickou, environmentální, EMC…) – Odvod tepla – Distribuci a nezkreslený přenos signálu – Distribuci elektrické energie (napájení) – Vyrobitelnost, manipulovatelnost a provozuschopnost 25

3 Pouzdření – rozměr pouzdra vs. počet vývodů

Obr. : Počet vývodů vs. Rozměr pouzdra

26

3 Vývoj pouzder

Obr.: Pouzdra SO, PLCC, QFP

27

3 Obecný vývoj pouzdření

Trend vývoje pouzder

28

3 Tři vývojové tendence v pouzdření

29

Pouzdra SMD

Obr.13: Pouzdra Small Outline

30

Pouzdra SMD

Obr.12: Plastová pouzdra pro povrchovou montáž

31

Pouzdra QFP - standardizace

Obr.: Sjednocení rozměrů u pouzder QFP

32

JEDEC vs. EIAJ • Joint Electron Device Engineering Council • Electronic Industries Association of Japan

WWW.ALLDATASHEET.COM

MQFP/QFP fy Amkor

34

Pouzdra CC (chip carrier) – QFN …

Počet vývodů 18 24 40 64

Poměr nejdelšího vývodu k nejkratšímu CC : DIL 1 : 2 1 : 4 1 : 5 1 : 6

(a)

Pokovení

(b)

(c)

CC

DIL

Obr.14: Pouzdro CC a jeho přednosti vs. DIL 35

Pouzdra BGA Plastová

Keramická

Vývody ve tvaru bumpů (kuliček) jsou uspořádány na spodní straně pouzdra. Na horní straně je kavita, do které se montuje čip (bare nebo FCH). Potom se tento čip pouzdří víčkem nebo zalitím termoplastickým materiálem. vodivé lepidlo

kulové vývody vícevrstvá DPS

termokomp. Au spoje čipy

1.2 mm

0.5 mm

1.1 - 1.5 mm

FR 4 SnPb s 2% Ag eutektická pájka podhled

epoxy (překrytí)

Obr. : Pouzdro BGA s kulovými vývody

nepájivá maska 36

PBGA Typické použití: - mikroprocesory - grafika, DSOP - PC a síťové aplikace

37

3 Provedení vývodů pouzder

Al

Si

Flip Chip

Metalizace (UBM) Pasivace

Vývod

Substrát a)

b) Vývody J-lead, Gull wing a kulové 38

3 Tvary vývodů pouzder

Obr.11: Vývody po zapájení

39

3 Koplanarita vývodů pouzder Počet souč. [ ks ] 100

pouzdro

80

0,1  0,05 mm - s o (“stand off”)

0,15 mm

60 vývody

koplanarita ko 0,8 mm

40 20 0 10 20 30 40 50 60 70 [ m] ko

Obr.8: Měření koplanarity (rovinnosti) vývodů

40

Speciální typy pouzder http://www.radio-electronics.com/info/data/smt/smt_packages.php http://www.aseglobal.com/content/1-9.htm

Obsah 1. 2. 3. 4. 5.

Úvod Substráty a čipy Pouzdření a propojování Parametry pouzdření Moderní typy pouzder (CSP, MCM SiP , SOC … 3D … WLP atd.) 6. Přístup k pouzdření 7. Pouzdření a legislativa 8. Závěr 42

4 Pouzdření - parametry Vzhledem k velké variabilnosti při realizaci multičipových pouzder je třeba hodnotit jednotlivá provedení podle určitých kritérií. Ty vyjadřují do jisté míry vlastnosti z hlediska finálního použití, mezi něž patří především : • • • •

A. B. C. D.

Efektivnost pouzdření. Rychlost (výpočetní výkon). Spolehlivost. Cena. 43

Efektivita pouzdření závisí na rozmístění čipů v pouzdru, jež může být i trojrozměrné; je definována následujícím způsobem: celková aktivní plocha čipů efektivita pouzdření EFP =

------------------------------------

celková plocha multičipového modulu (pouzdra) 44

Rychlost Rychlost se vyjadřuje z pohledu výpočetních systémů, pro něž jsou multičipové moduly určeny především, jako fiktivní elektrická výkonnost . Vyjadřuje se v MIPS (milion instrukcí za sekundu) a je určena délkou cyklu a počtem cyklů na instrukci následovně :

Výpočetní výkon MIPS (GIPS) = 10-6

= ---------------------------------------------------------------------------(délka strojového cyklu) x ( průměrný počet cyklů na instrukci)

45

Spolehlivost •

Nejdříve je nutné stanovit požadavky na spolehlivost systému: - provozní a neprovozní klimatické extrémy, přijatelná poruchovost a další požadavky. Na základě toho se rozhodne zda by se měla používat hermetická pouzdra nebo pouzdra plastová. •

•

Hermetická keramická pouzdra mají inherentně vyšší spolehlivost, než je tomu u pouzder plastových, avšak skutečný výkon je do té míry závislý na typu prvku, provozních podmínkách a specifických výrobních postupech, že je nemožné kvantifikovat tento rozdíl v obecném smyslu. Plastová pouzdra neposkytují účinnou bariéru proti vlhkosti, a tudíž je riziko koroze u spojů ve vlhkém prostředí větší. Následně lisovaná plastová pouzdra vyvíjejí mechanické deformační síly na čip a drátové přípoje během tepelných cyklů. Výsledkem je, že plastová pouzdra jsou obecně omezena na komerční provozní prostředí.

•

K provozu v extrémních teplotách nebo drsném prostředí se i nadále dává přednost pouzdrům hermetickým.

•

U moderních pouzder jsou vytvořeny předpoklady pro zvýšení spolehlivosti díky výraznému snížení počtu pájených spojů, odvodu tepla, hermetičnosti

•

Požadavky na spolehlivost musí být zohledněny již při vlastním návrhu, během výroby kontrolou a řízením jakosti a u konečného výrobku pak možností dostatečného testování 46

Cena •

Ke snížení nákladů přispívá minimalizace počtu spojů a jejich délky (úspora materiálů).

•

Jednotlivé kroky technologického procesu se příliš neliší, ať už se jedná o jednočipové nebo vícečipové provedení.

•

Výrazného zlepšení ve všech směrech lze dosáhnout použitím nepouzdřených čipů a polovodičů v provedení Bare Die, Flip Chip a WLP 47

Obsah 1. 2. 3. 4. 5.

Úvod Substráty a čipy Pouzdření a propojování Parametry pouzdření Moderní typy pouzder (CSP, MCM, SiP , SOC … 3D … WLP atd.) 6. Přístup k pouzdření 7. Pouzdření a legislativa 8. Závěr 48

5 Moderní typy pouzder Polymer WLCSP

FC BGA

WLCSP Bumping

COS BGA

W/B BGA

LBGA

TFBGA

VFBGA

(mini BGA)

TQFP

P-QFN

QFN

BCC

S-QFN

LQFP SSOP

W/B LF

PLCC QFP

Enhanced SOJ QFP

TSOP

SOP

P-DIP

‘90

‘91

‘92

‘93

‘94

‘95

‘96

‘97

‘98

‘99

‘00

‘01

‘02

‘03

‘04

‘05

49

Chip Scale Package (CSP) •

Chip Scale Package, nebo také CSP jsou založené na normě IPC/JEDEC JSTD-012. Připojení na substrát musí být kompatibilní s povrchovou montáží a velikost pouzdra nesmí přesáhnout 1,2 násobek velikosti čipu.

50

CSP Wire bonding

Obr.: Pouzdra Chip Scale Package

Flip Chip

51

CSP výhody a nevýhody •

Chip Scale Packages není nový typ montážní technologie, ale nový typ pouzdření SMD • Pasivní součástky okolo čipu musí být také zmenšeny (rezistory, kondenzátory) aby byl efekt významný Výhody: • CSP je jediný způsob, jak realizovat „všudypřítomnou“ řídící a výpočetní techniku v malých rozměrech • Další zlepšení rychlosti Nevýhody: • Obtížná výroba • Není zcela prokázána dlouhodobá teplotní spolehlivost • Není opravitelné 52

3D pouzdra a struktury

•

je vytvořeno spojením keramických AlN substrátů, kde každý modul je hermeticky zapouzdřen a propojení je provedeno několika vnějšími kulovými vývody přes distanční část pájením přetavením.

•

využívá hranové spoje na bočních úzkých stranách. Jednotlivé substráty mohou využívat obě strany a jsou elektricky propojeny bočním vodivým polem s pomocí pájených spojů. Takový modul může být dále připojen jak pájením, tak drátkovým propojením (wire bonding).

54

3D –hranové propojení

Obr.29

V prvém případě (vlevo) se jedná o spojení dvou FR-4 substrátů, v druhém (vpravo) pak o propojení FR-4 s keramikou. Pro vyrovnání rozdílu v koeficientech tepelné roztažnosti je použit FR-4 mezirámeček s hranovými spoji.

55

3D-CSP stacked pouzdra

Obr.17: Stacked CSP pouzdro 56

„Stacking“ čipů – wire bonded

57

2D pouzdra Package Family 2D In- Line

Characteristics Leads on one or two sides of package

Package Type SID, PDIP, CERDIP

Small Outline SO Leads on two or four sides, small body SOJ, SOP, TSOP Quad Surface Mount QFP Grid Array BGA

Leads on four sides package Larger package dimension High lead counts Pin or ball array placed on package body very high lead count

… MCM, CSP, ….. 3D

PLCC, PQFP, LDCC, CERQUAD PPGA, PLGA, PBGA CSP 58

MCM – multičipové moduly Multičipové pouzdro musí splňovat následující funkce: - efektivně odvádět teplo ze všech použitých čipů. - pro zadanou obvodovou složitost poskytnout propojení mezi všemi čipy s co nejvyšší výkonností obvodu dostupnou na zvoleném typu substrátu. - poskytnout propojení vysoce vodivým kovem při dané propojovací hustotě tak, aby byla zachována co nejmenší vzdálenost mezi jednotlivými čipy. - poskytnout přívody signálů a napájení pro multičipový substrát. - poskytnout ochranu pro všechny čipy i samotný multičipový substrát. účinné a spolehlivé pouzdření efektivní odvod tepla ze všech čipů

malá vzdálenost mezi čipy

nízká dielektrická konstanta

velký počet vstupů a výstupů na čipu

vysoká propojovací hustota vysoká vodivost spojů

velký počet vstupů a výstupů multičipového modulu vysoká pracovní rychlost (frekvence)

MCM 20 čipů digitálních obvodů a 600 mikrodrátkových propojení (substrát 25 x 25 mm)

8 čipů analogových obvodů a 83 kondenzátorů. ( substrát 20 x 75 mm), 130 J leads

2D vs. 3D-MCM

chladič pouzdro odvádějící teplo

písty 2 tenké vrstvy pro redistribuci signálu

čipy

63 vrstev na keramickém substrátu MCM-CD technologie používaná firmou IBM

vstupní a výstupní vývody

61

Elektrická výkonnost je základním důvodem použití multičipového pouzdření. Výkonnost systému v MIPS (milionech instrukcí za sekundu) je určena dvěma základními parametry a to délkou cyklu (hardware) a počtem cyklů na instrukci (software). MIPS = 103 / ( délka cyklu x počet cyklů na instrukci )

MIPS GIPS Délka cyklu technologie pouzdření

čipy

struktura logiky

Počet cyklů na instrukci

MCM Typy a příklady multičipových technologií Jak už bylo naznačeno v předchozím textu, rozlišujeme tři základní multičipové technologie: • •

•

MCM-L - substrát je zhotoven z laminovaných desek (Laminat), podobných klasickým deskám plošných spojů. Polovodičové čipy jsou připojeny metodou flip-chip, TAB nebo drátovým kontaktováním. MCM-C - spoje jsou tvořeny tlustou vrstvou nanesenou sítotiskem na keramický substrát (Ceramic) a následným vypálením. Polovodičové čipy mohou být připojeny přímo metodou flip-chip, nebo nepřímo na předpouzdřených nosičích. MCM-D - spoje jsou tvořeny nanesenou (Deposited) tenkou vrstvou polymeru nebo kovu na substrátu. Polovodičové čipy se připojují podobně jako u MCM-C.

Různé typy pouzdření MCM __________________________________________________________________________________________

Parametr MCM-L MCM-C MCM-D PM ) ___________________________________________________________________________________ Objem (cm-3) 34,4 21,3 5,4 821 Hmotnost (g) 64,1 92,8 10,7 690 Zpoždění signálu (ps) 297/518 271/473 172/300 770/1344 (průměrné/maximální) Min. šířka spoje (µm) 80 100 25 Vzdálenost spojů (µm) 700 120 50 Cena (USD) 6193/4954 6788/5770 7176/4630 7094/3547 (1000ks/10000ks) __________________________________________________________________________________________ ) PM - povrchová montáž

64

SOP vs. SOC • SOC – Systém na čipu • •

Mikroelektronika se vyznačovala od dob kdy byl uveden na trh tranzistor snahou integrovat na čip co nejvíce prvků a tak vznikaly stále složitější integrované obvody. SOC je uspořádání, jež na čipu sdružuje jednotlivé funkční bloky systému (procesor, paměti, logické obvody atd.).

SOC má omezení: funkční (rychlost signálu na čipu vs. pouzdře - SiO2) engineering (cena, návrhové prostředky, time to market)

• SOP – Systém v pouzdře •

Převážná část dnešní přenosné elektroniky využívá multičipové řešení (MCM) v různém provedení, jež obyčejně integruje heterogenní součástky na společném propojovacím substrátu (procesor, paměti, logické obvody…) Zde je mezi SOP a SOC funkční identita 65

SOP

Obr. 35. Příklad pouzdra v provedení SOP

66

SOP GPS hodinky Casio

67

SiP Horizontal Placement Wire Bonding Type

Interposer Type Stacked Structure

Flip Chip Type

Wire Bonding + Wire Bonding Type Flip Chip Type

Flip Chip Type

Interposer-less Type Terminal Through Via Type

Embedded Structure

Chip (WLP) Embedded + Chip on Surface Type

3D Chip Embedded Type

WLP Embedded + Chip on Surface Type 68

3D konstrukce

69

Přímé připojení čipu na substrát - WLP

Obr. 33. WLP vs. Konvenční provedení 70

WLP

Technologický proces při výrobě WLP 71

WLP

Detail jednoho vývodu WLP

72

WLP process

73

Obsah 1. 2. 3. 4. 5.

Úvod Substráty a čipy Pouzdření a propojování Parametry pouzdření Moderní typy pouzder (CSP, MCM SiP , SOC … 3D … WLP atd.) 6. Přístup k pouzdření 7. Pouzdření a legislativa 8. Závěr 74

6. Přístup k pouzdření

SYSTÉM

IO

Limity pouzdření:

SOC

- Cena

SOP Pouzdřená součástka

Pouzdřený systém

- Provedení - Velikost

POUZDRO

- Spolehlivost

75

Jaké pouzdro použít ? Volba typu pouzdra Návrh, konstrukce (MCM, CSP, SoP …)

Simulace, Analýza Provedení pouzdra splňující požadavky

(FLOWMERICS, ANSYS, …) 76

Pasivní část pouzdra L Lm,Cm R L C

Z0,vp

R R C

C

L

L

77

Elektrické parametry

•

S rostoucím kmitočtem se začíná projevovat vliv parazitních parametrů, neboť délka vodičů je srovnatelná s délkou periody signálu. Potom takové uspořádání ztrácí charakter obvodu se soustředěnými parametry a projevuje se jako obvod s rozloženými parametry. Jevy jako je zpoždění signálu, charakteristická impedance spojená s typem spojů a parazitní reaktance, ovlivňují chování signálu. Dochází tak ke zkreslení a čas potřebný pro přenos signálu závisí na řadě dalších parametrů, které v případě chování se soustředěnými parametry nebylo třeba uvažovat. Proto stupeň zkreslení signálu a čas potřebný pro jeho přenos je funkcí propojovacích parametrů.

Obsah 1. 2. 3. 4. 5.

Úvod Substráty a čipy Pouzdření a propojování Parametry pouzdření Moderní typy pouzder (CSP, MCM SiP , SOC … 3D … WLP atd.) 6. Přístup k pouzdření 7. Pouzdření a legislativa 8. Závěr 79

7 Pouzdření a legislativa Pouzdření souvisí s legislativou z dvojího pohledu: •

materiály používanými pro pouzdra - krytí, odvod tepla, elektrické spojení …. keramika, plasty (polymery), kovy, pájky, lepidla …. Mají různý dopad na životní prostředí

•

pomocné materiály používané pro procesy – mytí, čištění, chemické reakce …. Voda, roztoky, chemické látky ….. Mají rovněž dopad na životní prostředí

-

materiály je třeba získávat ze surovin složitými procesy v průběhu pouzdření vznikají odpady po ukončení doby života vznikají odpady ….. 80

7 Pouzdření a legislativa Skutečnosti - vyloučení olova a dalších prvků (kadmium, rtuť, Cr6+, PBB, PBDE) •

• •

Na základě výzkumu materiálového inženýrství je patrné, že většina bezolovnatých pájek má více než 90% Sn. Důvodem je stávající materiálová báze a poměry ve složení používaných kovů vzhledem k dynamické smáčivosti v průběhu přetavení (reakce mezi zúčastněnými kovovými materiály při tvorbě slitiny). Byly navrženy různé složení bezolovnatých pájek. Každá z nich má výhody i nevýhody vycházející z jejich složení. Proto je žádoucí při výběru konkrétního typu pájky přihlížet ke konkrétnímu použití. Jako možný standard pro bezolovnaté pájky je pravděpodobné předpokládat slitinu SnAgCu, která se svými vlastnostmi nejvíce blíží slitině SnPb. Má dobré teplotní a mechanické vlastnosti a jen nepatrně vyšší bod tavení. S ohledem na přítomnost Ag je však cena poněkud vyšší.

Další zjištění • •

Legislativní omezení se týkají celé řady dalších materiálů, jako jsou tlustovrstvé pasty, vodivá a nevodivá lepidla, různé typy skel atd. Stále významnější roli hraje čistota procesů, s kterou souvisí také konečná čistota obvodů. Vzhledem ke stále menším rozměrům je to důležité i pro spolehlivost a životnost výrobků. 81

Legislativa a směrnice EU

§ EuP

WEEE

EuP

CE

RoHS

82

Směrnice vydané Evropským Parlamentem • RoHS 2002/95/EC • WEEE 2002/96/EC • EuP 2005/32/EC (92/42/EEC) jsou závazné pro všechny členské státy EU a jsou známy od jejich schválení v roce 2006. • Tyto směrnice sledují zajištění zdravého životního prostředí a tím i budoucnosti lidstva (tzv. Green Future), na čemž se podílí nemalou měrou také zavedení bezolovnatého pájení.

83

EuP • "Energy using Products (EuP)" - směrnice je základem pro konstrukci nových výrobků budoucnosti (Directive 2005/32/EC - Directive 2009/125/EC ) Eco Design

• Sjednocuje zákony EU v souladu s označením CE • Výrobky v EU označované jako ekologické mají předpoklad splnit i požadavky EuP

84

Obsah 1. 2. 3. 4. 5.

Úvod Substráty a čipy Pouzdření a propojování Parametry pouzdření Moderní typy pouzder (CSP, MCM SiP , SOC … 3D … WLP atd.) 6. Přístup k pouzdření 7. Pouzdření a legislativa 8. Závěr 85

8. Závěr • Moderní

pouzdra polovodičových čipů se budou svou velikostí stále více přibližovat vlastní velikosti čipů.

• Integrace systému složeného z několika funkčních bloků bude směřovat do jediného substrátu - SOP. Přitom musí být řešeny elektrické, mechanické, tepelné a ostatní požadavky. • Pokud

bude celý systém na čipu, bude se jednat o SOC.

• SOC

nebo SOP bude pájeny přetavením na nosný substrát (modul) nebo motherboard tvořící základní součást celého systému.

• Nové

materiály ve spojení s technologickými postupy budou nacházet nová uplatnění (TV, TLV, LTCC, CVD a další) a budou vznikat nové konstrukční principy (MCM, CSP, Flip-chip, WLP atd.). 86

8. Závěr

Cíl: realizovat součástky přímo do objemu substrátu 87

Kontrolní otázky 1) Co je to hardware, jeho hierarchie a technologie 2) Jaké jsou úrovně pouzdření a jejich příklady 3) Co se skrývá pod pojmem technologická integrace 4) Vyjmenujte alespoň 6 typů pouzder mezi DIL a CSP 5) Srovnejte organický, anorganický a křemíkový substrát 6) Provedení a tvary vývodů pouzder a jejich koplanarita 7) Pouzdra v provedení SMD (SO, QFP, QFN, BGA) 8) Rozdělení pouzder 3D dle konstrukce a provedení (CSP, SiP/SoP, SoC) 9) Tři typy technologického řešení 3D pouzder 10) Princip pouzder WLP 11) Jak souvisí pouzdření a legislativa ? 88