Základy návrhu elektrických pouzder (7) Teplotní management návrhu elektronických systémů

Základy návrhu elektrických pouzder (7) Teplotní management návrhu elektronických systémů

Obsah • • • • • • • •

Úvod a vymezení pojmů Šíření a vedení tepla – teplotní management Teplotní součinitel roztažnosti Trendy v pouzdření elektronických obvodů Zásady volby a návrhu pouzder Spolehlivost pouzder nové generace Modelování a simulace Závěr 2

Úvod • Každý elektronický systém se vyznačuje určitou spotřebou energie. Průvodním jevem je přitom přeměna elektrické energie na energii tepelnou, což znamená, že veškeré elektronické systémy a zařízení jsou ovlivňovány teplem • To způsobuje z hlediska vlastní funkce systému změnu pracovních podmínek, a s tím také změnu parametrů • Projevem působení tepelné energie je ohřev zařízení a zvýšení jejich teploty. Teplo je generováno: - pasivními prvky (rezistory, kondenzátory atd.), kde vzniká jako vedlejší projev průchodu elektrického proudu (náboje) látkou, nebo jako důsledek polarizačních mechanismů, - aktivními prvky, kde jsou jeho zdrojem zejména polovodičové přechody

3

Co je to pouzdření Elektronické pouzdření (pouzdro) je definováno jako “veškeré části elektronického systému s výjimkou integrovaných obvodů (čipů)”. Samotný elektronický systém může být např. PC, laptop, server, ale také zařízení spotřební elektroniky, automobilového průmyslu, spotřebiče, průmyslové přístroje, lékařská elektronika atd. Typický hardware náležející k elektronickému pouzdru zahrnuje substráty (PCB, keramické), veškeré nosiče čipů (chip carriers), konektory, kabely, výkonové zdroje a součástky, ventilátory a větráky, a také kryty, chassis, skříně atd.

Pouzdření se netýká jen samotného pouzdra, ale i technologických procesů výroby elektronického systému (od součástek přes vlastní konstrukční řešení a využívání v návaznosti na legislativu).

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 5. úroveň - Propojení mezi jednotlivými systémovými skříňkami

Obsah • • • • • • • •

Úvod a vymezení pojmů Šíření a vedení tepla – teplotní management Teplotní součinitel roztažnosti Trendy v pouzdření elektronických obvodů Zásady volby a návrhu pouzder Spolehlivost pouzder nové generace Modelování a simulace Závěr

Tepelný management – základ pouzdření •

Technicky řečeno teplota je míra průměrné molekulární kinetické energie v hmotě. Normálně proudí kinetická energie z místa s vyšší teplotou směrem do místa s nižší teplotou. Tento tepelný tok je nazýván přenos tepla (heat transfer).

•

Proudový tok nebo alternativní elektromagnetické pole způsobuje ve všech elektronických součástkách výkonovou ztrátu, v jejímž důsledku dochází k nárůstu teploty. To ovlivňuje spolehlivost a životnost součástek, jež jsou přímo závislé na tepelném namáhání.

•

Při určité teplotě dochází k nevratnému zničení každé elektronické součástky (typická hodnota maximální pracovní teploty je proto omezena a může být pro polovodičové přechody 150-175 oC, kapacitory 85-125 oC, magnetické materiály 125-300 oC …)

•

Tepelný management a teplotní analýza jsou dnes základní a nedílnou součástí elektronického návrhu.

Teplo a teplota • Teplo je obecně druhem energie, která v elektronických systémech vzniká ztrátami z energie elektrické, jíž je zařízení napájeno, a proto je na něj nahlíženo jako na ztrátový výkon. • Teplota komponent má vliv na celou řadu faktorů (např. na stárnutí a tedy na životnost a degradaci materiálů), které ovlivňují spolehlivost funkce součástek a s tím také celkovou spolehlivost elektronického systému. Změna teploty celého funkčního zařízení a zejména jednotlivých prvků sebou přináší řadu průvodních dějů, jejichž následky se mohou projevit jako: - změny parametrů obvodových prvků (velikost odporu rezistoru, zesílení tranzistoru, změna pracovního bodu zesilovače,...), - vznik termomechanického namáhání pevných spojů (např. vznik pnutí v pájených spojích mezi součástkami a substrátem), - zvýšení pravděpodobnosti vzniku chybné funkce nebo chybového signálu v polovodičovém prvku tepelnou generací nosičů a pod. …

8

Úvod Trend ve výrobě elektronických systémů je stálé snižování rozměrů a zvyšování výkonu - stále vyšší úroveň integrace (více součástek). Obecně v elektronických obvodech platí: s nárůstem pracovního kmitočtu se zvyšuje i počet spínání polovodičových přechodů na čipu, a s tím dochází i k růstu ztrátového výkonu, který se rozptyluje do okolí. Ztrátový výkon lze obecně vyjádřit následujícím vztahem : 2

CV P f 2

kde

P C V f

je ztrátový výkon (W) je vstupní kapacita (F) je spínané napětí (V) je spínaný kmitočet (Hz)

Jak je ze vztahu patrné, snížení vstupní kapacity a zmenšení rozdílu spínaného napětí přispívá k redukci ztrátového tepla generovaného polovodičovou součástkou. To je jeden z důvodů proč nové generace polovodičových součástek mají stále nižší vstupní kapacity, a rovněž spínané napětí odvozené z napájecího napětí se snižuje z dříve typické hodnoty 5V směrem k hodnotě blížící se 1V. 9

Šíření tepla Elektronické součástky jsou ochlazovány přirozeným odvodem tepla, které nastává v důsledku uplatnění principů přenosu tepelné energie. Základní způsoby sdílení tepla jsou: • vedení, • proudění, • vyzařování. Odvod tepla může být dále podpořen prvky jako jsou pasivní chladiče, nebo je použita některá z metod nuceného chlazení za pomocí mechanických větráků či termoelektrického (Peltierova) chladiče.

10

Vedení tepla •

Mírou tepelné vodivosti látek je součinitel tepelné vodivosti λ. Udává číselné množství tepla, které projde za jednotku času krychlí o jednotkové hraně mezi dvěmi protilehlými stěnami, mezi nimiž je teplotní rozdíl 1oK (oC). Jednotkou je [λ] = J.m-1.s1.K-1 = W.m-1.K-1.

•

Sdílení tepla vedením je popsáno Fourierovým zákonem, který vyjadřuje to, že plošná hustota tepelného toku je úměrná teplotnímu gradientu a součiniteli tepelné vodivosti a směřuje proti gradientu:

 q     gradT

•

Úpravou Fourierova zákona pro jednorozměrný případ a zanedbáním tepelné kapacity materiálu získáme vztah:

T    A d

kde Ф je tepelný tok prošlý plochou A (W) λ je součinitel tepelné vodivosti (W.m-1.K-1) A je plocha kolmá k tepelnému toku (m2) ∆T je rozdíl teplot (K; oC) d je vzdálenost míst rozdílné teploty (m)

11

Teorie přenosu tepla

Znázornění přenosu tepelné energie z elektronické součástky do okolí Ve skutečnosti se tyto mechanismy uplatňují společně a k ochlazování elektronických součástek dochází současně vedením (odvodem tepla pevnou částí například do substrátu), prouděním (tepelným tokem proudícího vzduchu v okolí pouzdra, substrátu bez nebo s použitím ventilátoru) a vyzařováním energie z povrchu pouzdra do okolí. 12

Náhradní tepelný obvod •

Náhradní tepelný odporový obvod představuje statický (dynamický) model přenosu tepla v součástkách a elektronických systémech. Může být velmi dobře využit například pro modelování chlazení elektronických součástek a pro určení možného maximálního výkonového zatížení.

•

Tepelný obvod se soustředěnými parametry přiřazenými obvodovým prvkům získáme na základě fiktivního rozdělení objektu na konečné množství sekcí. Jednotlivé sekce jsou nahrazeny obvodovými prvky a cesty sdílení tepla mezi nimi vzájemným spojením prvků. Prvkům obvodu se přiřazují tepelné odpory, tepelné kapacity (dynamický model), zdroje teploty a zdroje tepelného toku.

•

Výpočet těchto parametrů obvodových prvků přiřazeným sekcím probíhá na základě vlastností látky příslušné sekce a fyzikálního děje v ní uplatňovaného. Tepelné odpory je možné přiřadit i nedokonale tepelně vodivým cestám v objektu i mezi objekty a okolím. Větvemi tepelného obvodu teče tepelný tok, v uzlech obvodu je teplota a na uzlových párech oteplení.

•

Obvod je matematicky popsán systémem diferenciálních rovnic a pro řešení statického problému je postačující popis systémem algebraických 13 rovnic.

Náhradní tepelný obvod V náhradních obvodech se vyskytují obvodové prvky popsané odpovídajícími tepelnými veličinami, které jsou analogické veličinám elektrickým:

•

oteplení (teplotní rozdíl, spád) ∆T (K)

analogie rozdílu el. napětí

•

tepelný tok (výkon)

Φ (W)

analogie el. proudu

•

tepelný odpor

R (K.W-1)

analogie el. odporu

•

tepelná vodivost

(Wm-1.K-1)

analogie el. vodivosti

14

Náhradní tepelný obvod •

Na základě vztahů odvozených pro vedení v pevných látkách týkajících se fyzikální podstaty sdílení tepla můžeme vyjádřit obdobu Ohmova zákona pro tepelný obvod následovně:

T    R kde

•

ΔT je tepelný rozdíl, ΔT=T2 - T1 (K) Ф je tepelný tok (W) R je tepelný odpor (K.W-1)

Podobně pro tepelný odpor platí analogie s elektrickým odporem vycházející z geometrie segmentu a jeho materiálu:

d R A kde

R d l A

je tepelný odpor (K.W-1) je vzdálenost míst míst na nichž je tepelný rozdíl ∆T (m) je tepelná vodivost materiálu (Wm-1.K-1) je průřez plochy jimž prochází tok F (m2) 15

Analogie el. proud - teplo Náhradní obvod je odporová síť obsahující větve a uzly, které vytvářejí smyčky a uzlové dvojice. Uzel je bod sítě, v němž se stýkají obvodové prvky. Je na něm v určitém čase jen jedno oteplení. Větev náhradního obvodu je tepelně vodivá cesta mezi dvěma uzly. Zdroj tepelného toku mezi dvěma uzly nepředstavuje větev (přerušuje vodivou cestu). O uzlech a smyčkách platí podle teorie elektrických obvodů Kirchhoffovy zákony. Pro uzel platí I. Kirchhoffův zákon:

  0 Podobně pro nezávislou smyčku platí II. Kirchhoffův zákon:

 T   R    0 V náhradních obvodech se vyskytují obvodové prvky popsané odpovídajícími tepelnými veličinami, které jsou analogické veličinám elektrickým: oteplení (teplotní rozdíl, spád) tepelný tok (výkon) tepelný odpor tepelná vodivost

θT (K) analogie rozdílu el. napětí φ (W) analogie el. proudu R (K.W-1) analogie el. odporu λ (Wm-1.K-1) analogie el vodivosti

Tepelná charakteristika zapouzdřené součástky • • •

Náhradní tepelný obvod se skládá z jednotlivých tepelných odporů, které musí teplo vznikající na přechodech překonat na cestě do okolí. Teplo generované PN přechody se šíří polovodičovým čipem do pouzdra a z pouzdra do okolního prostředí. Tepelný tok se rozdělí na: - část procházející z pouzdřícího materiálu (epoxidová výplň, vzduch) přes vývody resp. vývodový systém do nosného substrátu (deska plošného spoje, keramika) a z něj dále do okolního vzduchu povrchem substrátu (přirozené, nucené proudění; vyzařování) a někdy podélným vedením substrátu do nosných kovových částí. - druhá část prochází z pouzdřícího materiálu do vlastního pouzdra a z něj přímo do okolí pomocí proudění (přirozené, nucené) a vyzařování, nebo přes chladič.

17

Tepelná charakteristika zapouzdřené součástky Obecně se u zapouzdřených součástek celkový tepelný odpor RJA (Chip-JunctionAmbient) skládá z tepelného odporu mezi čipem a pouzdrem RJC (Junction-Case) a odporu mezi pouzdrem a okolím RCA (Case-Ambient), jak je patrné z obr. Vliv chladiče vyjádřuje přídavný sériový odpor RTA.

Obecný tepelný odporový obvod pro chlazení polovodičové součástky modelované jediným tepelným odporem Rjc mezi přechodem a pouzdrem ( a- součástka bez chladiče, b- součástka s chladičem, c- výsledný model charakterizovaný jediným prvkem)

18

Ekvivalentní teplotní obvod Výrobci udávají teplotní rozdíl mezi čipem a pouzdrem RθJC a max teplotu Tjmax Max. teplotní rozdíl mezi přechodem a okolím = TJMAX − (TAMB + ∆THS).

závisí na typu pouzdra tepelný odpor spojení mezi pouzdrem a vývodem Q je výkon vyzářený souč. TJ je teplota přechodu TC je teplota na pouzdře TH je teplota na chladiči TAMB je teplota okolí RθJC je tepelný odpor přechod - pouzdro RθCH je tepelný odpor pouzdro - chladič RθHA je tepelný odpor chladiče

Tepelná charakteristika zapouzdřené součástky Flip chip n

d

20

Tepelná charakteristika zapouzdřené MCM součástky

Prvek cesty odvodu tepla

Materiál

Tepelná vodivost K[W/m.C]

Spoj

Epoxid

0.3

Spoj

Vodivý epoxid

2.0

Spoj

Pájka zlato-cín

180

Spoj

Hliník

200

Vývody čipu

Pájka

30

Vývody pouzdra

Slitina mědi

30

Vývody pouzdra

Slitina Fe/Ni

15

Prostor pouzdro -- substrát

Vzduch

0,024

21

Srovnání tepelného odporu u pouzder se stejnou hustotou propojování

Obsah • • • • • • • •


Koeficient teplotní roztažnosti - TCE Pro termomechanické namáhání obecně platí, že při změně teploty dochází ke změně rozměrů materiálů . Při zvýšení teploty dochází obecně k roztažení (prodloužení) materiálů a při snížení teploty pak k jejich smrštění (zkrácení). Mírou teplotní závislosti délkových rozměrů pevného tělesa je teplotní součinitel délkové roztažnosti a (K–1; oC-1), v anglické literatuře nazývaný TCE (Temperature Coefficient of Expansion), který je definován vztahem :

dl 1  , TCE   l 0 dT kde

dl je změna délky (m) l0 je délka tělesa při výchozí teplotě (m) dT je změna teploty (K; oC)

Průběh TCE není obecně v širokém rozsahu teplot lineární, zejména u polymerních materiálů dochází k velké změně hodnoty v oblasti teploty skelného přechodu (Tg), kde materiál přechází z elastického do sklovitého stavu. Například při přímém připojení holých čipů (DCA) na organické substráty je TCE součástky (křemíkový čip) 3 ppm/oC a TCE substrátu (FR4) 13 ppm/oC … 24

Koeficient teplotní roztažnosti - TCE Spojíme-li pevně dva různé materiály s různými koeficienty TCE a dojde-li ke změně jejich teploty, vzniká mechanické namáhání (v tahu i ve smyku resp. střihu), které působí na spoj. V elektronických obvodech a systémech se jedná zejména o mechanické namáhání pájených spojů aktivních i pasivních součástek pájených na substráty. To je způsobeno tou skutečností, že materiál součástky bývá rozdílný oproti materiálu substrátu. Potom může dojít ke vzniku prasklin či trhlin (mikrotrhlin) a jejich dalšímu narůstání v místě spoje nebo v okrajové oblasti substrátu či součástky. Takový spoj má odlišné mechanické i elektrické vlastnosti a může způsobit okamžitě, nebo za určitý čas provozu nefunkčnost obvodu. Mechanické napětí ve spoji je definováno Hookovým zákonem :

l   E   E  l kde

σ je mechanické napětí ve spoji (N. m-2) E je Youngův modul pružnosti v tahu (N. m-2, Pa) ε je poměrné prodloužení (-)

25

Hodnoty Youngova modulu • • • • • • • • • • • • • •

Material Rubber (small strain) PTFE (Teflon) Pine wood Aluminium Glass Kevlar Bronze Titanium (Ti) Titanium alloys Copper (Cu) Steel carbon nanotube Diamond (C)

GPa 0.01-0.1 0.5 8.963 69 50-90 70.5-112.4 100-125 105-120 117 200 1,000 1220

lbf/in² (psi) 1,500-15,000 75,000 1,300,000 10,000,000 17,000,000 16,000,000 15,000,000-17,500,000 17,000,000 29,000,000 145,000,000 150,000,000-175,000,000

Teplotní součinitel roztažnosti - TCE Poměrné prodloužení působící na spoj lze vyjádřit rozdílem změn délek spojených materiálů. Pro relativní prodloužení platí:

  (TCEC  TCE S )  T Kde 

je poměrné prodloužení,

TCEC je teplotní součinitel délkové roztažnosti součástky TCES je teplotní součinitel délkové roztažnosti substrátu T= T2 - T1 ; T2 - teplota okolí, T1 - pracovní teplota

27

Eliminování pnutí: •

Volbou vývodů (pnutí je redukováno pružností vývodu pouzdra).

•

Doplněním výztužného jádra v substrátu, které sníží TCE a zvýší tuhost substrátu.

•

Použitím výztužného rámu (interposer).

•

Optimálním návrhem plošek.

•

Volbou pájecí slitiny aj.

•

… dokonalým odvodem tepla

28

Materiálové hledisko volby pouzdra Materiály běžně používané v pouzdření mohou mít teplotní koeficient roztažnosti, který se liší až o dva řády. Cílem je vytvořit návrhy ve kterých tlaky nebo rázy nepřekročí provozní (dovolenou) mez, a to buď použitím materiálů s podobným koeficientem roztažnosti, nebo použitím měkkých (poddajných) prvků na rozhraní materiálů. Tři nejčastěji používané uspořádání jsou: 1. Vrstvy s odlišným koeficientem roztažnosti spojeny po celé délce (viz. Obr.a) - Vrstva IO spojená se substrátovou vrstvou - Vrstvy skelných vláken ve vrstvě pryskyřice b) - Vrstvy vodičů v dielektrických vrstvách - Substrát připevněný k pouzdru 2. Dvě struktury s různým CTE spojeny na koncích (viz. Obr.b) - Čip R/C připájen na substrát - Součástky připájeny do děr desky plošných spojů - Vývody SMT připájené na PWB - Kovové víčko přivařené ke keramickému pouzdru c) -Vývody tranzistoru připájené k substrátu 3. Struktura zapouzdřená v materiále s odlišným CTE (viz. Obr.c) - Slitina FeNi pájena v PTH - Obvody zapouzdřené v ochranném povrchu - Nosný rám v lisované směsi - Vývody v pájeném spoji 29

Obsah • • • • • • • •


Trendy v pouzdření •

Dlouhodobě proklamovaný trend -

•

Pouzdro je navrhováno specificky pro čipy a jejich aplikace

Nedostatek standardních tvarů a rozměrů - Např. urgentní pro paměti určené pro PoP stacking

•

Požadavek na velkou šířku pásma z hlediska nových procesorů - Vyžaduje 3D metody propojování (Bandwidth Bottleneck)

•

Některé čipy nelze použít pro určitý typ pouzder bez jejich re-designu - Objevují se nové přístupy ke způsobu návrhu čipů

•

Nízkoprofilová pouzdra (<1.2mm vysoká) se stávají normou - Požadavek pro mobilní telefony

•

Vývoj moderního pouzdření je hnán především všeobecnou potřebou redukce finální ceny systémů, před technologickými zlepšeními -

•

Rostoucí požadavky na provedení bez nárůstu ceny

Východoasijské firmy OSAT se zaměřují na vývoj pouzdřících technologií -

Primárním požadavkem je LOW COST (PacTech, Amkor ….)

TRENDY v POUZDŘENÍ •

– IC and Package co-design – CSP – Die Stacking, 3D Design – Embedding

IC je navrhován současně s variantami pouzdra – Simulace ICzahrnuje pouzdření a propojování • Změna pouzdra vyvolává změnu topologie čipu – Teplotní simulace pro čip/pouzdro (ANSYS, Flowmeric …) • Napomáhá optimalizovat výkonové ztráty • Optimalizuje I/O na aktuální propoje (impedanční přizpůsobení) – Optimalizace pouzdra a propojení čipu s ohledem na montáž do systému

•

– Direct die/wafer wafer/wafer bonding (WLP) – Optical Interconnect – System in Package (SiP) – Package on Package (PoP) – Plastic packages for high-power

•

– Effects of Regulation / Legislation •

Nové výkonové pouzdra s kavitou – Pro bázové stanice mobilních telefonů – Plast je Liquid Crystal Polymer (LCP) – Používají se také pro pouzdra MEMS – Jsou rovněž v provedení QFN package Ochrana výkonového IC nemusí být vždy hermetická

Aktuální vývoj pouzdření

Aktuální vývoj pouzdření

QFN or Quad Flat No leads package is an integrated circuit package used with surface mounted printed circuit boards. MicroLeadFrame (MLF) is a type of chip scale microchip package.

OSAT=Outsourced Semi Assembly & Test Outsourcing Semiconducter Assembly Tech

Flip Chip

Obr.24: Provedení Flip Chip

Flip chip – náhradní obvod elektrický

Obr.25: Náhradní elektrický obvod FCH

Flip Chip • Model je sestaven ze sériového a paralelního spojení několika pasivních prvků nahrazujících jednotlivé vlivy působící na cestě signálu, přičemž signál postupuje od zdroje k přijímači. Přitom prochází cestou k vývodu čipu přes odpor R výst, jenž se chová na výstupu jako C-L-C článek. Tento vyjadřuje právě vliv samotných vývodů na čipu. Čas pro přenos signálu, resp. čas který potřebuje signál na překonání vzdálenosti z čipu na další aktivní místo je přímo úměrný vzdálenosti a dán vztahem: tz  l ,εr, C, L, kde l je vzdálenost kterou musí signál překonat εr je permitivita vyjadřující vlastnost substrátu C, L jsou kapacita a indukčnost vývodů

Flip Chip náhradní obvod - tepelný

Obr.26: Náhradní tepelný obvod pro FCH

C a L pouzder •

Typický průměr kulových vývodů se pohybuje kolem 0,2 mm, což je oproti délce drátků přibližně 10x méně (Wire bonding  2,5 mm). Právě tato skutečnost výrazně ovlivňuje kapacitu a indukčnost vývodů, jak je patrné z tab.

Tabulka : Typické hodnoty kapacity a indukčnosti vývodů

Typ vývodu/pouzdra pF nH _____________________________________ SOIC 1 1 – 12 BGA 1 2 Wire Bonding 0,5 1 - 2 TAB 0,6 1 - 6 Flip Chip 0,1 0,01

Chip Scale Package CSP: • Velikost pouzdra nepřesahuje 1,5 násobek velikosti čipu. • Připojení na substrát je kompatibilní s povrchovou montáží. • Spojuje výhody přímého připojení čipu a klasické metody montáže čipů.

CSP + WLP

Vertikální propoje a různé průměry bumpů

Pouzdra s kulovými vývody (bumpy)

Zdroj:

HDI pouzdra Spojuje přímé kontaktování s velkokapacitním propojování (high-density interconnect). Schématicky je naznačen na obrázku 1. Holý čip vytvořený na Si substrátu je kontaktován na nosný substrát a na Si substrátu je dále připojeny další polovodičové prvky, jako jsou paměti apod. Tímto je vytvořena 3D struktura, která je kompaktní a má malé rozměry. VF část

pasivní prvky

DRAM,FLASH

Si podložka

propojení

nosný substrát

3D pouzdra •

Typické 3-D pouzdro se skládá z čipu DSP a paměti. Montáž provádí buď sám výrobce DSP nebo OEM. Typické je, že výrobce dělá DSP a koupí paměť a může provést pouzdření jak v SoP, tak i v PiP pouzdru. OEM koupí oboje, pouzdřené DSP a paměť a uspořádá je v PoP přímo na úrovni motherboardu. Výběr typu pouzdra je dán nejen použitou aplikací (footprinty, profil, cena), ale také koncepcí z hlediska použitých součástek, výrobní technologií a požadavkem koncového uživatele.

Moderní pouzdření - přehled

Zdroj:

Obsah • • • • • • • •

Úvod a vymezení pojmů Šíření a vedení tepla – teplotní management Teplotní součinitel roztažnosti Trendy v pouzdření elektronických obvodů Zásady volby a návrhu moderních pouzder Spolehlivost pouzder nové generace Modelování a simulace Závěr

Na jaké úrovni budeme pouzdřit ? • 1. úroveň - Propojení kontaktních plošek čipu k vývodům pouzdra • 1,5. úroveň - Připojení čipu na substrát (HIO, MCM, CSP , připojení DCA, COB, WLP… • 2. úroveň - Propojení pouzdra na nosný substrát (základní deska, rozšiřující karta)

Zásady návrhu elektronického systému •

Pro správnou volbu pouzdra je velmi důležité porozumět jak technickým tak ekonomickým (obchodním) požadavkům daného výrobku.

•

Po dlouhou dobu byla pozornost zaměřena pouze na čip. Prioritní snahou bylo vyrábět ho menší, rychlejší, výkonnější a efektivnější, a to vše za současného snižování nákladů a zvyšování efektivnosti. Výrobci polovodičů jednoduše navrhli IO a vložili jej do určitého typu pouzdra, jež mělo příslušnou velikost a tvar. Otestovali obvod a prodali jej.

•

Dnes je k dispozici velké množství pouzder IO. Konstruktér čipu i uživatel integrovaných obvodů musí mít znalosti o těchto pouzdrech předtím, než se rozhodne pro vhodný typ v závislosti na elektrických a tepelných požadavcích obvodu.

•

Tento nový přístup vyžaduje investice do nových návrhářských systémů a testovacích nástrojů a přehodnocení testovacích postupů a procesů.

Zásady návrhu elektronických systémů Výrobci zařízení a inženýři zabývající se pouzdřením musí řešit nejprve následující otázky: • • • •

Jak má být pouzdro navrženo (s ohledem na čip) Jak bude připojeno do obvodu (s ohledem na substrát) Jaká bude jeho testovatelnost (před i po montáži) Jaká je aplikace a jaké jsou požadované parametry (včetně spolehlivosti)

Důležitým faktorem při volbě pouzdra je rozhodnutí o umístění čipu (lead frame ?) příp. volba substrátu, který předurčuje nejvyšší hustotu a nejmenší rozměry vodivé sítě (organický, anorganický nebo pružný - ten však nezajistí stejné spolehlivostní výsledky jako tuhé substráty). (K dosažení optimálního řešení při narůstající hustotě musí výrobci čipů investovat do komplexnějších návrhů stejně jako do vysoce inteligentních prostředků na modelování teplotních a elektrických parametrů tak, aby byl čip přizpůsoben příslušným typům pouzder.)

Volba typu pouzdra Výběr a volba typu pouzdra pro danou aplikaci závisí na řadě faktorů, a to především na: • Výkonu spotřebovávaném na čipu • Požadovaných elektrických vlastnostech • Počtu vývodů čipu • Rozměru a váze elektronického systému • Typu použití

Elektrický návrh pouzdra • Primární elektrická funkce pouzdra je připojit různé vstupy a výstupy, nápájení atd. na čipu k vnějšímu okolí (do obvodu) • Přitom musí být zachována integrita signálu, tj. nesmí dojít k jeho zkreslení a ke generaci šumů • Musí být dosaženo přijatelné ceny pouzdra

Elektrický návrh pouzdra •

Pracovní kmitočet je jedním z výchozích parametrů který musí být respektován (1GHz)

•

Porozumění důvodů pro generaci nežádoucích signálů (šumů), především delta I šumu

•

Omezení kapacity spojů mezi čipy (je minimálně o řád vyšší než spojů na úrovni samotného čipu

•

Vyvarování se přeslechům mezi jednotlivými vodiči (z důvodů stále větší integrace obvodů dochází ke zkracování vzdáleností mezi jednotlivými vodiči a tyto se posléze začínají navzájem ovlivňovat)

Elektrický návrh pouzdra U 3D struktur je elektrický návrh veden ve dvou směrech, jež jsou zaměřeny na: • systém zajišťující přenos signálu • systém rozvodu napájení Např. v první řadě se zohledňuje systém rozvodu napájení, potom se následně provede obvodový návrh s použitím simulačních nástrojů, a jako poslední se realizuje vlastní návrh pouzdra obsahující polohu jednotlivých součástí a jejich vzájemné propojení.

Důvody pro optimalizaci pouzdra

Provedení pouzdra vs. Cena pouzdra

rozměry parametry jakost

Systémové pouzdření Parametry čipu - rozměr - výkon - rychlost - počet vývodů

Požadavky systému - provedení - cena - spolehlivost - rozměry

Výrobní aspekty - manipulace - koplanarita - pájitelnost - testovatelnost

Volba typu substrátu Základní rysy vývoje pouzder integrovaných obvodů můžeme shrnout do následujících bodů : • rostoucí počet vývodů od původně nejrozšířenějšího počtu 16 na 28, 40, 68, 160, 208 a více, • snižující se rozteč vývodů z 2,54 mm na 1,27 mm, a na 1 mm, 0,762 mm, 0,5 mm, 0,3 mm a méně, • náhrada původního materiálu vývodů (42 % Ni-ocel) materiálem (98 % Cu- SnPbNi) tepelná vodivost • možnost vkládání součástek do patic (především těch, jež se před vsazováním programují), • vznik velkého počtu různých typů pouzder, z nichž každé je vhodné pro určitý typ čipu a použití.

Systémová integrace … v budoucnu nutná

Application Environments Application Integration

Multi Chip Integration

Single Chip Integration

Requirements Technology

System Integration “Heterogenous Integration” SoC SoP More Moore Nanoelectronics  Microelectronics

Micro Systems

More than Moore (Nano) Electronics + Sensors & Actuators (e.g. Opto-/ Biotechnology)

Návrh substrátu – 9 hledisek Návrh se řídí určitými pravidly, která jsou sestavena tak, aby navržený substrát splňoval co nejvíce požadavků, mezi něž patří především: • nezkreslené zpracování signálu (minimální přeslechy, šum, zpoždění a odrazy) • elektromagnetická kompatibilita (vyloučení rušení, citlivost) • teplotní vlastnosti (schopnost zvládat rozdílné součinitele tepelné roztažnosti různých materiálů, ztrátový výkon a odvod tepla) • mechanické požadavky (síla, tuhost, ohebnost) • minimální spotřeba materiálu • výrobní kompatibilita (jednoduchá technologie výroby a úspora nákladů) • testovací kompatibilitu (snadnost testování, začlenění testovacích bloků) • klimatická odolnost (vlhkost, prach, atd.) • ekologie (výroby, provozu i likvidace).

Návrh substrátu NÁVRH OBVODU

parametry : OVĚŘENÍ NÁVRHU SIMULACÍ OBVODU SCHÉMA OBVODU

- relativní permitivita r, - tangenta ztrátového činitele tg

PRAVIDLA PRO NÁVRH OPTIMALIZACE

- izolační odpor Ri

NÁVRH SUBSTRÁTU (DPS) - VÝBĚR TVARU A VELIKOSTI¨ SUBSTRÁTU - ROZMÍSTĚNÍ SOUČÁSTEK - VYGENEROVÁNÍ TOPOLOGIE - KONTROLA NÁVRHU

INTEGRITA SIGNÁLU, EMC A TEPELNÁ ANALÝZA

VÝROBA PŘEDLOH

VÝROBA SUBSTRÁTU

TESTOVÁNÍ SUBSTRÁTU

Vlastní proces návrhu probíhá ve třech následujících krocích: - volba rozměrů a tvaru - způsob připojení (typ vývodů nebo konektorů) - výběr součástek a jejich rozmístění

Elektrické vlastnosti substrátu • Elektrické analogové a digitální signály jsou přenášeny vodivou sítí, která ovlivňuje šíření signálu, a tím také výsledné elektrické vlastnosti (Zo) • Spoje mohou být charakterizovány jako elektrický zkrat a modelovány jako prvky se soustředěnými parametry, jestliže vlnová délka signálu λ je velká v porovnání s délkou spoje l (λ > 30 l) Např. pro číslicové signály je důležitý poměr mezi zpožděním náběhové hrany signálu Tr a zpožděním šíření signálu Td (např. Tr >10 Td). Zpoždění signálu představuje čas, který signál urazí od vstupu do jiného vzdálenějšího místa.

Elektrické vlastnosti substrátu • Přenosové vedení je definováno charakteristickou impedancí Zo a měrným útlumem vztaženými na určitou délku vlny (resp. kmitočet) signálu, pro něž platí: Z0 

( R  j L ) (G  j  C )

    j  ( R  jL)(G  jC )

Konstanta přenosu y = α + j β se skládá ze dvou částí, kde α se nazývá měrný útlum, jenž charakterizuje ztráty při vedení signálu a β měrný fázový posun při daném kmitočtu signálu.

Elektrické vlastnosti substrátu •

Napětí V odpovídající signálu o daném kmitočtu  může být vyjádřeno v libovolném místě následovně:

V  V0ez cos(t  z) kdeV0 z

je amplituda na vstupu ( z = 0) je vzdálenost od vstupu

•

Měrný fázový posun β určuje rychlost, s jakou se signál šíří po vedení. Napětí a proud se na vedení periodicky mění s časem, přičemž doba jedné periody je T a rychlost šíření v. Dále βz vyjadřuje fázové zpoždění signálu na vedení ve vzdálenosti z od počátku vedení. Při kmitočtu  tomuto fázovému zpoždění odpovídá čas t = βx/. Aby signál (vlna) prošla za tento čas na vedení cestu x, musí se šířit rychlostí v = x/t a z toho vyplývá:  2f v   

•

Takto se šířící vlna na vedení projde za jednu periodu vzdálenost , která se nazývá délka vlny a vypočte se následovně:

 2f 2    v.T  .T   f 

•

Pro ideální bezeztrátové vedení rychlost signálu v a charakteristická impedance Zo může být vyjádřena následovně: v

1 LC



1

 0 0 reff

L Z0   C

 0 0 reff C

Elektrické vlastnosti substrátu •

•

Efektivní permitivita (dielektrická konstanta) ref je důležitý parametr používaný pro vyjádření vlastností dielektrických materiálů, v tomto případě substrátu. Nízká permitivita materiálu zvyšuje možnou hustotu vodivé sítě v případě, kdy signálové vlastnosti převyšují technologické omezení. Jestliže vedení nejsou zakončena svými charakteristickými impedancemi, dochází na konci vedení k odrazům signálu. Tento jev lze vyjádřit jako podíl odraženého napětí Vr nebo proudu Ir k přímému napětí Vp nebo proudu Ip, což lze popsat vztahem:

Vr I r Z r  Z 0   Vp I p Zr  Z0 kde

Zr Z0

je impedance na konci vedení je charakteristická impedance vedení.

Vliv nepřizpůsobení vedení na změnu přenášeného signálu a) útlum signálu b) zkreslení signálu

Typ systému – elektrické hledisko Tři základní typy elektronických systémů lze rozlišovat z hlediska požadavku na typ pouzdra: - low-end digital, - high-end digital, - high speed. Low-end digitální systémy používají převážně křemíkové MOS obvody pouzdřené samostatně a propojené na substrátu (PCB). High-end číslicové systémy používají převážně bipolární křemíkovou technologii, kdy je obyčejně umístěno více čipů v pouzdru nebo v modulu. Nástup bipolární komplementární technologie odstranil rozdíly mezi digitálními typy. High-speed circuits používají především GaAs čipy.

Nové faktory ovlivňující pouzdření • V posledním desetiletí – – Internet narostl více než 10x – Mobilní telefony narostly asi 20x – Digitální kamery a MP3 přehrávače dříve neexistovaly

•

Proto vývoj pouzdření je hnán především mobilními telefony a dalšími mobilními aplikacemi včetně PC, což provází nové skutečnosti které lze shrnout: – – – –

Nízká cena (Low Cost) Vysoká funkčnost na malém prostoru (High functionality / small space) Jakost úměrná ceně (Quality for a price) Zkracování garance a s tím i životnosti na 2, resp. 1 rok (No guarantee of longevity over one year) – Splnění požadavků na životní prostředí (No requirement for harsh environments) – Ztráta schopností inženýrů-návrhářů plnit spolehlivostní i ekonomická hlediska (Loss of skills base of high-rel engineers)

Nové faktory ovlivňující pouzdření •

Vše co může ovlivnit parazitní vlastnosti musí být děláno současně a posuzováno tak dlouho, dokud nevyjde optimální řešení pro příslušnou aplikaci. – Materiály • Krycí a pouzdřící (coatings) • Nosné (bulk material) • Underfill (je to zdlouhavé a drahé) – Nutné pro flip-chip a CSP?

– Procesní postupy • Méně operací znamená nižší cenu

– Testování a kontrola • Test a inspekce nesmí přesáhnout polovinu celkové ceny • Nejduležitějším testem spolehlivosti je Drop Test

•

To vše vyžaduje výrazný vývoj pouzdření dokud bude průmysl motivován velkosériovou výrobou mobilních telefonů

Trend co nejnižší ceny – jiné požadavky na spotřební a průmyslové aplikace • • • • •

• •

Vojenská technika Letecký průmysl Automobilový průmysl Průmyslové aplikace – Process control Technické vybavení – Výroba a distribuce elektřiny – Výroba olejů a plynů a jejich distribuce – Voda / odpady Stanice pro mobilní telefony – Mobil je bezcenný pokud není signál Jak dlouho by měla tato zařízení v jednotlivých aplikacích pracovat? – 1 rok? – 6 let? – 15 roků? – 40 let?

Specifičnost v návrhu z hlediska čipu Čipy IO, jež pracují na vysokých kmitočtech vyžadují optimalizovaná pouzdra přizpůsobená každému konkrétnímu čipu (nebo čip musí být navržen pro konkrétní typ pouzdra) Using an alternative package is not an option without assessing affected parameters •

Proto I/O obvody na čipu se přizpůsobují tvaru a rozměru pouzdra – Redukovaná délka propojení přispívá k menšímu (jednoduššímu) I/O obvodu • Die stacking (zvláště via propoje) výrazně snižují délku propojovacích drah • Tím se šetří místo pro I/O a to znamená i menší spotřebu (výkon) – Předběžný návrh pouzdra a I/O část čipu musí být navrhovány společně

•

3D stacks vyžadují návrh jednotlivých vrstev (úrovní), jejich propojení a připojení do pouzdra v „co-design environment“ – Avšak 3D design není jednoduše možné provádět z důvodu softwarového omezení a proto je nutné používat zákaznický software

Nová návrhová pravidla v pouzdření •

V minulosti byl návrh čipu prováděn nezávisle na typu pouzder – Čip s IO byl navržen jako první a potom bylo zvoleno pouzdro – Přitom byla používána standardizovaná řada pouzder s rozměry registrovanými v ISO – Pouzdro neovlivňovalo prakticky návrh IO • Avšak v 80-tých létech se objevila vedle DIL pouzder pouzdra LCC, což dramaticky v řadě případů ovlivnilo rychlost některých obvodů (např. ECL) určených pro velké rychlosti

•

Moderní a pokrokové pouzdření bylo hnáno především vojenskými aplikacemi, aeronautikou a kosmickým výzkumem

•

Komerční návrhová pravidla se řídily požadavky výše uvedených sektorů redukovanými požadavky Mil 883 / 750 inspection atd.

Předběžný návrh pouzder a jejich propojovací struktura (Co-design) •

Předběžný návrh pouzdra (wire bonding): - vysoká hustota, - vícenásobné propojovací řady, - hustá propojovací síť – 3D modelování, automatické propojování (autoruter)

•

→ • •

Způsob připojení čipu: - kontaktování (ploška – kontaktní drátek) redukce parazitních vlivů přenosu

ZEM vnořena do substrátu, případně kontaktována pod čipem (GND RING) Spárování = stejný typ kontaktních drátů, délka, průměr, symetrické umístění čip – sběrnice - čip

Předběžný návrh pouzder a jejich propojovací struktury (Co-design) •

Je-li čip navrhován v součinnosti s pouzdrem, lze aplikovat řadu zlepšení: – Simulace funkce čipu včetně pouzdra a připojení • Změny package / interconnect v souvislosti s provedením (návrhem) IO – Tepelná simulace pro čip a pouzdro • Teplotní analýza napomáhá eliminovat ztrátový výkon a odstranit ‘hot spots’ – Optimalizace I/O pro aktuální parametry (vlastnosti) připojení – Optimalizace pouzdra a připojení čipu (wire bond layouts) k celkovému uspořádání

Předběžný návrh pouzder a jejich propojovací struktura •

Otázky během návrhu: – Stanoveny hranice určitých signálových úrovní ? – Signály na rozhraní BGA ? – Standardy napětí (Vss, Vdd) ? – Specifické požadavky na signální cesty (nízké indukčnosti trasy, nízkoodporové, …) ? Výška kontaktů

d1

• • •

= d2

L1 = L2 Ø1 = Ø2

Optimalizace výšky kontaktů (rozměrová hranice / úplnost přenášeného signálu) Velikost kontaktních plošek, průměr drátu, double bonding Párování kontaktního drátu → větší kontaktní plošky

Připojení čipu a jeho pouzdření • • • •

Wire bonding Flip Chip bonding TAB 3D (WLP)

 PWB

- organic (PCB) - ceramic

 HDI (microvia and film)  TH  Connectors

Kontaktování čipů • Kontaktovací plošky – Velikost kontaktovacích plošek – Rozteč plošek – větší = snadnější montáž – Více řad kontaktovacích plošek = větší pravděpodobnost defektu

• Mikrodrátky – Délka drátku – 3 -11 mm – Používat přibližně stejně dlouhé drátky – Minimální mezery mezi drátky – 1–2 násobek průměru drátku – optimální design má větší mezery – Stejné tvary drátků a průměry

• 3-D modelování – Délka, výška, tvar a celkový profil drátku – Optimalizace kontaktování

Návrhová pravidla pro kontakty na substrátu •

GND musí být umístěna co nejblíže čipu

•

Větší kontaktovací plocha umožňuje použít drát s větším průměrem a pak i delší kontakt

•

Větší prostor mezi kontakty na substrátu umožňuje tvořit husté řady kontaktů

•

Kontakty by měly mít stejnou délku a rozměr pro stejné vzdálenosti kontaktovacích ploch (uspořádání v řadě)

•

Speciální a napájecí kontakty by měli být masivnější příp. stíněné

•

Signálové kontakty je vhodné stínit

Die stacking (vrstvení čipů) •

•

•

Cílem je zvýšení hustoty součástek ve vertikální ose – Vzhledem k využití v mobilních zařízeních musí být tloušťka vrstev <1.2mm Současný trend – Využívá se převážně wire-bonding – Průměrný počet čipů na sobě je 2 ale objevují se i 3 • Paměť na paměť (zde až x16) • Paměť na DSP • Paměť na ASICs Budoucí výhled – Využití through silicon vias (TSV) – < 1mm výška pouzdra – Zobrazovací jednotky na ASIC – Paměť na processor (IBM)

Stacking, propojení a zajištění výkonu •

Through Silicon Vias (TSV) – Vias provedené laserem nebo leptané – Obyčejně vyplněné Cu – Via jsou provedeny jako FEOL nebo BEOL – Dosud nízká hustota vias – většinou pro stacking pamětí • Vyšší hustota ?

•

Odvedení výkonu při paměť + procesor stacking – Paměť nad nebo pod procesorem? – Nad absorbuje paměť teplotu procesoru – Pod vyžaduje přivedení výkonu skrze TSV v paměťovém čipu (procesor až do 100A ) – Alternativou je přivedení přes intermediate layer (připojené na hranu stack pouzdra)

•

Teplotní simulace jsou jednou z kritických částí návrhu v 3D pouzdření

FEOL (front-end-of-theline) - the individual devices (transistors etc.) are patterned in the semiconductor. BEOL (back end of line ) - active components (transistors, resistors, etc.) are interconnected with wiring on the wafer

3D návrh •

3D Koncept – Každá vrstva se navrhuje samostatně ale s ohledem na stacking – Propoje mohou překlenovat vrstvy • Ultra-krátké propoje použitím vertikálních cest – Kompletní návrh je znehodnocen každou vrstvou, která je na odděleném waferu – Pro face to face, každý z waferů musí být zrcadlovým obrazem

•

Vrstvy lze propojovat různými technikami – Čip na čip propojovat nosníkovými vývody (pillars) • Cu-Cu nebo Cu-Sn-Cu bonding • Nebo využívat lisování s lepením – Direct Bonding (na principu anodického nebo plasmového procesu) • Čip na Wafer • Wafer na Wafer

Srovnání 2D vs. 3D vs. TSV (čip Ansoft HFSS)

• • •

2-D SIP: -20 dB při 1,9 GHz 3-D SIPWIRE: -20 dB při 3,6 GHz 3-D SIPTSV: -20 dB při 20,0 GHz – nejširší frekvenční rozsah použití

•

Při frekvenci 1,9 GHz byl naměřen vložený útlum pro 2-D SIP: -0,092 dB, pro 3-D SIPWIRE: -0,037 dB a pro 3-D SIPTSV: -0,004 dB, tento typ má také nejmenší vložený útlum v měřeném rozsahu

CSP využívající technologii mikrokontaktů • •

Menší velikost pouzdra Zlepšená hustota propojení – Menší velikost pájecích plošek – Uvolnění místa na desce plošných spojů – Nižší výškový profil součástky (vzdálenost od desky 125 – 200 µm)

•

3D pouzdření – – – –

nízký profil vysoká hustota možnost testovat každou vrstvu zvlášť např. 64 vrstev – tloušťka 16 mm (12000 propojů)

Výroba mikrokontaktů •

Základ tvoří kompozitní vrstva tří kovů - Cu/Ni/Cu

•

Výroba = Laminace - žíhaná měděná fólie (RA) o tloušťkách v rozsahu od 50 do 125 µm + niklem (0.8 – 1 µm) pokrytá elektrolyticky vyrobená měděná fólie (ED - 9 µm)

•

Tlustší RA fólie – vlastnost bumpů

•

Tenká ED fólie – spojování obvodů uvnitř pouzdra

•

Nikl – zastavuje leptání při vytváření obvodového motivu či bumpů

Contacts-out ( kontaktování „ven“ )

Contacts-through ( kontaktování „skrz“ )

Přímé spojování čipů •

•

Přímé kontaktování čip-wafer nebo wafer-wafer – Anodické kontaktování • Požadavek na ultra-hladký/plochý wafer – BCB s plasmovým leptáním • Wafer pokrytý BCB leptaný plasmou – Wafery jsou ve vaku za tepla přiloženy a propojeny Anodické kontaktování může vytvořit extrémně silnou strukturu – Velmi vhodné pro high-rel aplikace

benzocyclobuten

3D návrh pro přímé propojování čipů •

Interconnect nesmí být metal/metal – Kapacitní • Kondenzátor pomáhá umístění

– Induktivní • Více prostoru pro nepřesnost umístění

Optické propojování •

Techniky které dosud existují využívají světelná vlákna z laminátu nebo z SiO2 materiálů – iNEMI roadmaps naznačují, že toto propojení nebude využíváno běžně před rokem 2017 – Existující 3D techniky budou ale takový přenost dat umožňovat

Obsah • • • • • • • •


Spolehlivost pouzder nové generace • Klíčové požadavky: - teplotní cyklování - mechanické (vibrace) zkoušky •

Testy podle specifikací IPC resp. JEDEC

•

Výsledky: - teplotní namáhání - příznaky opotřebení po více jak 1000 cyklech  O.K - pádová zkouška - rozteč vývodů pouzdra 0.4 mm – více jak 100 pádů bez poruch; 0.8 mm – první porucha po 500 pádech

Vysoká úroveň spolehlivosti – mikrokontaktní technologie (vyhovuje nebo dokonce převyšuje požadavky pro novou generaci bezolovnatého pouzdření)

Teplotní cyklování A B C D E F

Low temp High temp Ramp [°C] [°C] [°C/min] -55 125 10 -55 125 18 -20 125 10 -12 125 65 -20 80 10 -55 125 55

Dwell min 5 10 5 5 5 0

Period min 45 40 40 11 30 6.6

A - Armádní aplikace B – Automotive C – Telekomunikace D – Automotive E – Spotřební elektronika F – Teplotní šok

120 100 Temperature [°C]

Cycle

80 60 40 20

E

0 -20

F

-40

A

D

C

B

-60 0

5

10

15

20

25

30

Time [min]

35

40

45

50

Obsah • • • • • • • •


Využití ANSYS - matematické modelování Postup řešení pro simulaci termomechanického namáhání: • vytvoření modelu, • přiřazení vlastností jednotlivým materiálům, • nadefinování teploty pro simulaci, • vytvoření sítě konečných prvků, • výpočet výsledného pnutí, • zpracování a vyhodnocení výsledků.

88

Model pro simulaci

89

Rozložení pnutí v pájce

90

Modelování SMD • Zobrazení termomechanického namáhání

91

Modelování pouzder BGA • Zobrazení termomechanického namáhání

92

Modelování pouzder BGA • Zobrazení termomechanického namáhání

93

Modelování wire-bonding • Zobrazení termomechanického namáhání

94

Modelování wire-bonding • Zobrazení potenciálu a hustoty proudu

50µm

150µm

95

Modelování wire-bonding

50µm

150µm

96

Teplotní analýza - ANSYS

97

Teplotní analýza - Flomerics

98

Obsah • • • • • • • •


Závěr • Moderní pouzdra polovodičových čipů se budou svou velikostí stále více přibližovat vlastní velikosti čipů (CSP, SOP ... pokud bude celý systém na čipu, bude se jednat o SOC. • Současným cílem je optimalizace založená na řešení elektrických, mechanických, tepelných a ostatních požadavků ve stále větší míře. • SOC nebo SOP bude pájen přetavením na nosný modul nebo motherboard tvořící nedílnou součást celého systému. • Nové materiály a technologické postupy budou nacházet uplatnění (procesy TV, TLV, LTCC, CVD a další depozice)

Čtyři hlavní směry ve vývoji pouzder Laminate/Ceramic Substrate Package

Zdroj:

Roadmap pouzdření Hlavní světové organizace pro standardizaci pouzder jsou: • ITRS – SEMI based roadmapping group – Emphasis on front-end and IC technology development

•

iNEMI – Mainly USA with international consultation – Emphasis back-end, packaging and board assembly – Based on assessing applications for technology

•

IPC – Interconnect and packaging from printed circuit board perspective

•

Jisso – Japanese driven with involvement of Europe and USA – Focus on interface issues • • • •

Level 0 – die / wafer level Level 1 – substrate / package level Level 1 – motherboard level (including embedded) Level 2 – complete system level including backplane

Kontrolní otázky 1) Definice pouzdření v elektronice a jeho úrovně 2) Šíření tepla a analogie mezi elektrickým a tepelným odporem 3) Náhradní tepelný obvod zapouzdřené součástky 4) Teplotní součinitel roztažnosti a eliminování pnutí v pouzdření 5) Důvody pro optimalizaci pouzdra a vývoj pouzdření 6) Flip chip – parametry, provedení a náhradní obvod 7) Zásady pro volbu typu pouzdra 8) Devět hledisek pro volbu substrátu a jeho parametry 9) Základní postup při návrhu resp. volbě typu pouzdra 10) Pouzdra MCM, CSP a WLP a možnosti připojování čipů 11) Zjišťování spolehlivosti pouzder 12) Modelování a simulace v pouzdření 1. a 2. úrovně

Základy návrhu elektrických pouzder (7) Teplotní management návrhu elektronických systémů

Recommend Documents