Конструктивные исполнения бескорпусных БИС
А.М.Грушевский, П.А.Жуков
Учебно-методические разработки для лабораторного практикума по курсу
«Конструктивно-технологические основы сборки электронных средств»
![]() |


Москва 2007
Аннотация
к учебно-методическим разработкам для выполнения
лабораторного практикума по курсу
«Конструктивно-технологические основы сборки электронных средств»
Учебно-методические разработки предназначены для подготовки и выполнения лабораторных работ, содержит необходимые теоретические сведения, варианты заданий и алгоритмы решений.
В представленном учебно-методическом пособии приводится материал, изучение которого обеспечивает решение различных задач по конструированию и технологии изделий электронной аппаратуры с учетом достижений в системах автоматического управления и контроля техпроцессами.
Тематика лабораторных работ охватывает основные разделы курса: электронная компонентная база (корпусная и бескорпусная), многоуровневые коммутационные системы, конструктивно-технологические варианты ячеек и блоков, герметизация электронной аппаратуры. Материалы пособия позволяют самостоятельно выполнить расчеты и использовать их в дипломном проектировании, а также в практической работе.
Содержание
Аннотация ………………………………………………………………………. 2
Лабораторная работа №1. Технологические процессы сборки и монтажа бескорпусных полупроводниковых БИС …………..…………………………..4
Лабораторная работа №2. Многоуровневая коммутация в технологии изготовления ЭС..…………………………………………………………..…....61
Лабораторная работа №3. Автоматизация процесса пайки при монтаже компонентов на коммутационные платы ………………………….................108
Лабораторная работа №4. Герметизация ЭВС и методы контроля герметичности….………………………………………………….……………135
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1
Технологические процессы сборки и монтажа бескорпусных полупроводниковых БИС
Цель работы: изучение технологических процессов сборки и монтажа бескорпусных полупроводниковых больших интегральных микросхем.
Продолжительность занятия – 4ч.
Теоретические сведения
В современной микроэлектронной аппаратуре, выполняющей функции обработки и хранения информации, автоматизации и управления технологическими процессами, используются универсальные и специализированные интегральные микросхемы (ИМС) различной степени интеграции. Наблюдается тенденция более широкого применения ИМС высокой степени интеграции - больших (БИС) и сверхбольших (СБИС). Это обусловлено существенным улучшением технико-экономических характеристик аппаратуры, а именно: повышением надежности, быстродействия и помехоустойчивости; снижением массы, габаритов, потребляемой мощности, стоимости; сокращением сроков проектирования и подготовки производства.
Широкую номенклатуру специализированных БИС при приемлемых затратах на проектирование и производство изготовляют с помощью базовых матричных кристаллов. Для получения БИС на их основе требуется спроектировать и изготовить необходимые (заказные) электрические соединения элементов кристалла. Так как часть конструкции БИС проектируется и изготовляется по заказу, то такие специализированные БИС называются полузаказными.
Для БИС характерны такие особенности конструкции, как высокая плотность размещения элементов, многоуровневая разводка, большой размер кристалла, высокая мощность потребления, большое количество выводов. Их конструктивные особенности предъявляют повышенные требования к технологическим процессам сборки и монтажа с целью получения высоконадежных изделий с высоким и стабильным процентом выхода годных микросхем.
Сборка и монтаж - это часть общего технологического процесса изготовления БИС, в результате проведения которого получают готовую конструкцию ИМС (БИС), т.е. готовые изделия.
Процессы и операции сборки и монтажа являются наиболее трудоемкими в технологии производства ИМС. Если при изготовлении кристаллов широко применяются высокопроизводительные групповые методы, то при сборке и монтаже оперируют с каждой отдельной ИМС.
Технологическим процессом сборки ИМС (БИС) называют совокупность операций по ориентированному разделению пластин и подложек со сформированными элементами на кристаллы или платы, закрепление их на основаниях корпусов, посадочных площадках выводных рамок и т.д.
Технологическим процессом монтажа ИМС называют совокупность операций, направленных на получение электрических соединений кристалла со следующим коммутирующим уровнем, т.е. с выводами рамок, гибких носителей, оснований корпусов, либо с контактными площадками подложек плат. Герметизация ИМС входит в число монтажных операций только в том случае, если она является бескорпусной, и сводится к формированию защитных покрытий путем заливки смонтированного кристалла (как правило, его рабочей поверхности) специальным герметизирующим покрытием (чаще всего называемым герметиком).
Конструктивные исполнения бескорпусных БИС
Использование бескорпусных БИС в микроэлектронной аппаратуре (МЭА) позволяет обеспечить значительное уменьшение ее массогабаритных характеристик, снижение значений переходных сопротивлений, паразитных индуктивностей и емкостей, повышение надежности. Бескорпусные БИС обладают универсальностью применения при пониженной материалоемкости.
Бескорпусные БИС изготавливают с гибкими проволочными выводами, на полиимидном носителе и с объемными выводами. На коммутационной плате БИС на полиимидном носителе занимают площадь, в 4 - 10 и более раз меньшую по сравнению с микросхемами в корпусах. Для монтажа на плату выводы БИС в этом случае имеют вид квадратных контактных площадок, расположенных в периферийных областях кристалла.
Применение бескорпусных БИС на полиимидных носителях позволяет повысить надежность МЭА за счет: уменьшения количества сварных и паянных соединений в расчете на одну контактную площадку БИС (для корпусных - три - четыре соединения, для бескорпусных - два - три), улучшения условий отвода теплоты при установке кристалла непосредственно на теплоотводящий пьедестал, снижения механических напряжений в кристалле БИС и небольшой массы.
Бескорпусные БИС с объемными выводами представляют собой кристаллы БИС, на контактных площадках которых образованы шариковые (или столбиковые) выводы. Объемные выводы (ОВ) изготавливают из золота, облуженной или позолоченной меди и сплава олово - серебро. Такие БИС занимают на коммутационной плате площадь, в 16-40 раз меньшую, чем корпусные БИС, и в 4-10 раз меньшую, чем бескорпусные БИС на полиимидном носителе. Сопротивление их выводов в 20 - 100 раз, паразитная индуктивность в 60 - 200 раз и межвыводная емкость в 9 - 50 раз ниже, чем у корпусных БИС.
Объемные выводы на контактных площадках кристалла БИС могут быть сформированы двумя различными способами. В первом способе, называемом "мокрым", используют процессы вакуумного осаждения барьерного слоя (хром - медь, хром - никель, ванадий-медь), на котором гальванически выращивают припойные шарики. Барьерный слой создают из металлов, имеющих хорошую адгезию к алюминию кристалла БИС и не образующих с ним выпрямляющих контактов, т.е. не влияющих на электрические параметры БИС. К недостаткам "мокрого" способа относят трудность нанесения однородного покрытия необходимой толщины, сложность контроля за составом припоя и выдерживанием размеров ОВ из-за гальванического разрастания, а также ухудшение параметров БИС, особенно на МДП-структурах.
Чтобы избежать недостатков "мокрого" способа формирования ОВ, применяют "сухой" способ. Сущность его заключается в ультразвуковом присоединении шариков из золотой проволоки и последующей обрезке проволоки непосредственно над шариком. "Сухой" способ прост и практически не влияет на параметры БИС.
Объемные выводы формируют на кристаллах, находящихся в составе пластины, до ее разделения. При этом "сухой" способ обеспечивает избирательность в формировании ОВ: они создаются на контактных площадках только годных, предварительно проверенных по электрическим параметрам кристаллов БИС.
Полиимидные носители с алюминиевыми балочными выводами присоединяют к алюминиевым контактным площадкам кристаллов БИС ультразвуковой микросваркой. В этом случае при взаимодействии материалов вывода и контактной площадки образуется надежное однокомпонентное микросварное соединение.
Присоединять медные, покрытые олово-висмутом балочные выводы полиимидного носителя к контактным площадкам кристаллов сложнее, так как медь и алюминии технически несовместимы при микросварке и пайке. Поэтому перед их соединением на контактных площадках кристалла или ленточных выводах носителя формируют объемные выводы, на кристалле - золотые или припой-ные, на носителе - золотые.
Присоединение носителя может быть осуществлено пайкой или термокомпрессионной сваркой. Объемные золотые выводы на носителе формируют импульсной пайкой с образованием золото-оловянного эвтектического сплава, термокомпрессионной сваркой с золотым покрытием медной балки, а также лазерной импульсной пайкой или сваркой.
В оловянное покрытие медных балочных выводов вводят висмут (до 10 %) или свинец (до 40 %) с целью предотвращения образования хрупкой фазы интерметаллида AuSm. При добавлении висмута толщина интерметаллида после пайки при температуре 250 °С и времени выдержки 30 с составляет 0,5 - 2 мкм. Легирование припоя свинцом при пайке в таких же условиях приводит к образованию слоя интерметаллида толщиной 4 - 5 мкм, который способствует образованию прочных паянных соединений. Дальнейшее увеличение его толщины вызывает уменьшение прочности.
Перед присоединением полиимидного носителя или перед установкой на коммутационную плату пластина с кристаллами БИС закрепляется на эластичной адгезионной пленке и разделяется на отдельные кристаллы на всю толщину, что исключает необходимость в дальнейшем разламывания пластины, и объемные выводы не повреждаются.