Подведены итоги конференции «[[Перспективные технологии производства радиоэлектронных блоков на печатных платах]]», проведенной НПП «КВП Радуга» в городе Москве 23-24 мая 2007 г.
Какой процент средств, выделяемых правительством на радиоэлектронику, пойдет на реальное развитие электроники? Как израсходовать эти деньги эффективно? Как использовать в интересах радиоэлектронной отрасли поддержку Президентом и правительством нанотехнологий? Использовать ли иностранные инвестиции и технологии? Как осуществить импортозамещение в отечественной военной и специальной электронике?
Эти и многие другие вопросы ставились и обсуждались на традиционной конференции «Перспективные технологии производства радиоэлектронных блоков на печатных платах» проведенной НПП «КВП Радуга» в городе Москве 23-24 мая 2007г.
Центральным событием конференции стало сообщение о новой технологии монтажа в корпус и непосредственно в «тело» печатной платы полупроводниковых приборов и ИС, содержащих микроэлектронные электромеханические системы (МЭМС) и наногетероструктуры.
Создание МЭМС и наногетероструктур на кристаллах открывают колоссальные перспективы в радиоэлектронике. В СВЧ технике, например, такие кристаллы позволяют достигать частот порядка 18 ГГц и выше. Монтаж же таких кристаллов в корпус или непосредственно на плату традиционными способами ультразвуковой и термокомпрессионной приварки выводов или методом пайки шариковых выводов вызвал очень серьезные затруднения:
- Cамо манипулирование кристаллом с помощью вакуумного захвата при размещении кристалла на эвтектику очень часто приводит к разрушеню тонких структур из-за механического воздействия сопла на активную сторону кристалла и воздействия на тонкие структуры кристалла перепада давлений, вызванного работой вакуумного захвата;
- Давление на кристалл и температура разогрева локальных областей кристалла при традиционных методах ультразвуковой и термокомпрессионной методах сварки оказались разрушительными для его тонких структур;
- Проволочные петли, соединяющие контактные площадки кристаллов с внешними выводами (или непосредственно – с токоведущими дорожками электронных функциональных блоков) являются, с одной стороны, источниками разного рода паразитных явлений, а с другой – антенной, принимающей внешние электромагнитные воздействия. При очень высоких частотах не лучше себя ведут и другие типы выводов: ленточные, балочные и, даже – шариковые. В связи с этим при монтаже кристаллов СВЧ компонентов все более отдается предпочтение варианту монтажа, устраняющих выводы вовсе и обеспечивающему планоризированное положение контактных площадок и токоведущих дорожек – внутреннему монтажу кристаллов непосредственно в тело печатной платы.
Если же не использовать технологию внутреннего монтажа и, по прежнему, монтировать корпусной элемент на плату методом поверхностного монтажа, то цепочка трудностей будет продолжаться:
- Непланаризированное положение структур кристалла и многоуровневой разводки печатной платы создает новые емкости и индуктивности. Ореол разводки печатной платы вокруг и под СБИС будет представлять собой антенну, активно принимающую все несанкционированные электромагнитные воздействия. Разработчик вынужден будет дополнить схему дополнительными элементами (например- защитными фильтрами ), чем удлинит токоведущие дорожки, соединяющие кристалл с “объектом” (например- силовым ключем). В результате, вместо желаемого повышения быстродействия схемы, разработчик может столкнуться со снижением быстродействия;
- Увеличение интеграции и рабочих частот микросхем обостряет проблему теплоотвода, решению которой будет препятствовать и корпус микросхемы, и плохая теплопроводность печатной платы из полимерных материалов;
- Основной метод производства печатных плат – метод фотолитографии с последующим “мокрым” травлением. При традиционных способах отмывки печатных плат остатки травителя не вымываются полностью и остаются в микропорах проводника, что со временем приводит к деградации и “выжиганию” проводника. Чем выше интеграция СБИС и тоньше проводники, тем чаще в электронных блоках проявляются подобные дефекты;
- Поскольку корпусная СБИС на сегодняшний день почти лишилась выводов (например СБИС в BGA корпусе), а вместо них используются шарики припоя, то разница линейного температурного расширения BGA корпуса и печатной платы становится фактором, разрушающим паяные соединения при температурных колебаниях (например – при термоциклировании);
- Поскольку шариковые выводы СБИС имеют малый диаметр возникают дополнительные требования к плоскостности печатных плат и плоскостности покрытий контактных площадок на платах;
- Поскольку расстояние между выводами мало и они находятся на “невидимой” стороне BGA корпуса монтаж корпуса производится на дорогостоящем прецизионном оборудовании;
- Пайка BGA компонентов так же не лишена трудностей усугубляемых в настоящее время внедрением бессвинцовых технологий. Качество пайки проверяется с помощью рентгеновских микроскопов.
Перечисление трудностей можно продолжать, но все большему числу специалистов становится очевидно, что проблемы, перечисленные в пунктах 4-10, а заодно — и первые три, надо просто отбросить, устранить их полностью, монтируя кристаллы полупроводниковых приборов и ИС непосредственно в печатную плату методом внутреннего монтажа:
- На ровную поверхность монтажного столика кладется металлическая (или керамическая, поликоровая, ситаловая, полимерная и т.д.) основа печатной платы, имеющая сквозные отверстия квадратной (прямоугольной) формы, превышающие на малую величину размеры соответствующих кристаллов.
- Кристаллы закладываются в отверстия активной стороной вниз. Манипулирование кристаллами производится вакуумным захватом, удерживающим кристалл за неактивную, «заднюю» сторону кристалла.
- Заложенные в подложку и планоризированные с нижней стороны подложки кристаллы фиксируются в ней компаундом, наносимым в зазор между кристаллом и подложкой.
- После полимеризации компаунда подложка с кристаллами помещается в установку нанесения париленового (поли-пара-ксилиленового) покрытия, где при температуре 28°С на поверхности подложки и лицевых сторонах кристаллов происходит формирование диэлектрического слоя – париленовой пленки.
Все последующие операции: вскрывание «окон» над контактными площадками ИС и напыление проводников печатной платы аналогично тем, что применяются в стандартном способе внутреннего монтажа кристаллов с использованием полиимидных пленок:
- Через металлические маски в слое парилена ионно-химическим травлением вскрываются окна над контактными площадками ИС. Одновременно происходит очистка контактных площадок перед напылением проводников.
- В установках вакуумного напыления через свободные технологические маски производится напыление проводников Ti – Cu – Ni
Указанные шесть операций могут повторяться необходимое количество раз для формирования нужного количества слоев, причем переходы со слоя на слой производится с помощью отверстий, диаметр которых не превышает ширину проводника.
- Пассивные и прочие элементы функционального электронного блока припаиваются к печатной плате традиционными способами, как элементы поверхностного или штырькового монтажа.
- Окончательная электро — и влагозащита обеспечивается внешним париленовым покрытием.
Приведенная технология применима как при корпусировании ИС, так и при непосредственном монтаже кристаллов внутри функционального электронного блока. Тепловая разгрузка кристаллов смонтированных вышеприведенным способом, обеспечивается как напылением слоя металла на заднюю поверхность кристалла и подложки в целом, так и напылением слоя металла на тонкий слой диэлектрика с лицевой стороны кристалла и печатной платы. Кроме того плата с кристаллами может быть плотно присоединена к дополнительным теплоотводящим основаниям – радиаторам.
Последним аргументом против внедрения технологии внутреннего монтажа был факт плохой ремонтопригодности функциональных блоков, изготовленных методом внутреннего монтажа. Но и этот аргумент отпал, когда стала очевидным нецелесообразность ремонта плат, содержащих BGA компоненты.
Применение данной технологии должно быть организовано на государственном уровне. А именно необходимо:
- Создать федеральный и ряд региональных технологических центров по разработке и внедрению данной технологии. Задачей центров должна стать переработка уже имеющихся схемотехнических решений и разработка конструкции новых изделий для всех заказчиков, а так же – передача технологии и оснащение заказчиков комплектами оборудования для внутреннего монтажа;
- Поддержать производство технологического оборудования для внутреннего монтажа;
- Организовать разработку новых образцов технологического оборудования для внутреннего монтажа. Базовый комплект технологического оборудования для внутреннего монтажа состоит из единиц известного оборудования для производства микросборок.
Государственная поддержка внедрения в отечественную электронику технологии внутреннего монтажа требует денежных затрат, неимоверно меньших чем затраты на производство или закупку BGA корпусов, многоуровневых печатных плат или – оборудования для их производства, на оснащение сборочно-монтажных производств дорогостоящим прецизионным оборудованием. Сэкономленные средства имеет смысл направить в самую важную область электроники – развитие отечественной элементной базы.
Действовать, с другой стороны, надо и не дожидаясь внимания государства. Первое, что необходимо сейчас сделать- разрабатывать и производить в соответствии с вышеизложенной технологией опытные образцы различной радиоэлектронной аппаратуры. Это и даст нам в руки неоспоримые аргументы в пользу внедрения технологии внутреннего монтажа во всю российскую радиоэлектронику.