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.