АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ГИБРИДНЫХ МИКРОСБОРОК
В настоящее время в ряде отраслей (авиакосмическом приборостроении, в телекоммуникационной отрасли, в робототехнике) все шире используются сверхбыстродействующие многоканальные бескорпусные микросхемы с шагом контактных площадок 50 мкм и менее, что открывает возможность создания устройств с повышенной функциональной емкостью. Как правило, к таким устройствам предъявляются очень жесткие требования по массогабаритным характеристикам, объему и возможности компоновки изделия в трех плоскостях в виде многослойных блоков и пакетов. Проблема соответствия таким высоким требованиям была решена за счет новых конструктивно-технологических решений на основе технологии “кристалл на гибкой плате” или “chip on flex” (COF).
Попытка совместить преимущества гибридных технологий с дешевизной традиционного поверхностного монтажа (Surface Mount Tehnology – SMT) привела к созданию в середине 1980-х годов технологии “кристалл на плате” или “chip on boаrd” (СОВ-технология). Процесс сборки изделий по СОВ-технологии подобен процессу сборки гибридных микросхем. В СОВ-технологии в качестве основы используется печатная плата, а бескорпусные полупроводниковые кристаллы герметизируются заливкой (glob-top), в результате исключается корпусирование.
В настоящее время в некоторых областях приборостроения СОВ-технология уже фактически вытеснила поверхностный монтаж. Быстрое развитие СОВ-технологии обусловлено минимизацией массогабаритных характеристик конечного изделия и максимизацией плотности размещения компонентов. Занимаемая кристаллом площадь уменьшается в десятки раз только из-за отсутствия корпуса. Дополнительным преимуществом СОВ-технологии является тот факт, что сварные соединения, являющиеся основой сборочной технологии “кристалл на плате” более надежны при воздействии вибрационных и термоциклических нагрузок, чем паяные соединения, применяемые в технологии поверхностного монтажа.
В середине 1990-х годов была разработана еще одна технология монтажа, которая является комбинацией традиционной технологии поверхностного монтажа (SМТ) и СОВ-технологии. Указанная технология получила название ТАВ-технологии (TapeAutomatedBonding) и предназначалась для автоматизированного монтажа с помощью ленточных носителей микросхем с большим количеством выводов. В этом случае выводы микросхем привариваются к медным контактным площадкам рамок с выводами, предварительно изготовленных на медной ленте с изолирующим покрытием. Эти выводы затем припаиваются к металлическим проводникам на печатной плате. На ТАВ-носителях широко применяется монтаж специализированных ИС и многокристальных модулей. Сложность ТАВ-технологии заключается в необходимости применения специализированного автоматизированного оборудования и в проблемах пайки выводов, расположенных с малым шагом.
В современном приборостроении широко используются сверхбыстродействующие многоканальные бескорпусные микросхемы с шагом контактных площадок менее 50 мкм, что позволяет создавать устройства с повышенной функциональной емкостью. К таким устройствам предъявляются очень жесткие требования по массогабаритным характеристикам, объему и возможности компоновки изделия в трех плоскостях в виде многослойных блоков и пакетов. Ни СОВ-технология, ни ТАВ-технология уже не удовлетворяют таким высоким требованиям. Проблема была решена за счет новых конструктивно-технологических решений на основе технологии “кристалл на гибкой плате” или “chip on flex” (COF).
На начальном этапе СОF-технология представляла собой ту же самую СОВ-технологию за исключением того, что коммутирующие элементы изготавливались из гибких материалов. Сборка электронных устройств на гибких коммутирующих элементах осуществлялась на тех же автоматических линиях, которые используются в СОВ-технологии и с помощью тех же самых методов монтажа кристаллов, пассивных компонентов и формирования электрических соединений.
Гибкие кабели и платы изготавливались на основе различных фольгированных диэлектрических материалов, таких как майлар, лавсан, полиэтилен, полипропилен, полиэстер, полиимид и др., в зависимости от предъявляемых к аппаратуре требований. Гибкие коммутирующие элементы из фольгированных диэлектриков на основе лавсана, полиэтилена и т. д. менее дорогостоящие, но возможности монтажа компонентов на них ограничены. В этом случае монтаж компонентов осуществляется с помощью низкотемпературной пайки или с применением электропроводящих адгезивов. К сожалению, при обработке таких диэлектрических материалов не удалось в полной мере применить методы микроэлектронной технологии, основанной на принципе интегральной обработки материалов, и полностью исключить из технологического процесса изготовления гибких плат и кабелей механические операции формирования сквозных отверстий. Кроме того, хотя материалы типа полиэтилена и полипропилена характеризуются достаточно низкими диэлектрическими постоянными и, соответственно, обеспечивают хорошие емкостные характеристики коммутирующих элементов на их основе, они не являются радиационностойкими и не могут обеспечить высокую надежность и срок эксплуатации электронных изделий с жесткими требованиями к радиационной стойкости.
Только фольгированные полиимиды оказались практически незаменимыми для создания функционально сложных электронных изделий с высокими требованиями к радиационной стойкости, термостойкости, быстродействию и долговременной надежности. Стабильность электрических и размерных характеристик полиимидной основы обусловливает высокую технологичность данного материала. Температурная стабильность и высокая термостойкость полиимидных гибких плат позволяет применять высокотемпературные (вплоть до 300°С) методы монтажа компонентов.
Важным фактором, способствующим развитию СОF-технологии, послужило появление на мировом рынке серии фольгированных медью полиимидов “Pyralux” на основе полиимидных пленок типа Kapton, разработанных компанией DuPontElectronicTechnologies, которая является ведущим поставщиком электронных материалов в мире. В фольгированных диэлектриках “Pyralux LF” и “Pyralux FR” полиимидные пленки соединяются с отожженной медной фольгой с помощью акриловых адгезивов, что позволяет изготовить целый ряд одно– и двусторонних фольгированных диэлектриков с широким диапазоном толщин медных, адгезивных и полиимидных слоев. Благодаря применению таких материалов в изделиях электронной техники появилась возможность создания трехмерных конструкций в виде двухслойных или многослойных структур малой толщины и площади, существенно снизить их вес и объем, а также повысить их функциональную емкость, быстродействие и надежность.
Однако применение адгезивсодержащих фольгированных медью полиимидных пленок не позволило в полной мере реализовать преимущества COF-технологии при сборке микромодулей.
К недостаткам адгезивсодержащих фольгированных полиимидов можно отнести достаточно малый диапазон рабочих температур (–60°С ÷ +125)°С. Применение адгезивов в фольгированных полиимидах существенно усложняет процесс формирования сквозных отверстий в системе “металл-адгезив-полиимид” для межслойных соединений из-за необходимости использования сложных и трудноуправляемых процессов вскрытия “окон” в адгезивных слоях.
Эти недостатки были в значительной степени устранены после появления гибких одно и двусторонних безадгезивных фольгированных диэлектриков DuPont Pyralux с медной основой. Технологическое преимущество таких материалов состоит в том, что они не содержат адгезивных прослоек между медью и полиимидом, но обладают высокой силой сцепления между слоем меди и поверхностью полиимида.
Материалы с безадгезивной и высокопрочной структурой DuPont Pyralux AP и DuPont Pyralux AC являются высокотехнологичными при фотолитографической обработке, групповом избирательном травлении сквозных отверстий в переходах и формировании элементов топологии очень малых размеров. Наиболее важными характеристиками этих материалов является высокая избирательность при химобработке полиимида и меди; эластичность и механическая прочность полиимида; высокая термостойкость (+350°С) и холодостойкость (–196°С).
Ввиду хорошей адаптивности к фотохимическому избирательному травлению полиимида безадгезивная структура материала позволяет полностью исключить из техпроцессов изготовления гибких коммутирующих элементов применение механических операций сверления и фрезерования, заменяя их групповыми процессами, и, таким образом, сократить технологический цикл, снизить трудоемкость и, в конечном счете, уменьшить стоимость изготовления изделий.
Кроме того, для микросхем с высокой плотностью и прецизионностью элементов топологии при использовании указанных материалов, оказалось целесообразным применение методов микроэлектронной технологии, которая включает использование жидких фоторезистов, обладающих высокой чувствительностью и разрешающей способностью; использование практически всех способов нанесения жидких фоторезистов (центрифугирование, погружение, пульверизация); сочетание позитивных и негативных фоторезистов; применение стеклянных и гибких пленочных фотошаблонов; применение установок с односторонним и двусторонним экспонированием; применение плазмохимической и ионноплазменной избирательно
Описанные выше достоинства безадгезивных медь-полиимидных пленочных материалов были использованы при создании коммутирующих элементов для детекторных микростриповых модулей в международном эксперименте STAR в BNL (США). Возможность формирования сквозных отверстий в слоях полиимида позволила отказаться от применения алюминиевой проволоки для соединения контактных площадок микросхем и сенсоров с выводами коммутирующих медь-полиимидных плат и кабелей и осуществлять присоединение выводов непосредственно к контактным площадкам микросхем и сенсоров с помощью ультразвуковой сварки через “окна” в полиимиде (рис. 1).
| а) | |
| б) |
Рис. 1. Микросборка на медь-полиимидном носителе:
а) – фотография (вид со стороны микросхемы); б) – схематическое изображение зон сварки носителя с микросхемой (вид со стороны носителя)
Вышеописанные способы формирования межсоединений обеспечили уменьшение количества сварных соединений в детекторных модулях практически в два раза и позволили значительно упростить сам процесс сборки. При этом в процессе сборки полностью исключена возможность коротких замыканий в областях сварки контактных площадок сенсоров и микросхем с проводниками гибких кабелей и плат. Применение гибких плат специально для микросхем позволяет не только автоматизировать процесс сборки, но и обеспечить полный функциональныйконтроль микросхем, в том числе по динамическим параметрам и, таким образом, исключить возможность появления брака из-за микросхем при дальнейшей сборке микромодулей.
Тем не менее, и в этом случае остались нерешенными некоторые проблемы, присущие традиционной COF-технологии на основе медь-полиимидных фольгированных диэлектриков. По-прежнему для обеспечения надежного безкоррозионного соединения с алюминиевыми контактными площадками микросхем и сенсоров на медные проводники гибких плат и кабелей необходимо нанесение дополнительных слоев никеля и золота, что усложняет процесс формирования гибких коммутирующих элементов. С этой точки зрения наиболее оптимальным вариантом дальнейшего совершенствования COF-технологии является применение безадгезивных алюминий-полиимидных лакофольговых диэлектриков.
Безадгезивные алюминий - полиимидные диэлектрики, используюмые в качестве гибких коммутирующих элементов в COF-технологии, обладают всеми теми достоинствами, которыми обладают и безадгезивные медь-полиимидные материалы. Однако ряд их преимуществ по сравнению с медь-полиимидными диэлектриками позволил существенно расширить возможности COF-технологии на современном этапе развития приборостроения.
Прежде всего, алюминий обладает высокой коррозионной стойкостью. Кроме того, алюминий имеет радиационную длину почти в 6 раз превышающую радиационную длину меди. Несмотря на то, что алюминий по сравнению с медью обладает меньшей механической прочностью; меньшей теплопроводностью, удельным электрическим сопротивлением примерно в 1,6 раза большим удельного электрического сопротивления меди, важное значение имеет тот факт, что алюминий почти в 3,5 раза легче меди. Благодаря малой плотности алюминия обеспечивается большая электрическая проводимость на единицу массы. Таким образом, коммутирующие элементы на основе алюминий-полиимидных лакофольговых диэлектриков позволяют максимально минимизировать массу вещества в рабочем объеме, что особенно перспективно для сенсорных систем с высокой плотностью каналов информации.
Алюминиевая COF-технология хорошо адаптируется к современному автоматизированному оборудованию ультразвуковой сварки типа Delvotec. При этом обеспечивается высокое качество и надежность сварных соединений не только из-за того, что свариваются однородные материалы (алюминиевые контактные площадки электронных компонентов и алюминиевые проводники коммутирующих элементов), но также и из-за того, что сварочные электроды, применяемые в сварочных установках, позволяют обеспечить оптимальные режимы процессов сварки. Кроме того, коммутирующие элементы на основе безадгезивных алюминий-полиимидных диэлектриков позволяют значительно улучшить емкостные характеристики электронных устройств.
СпециалистамиГосударственного предприятия Научно-исследовательский технологический институт приборостроения (ГП НИТИП, г. Харьков) разработана и освоена инновационная технология изготовления гибких коммутирующих элементов на основе безадгезивных алюминий-полиимидных лакофольговых диэлектриков и технология сборки гибридных микромодулей и электронных узлов высокой степени интеграции.
Практическое применение предложенная технология нашла при построении современных систем автоматического управления летательными аппаратами различного предназначения. Гибкие кабели и платы на основе лакофольговых диэлектриков ФДИ-А-50 и ФДИ-А-24 (полиимид толщиной 10÷20 мкм и алюминий толщиной 14÷30 мкм) характеризуются пластичностью, гибкостью и стабильностью электрических характеристик и успешно заменяют проволочный монтаж при сборке микромодулей.
Описанную компоновку невозможно реализовать при проволочном монтаже, так как в этом случае объекты сварки должны иметь одностороннее расположение и практически невозможно изменить конфигурацию проводников после сварки.
Алюминиевая COF-технология также позволяет без ограничений располагать на одних и тех же гибких платах вместе с кристаллами микросхем различные навесные компоненты. В этом случае, в отличие от СОВ-технологии, SMD-компоненты устанавливаются на платы с помощью гибких алюминий-полиимидных носителей (рис. 2, а). Сначала на гибкие носители с помощью пайки устанавливаются SMD-компоненты (рис. 2, б), а затем гибкие носители с навесными SMD-компонентами монтируются на гибкие платы с помощью ультразвуковой сварки. Контакты для пайки на носителях формируются путем химического и электрохимического осаждения слоев никеля толщиной 2 ÷ 3 мкм и олово-висмута толщиной 7 ÷ 10 мкм. Применение таких гибких носителей с SMD-компонентами позволяет заменять навесные компоненты в процессе проверки функционирования микросборок.
| а) | б) |
Рис. 2. Монтаж SMD-компонентов по COF-технологии с помощью гибких алюминий-полиимидных носителей:
а) – гибкие алюминий-полиимидные носители; б) – гибкие носители с SMD-компонентами, установленными пайкой
При этом в процессе изготовления микросборок полностью исключается опасность загрязнения основных плат остатками флюсов, а так же повышается технологичность слоев гибких плат и сборочных единиц благодаря тому, что нанесение припойных покрытий (Ni-SnBi) и сборка SMD-компонентов на гибких носителях выполняются в ходе отдельных технологических процессов.
Разработанная в ГП НИТИП инновационная технология ультразвуковой сварки алюминий-полиимидных плат и кабелей с микросхемами и приемниками радиационного излучения адаптирована для применения автоматизированных сварочных установок типа FK Delvotec-6400, ЭМ-4370 и др., позволяющих обеспечить точность позиционирования при сварке ± 3 ÷ 5 мкм.
В качестве основных материалов в разработках использованы безадгезивные алюминий-полиимидные лакофольговые диэлектрики типа ФДИ-А (ЫУО.037.042 ТУ) производства ООО “Тэтраэдр” (г. Москва, Россия).
Лакофольговые алюминий-полиимидные диэлектрики типа ФДИ-А представляют собой алюминиевую рулонную фольгу с односторонне нанесенным полипирометиллитимидным лаковым покрытием с последующей термической (при температуре 300°С в течение 30 мин) имидизацией до состояния собственно полиимида. Пленочные безадгезивные композиции были разработаны и широко применялись в СССР еще в середине восьмидесятых годов. Они нашли широкое применение в производстве лент-носителей ИС и БГИС с числом выводов до 500, гибких шлейфов, многослойных плат с числом слоев до 20 и других изделий, придавая им легкость, компактность, возможность соединения подвижных частей и формирования трехмерных схем. Однако на тот период времени алюминий-полиимидные диэлектрики использовались только для коммутации микросхем с шагом проводников 200 мкм и более. При участии специалистов ГП НИТИП в разработках гибких кабелей и плат для микромодулей международных проектов СВМ, ALICE, удалось значительно усовершенствовать сборочную технологию “сhip on flex” и адаптировать ее к самым высоким современным требованиям и задачам.
Список использованных источников
1. Фарассат Ф., Валев С. “Кристалл на плате” (СОВ): новая эра сборочной технологии // Технологии в электронной промышленности. – 2005. – № 6. – C. 71 – 76.
2. Still А. CDF Run II silicon tracking projects // Nucl. Instr. and Meth. – 2008.- A 447.-Р. 1 – 8.
3. Merkel P. et al. CDF Run IIb Silicon Detector: Тhe Innermost Layer // IEEE Transactions on Nuclear Science. – 2004. - Vol. 51, No 5. – Р. 2215-2219.
4. Tricomi A. The CMS Inner Tracker Silicon Microstrip Modules: Production and test // Nucl. Instr. аnd Meth.- 2007. - A 570. – Р. 248 – 252.