Теоретические сведения Специфика техники поверхностного монтажа

Современные темпы развития электроники определяются, прежде всего, достижениями микроэлектроники, которая позволяет решать важнейшие проблемы надежности, стоимости, габаритов и массы радиоэлектронных устройств.

Область использования микроэлектронной аппаратуры (МЭА) необычайно широка и продолжает непрерывно расширяться. Появились устройства функциональной электроники, например, акустоэлектронные, оптоэлектронные, криоэлектронные микросхемы.

Современные электронные вычислительные средства создаются на основе больших и сверхбольших интегральных схем (БИС, СБИС, УБИС) с высокой степенью интеграции (более 2 млн. элементов в кристалле) и плотностью упаковки выше 100 млн. элементов на 1 см³. Однако, соединение таких полупроводниковых БИС в ячейках и блоках ЭВС зачастую осуществляется с применением плат, имеющих невысокую разрешающую способность рисунка коммутации, что снижает общую плотность упаковки элементов изделий.

Для обеспечения необходимой жесткости конструкции ячеек и блоков и (при необходимости) теплоотвода; нередко применяют специальные металлоемкие приспособления, рамы, решетки, а для соединения ячеек и блоков между собой  плетенные проводные "ремни".

Все это значительно снижает достигнутую в кристаллах плотность упаковки, приводя к увеличению массы и габаритов ЭВС.

Высокие темпы развития микроэлектроники породили и свои противоречия, так, например:

• возрастание количества выводов у БИС и СБИС привело к существенному возрастанию монтажной площадки для корпусов, монтируемых в отверстия плат, что стало едва ли не основным препятствием для миниатюризации изделий;

• рост сложности микросхем (МС) привел к потере их универсальности, они стали пригодными только для конкретного типа устройств. В результате увеличилась номенклатура ИС, уменьшилась их тиражность;

• отсутствие завершенных рядов ИС определило различную степень интеграции отдельных функциональных узлов и блоков;

• уровни технологии изготовления сложных конструктивов (ячеек, узлов, блоков) МЭА существенно различаются (например, у МОП БИС разрешающая способность рисунка составляет 100  1000 линий/мм, а в печатных платах  1-2 линии/мм.

Все это обуславливает потери плотности упаковки, ухудшая массогабаритные и функциональные параметры МЭА.

Противоречия современной микроэлектроники определяют и тенденции ее развития:

• комплексное решение проблемы микроминиатюризации, включая идеологию разработки устройства в целом, предельное уменьшение габаритов, разработку новых методов формообразования конструктивов, техники теплообмена и др.;

• создание методов конструирования и базовой технологии для поточного производства полупроводниковых и гибридных ИС частного применения самого различного функционального назначения наряду с использованием крупносерийных универсальных ИС;

• переход к новым конструктивно-технологическим решениям формирования ячеек и блоков МЭА благодаря внедрению методов микроэлектроники.

Один из методов создания МЭА с заданными характеристиками основан на использовании бескорпусных ИС и микросборок (МСБ) частного применения. Известно, что использование бескорпусных полупроводниковых приборов и ИС ведет к существенному улучшению массогабаритных характеристик МЭА. Основной эффект здесь достигается не столько за счет увеличения плотности размещения кристаллов в МСБ и на коммутационных платах (КП) благодаря более высокой плотности выходных контактных площадок на кристалле по сравнению с плотностью выводов корпусированных ИС.

С ростом надежности бескорпусных ИС и ГИС, необходимость в их корпусировании отпадает, если в дальнейшем они герметизируются в корпусе ячейки или блока, т.е. достаточно произвести сборку и регулировку ячейки и блока, а затем осуществить корпусирование ячеек и блока в целом.

Такой подход позволяет существенно уменьшить габариты и массу ЭВС, а также решить вопрос об их ремонтоспособности и снизить трудоемкость изготовления БИС, входящих в состав ЭВС.

Вместе с тем, чрезвычайно важным является уменьшение разрыва между величинами плотности упаковки элементов, достигнутой в БИС, и плотности упаковки конструктивов в ячейках и блоках ЭВС.

Применение бескорпусных МС потребовало дальнейшего совершенствования КП, т.к. их конструкция и плотность проводников были оптимизированы в соответствии с плотностью выводов корпусированных ИС. Новая коммутационная плата выполнена методами тонкопленочной технологии и представляет собой многослойную систему ортогональных проводников на анодированной из алюминиевого сплава подложке и полиимидных пленках. Такая КП со смонтированными на ней навесными компонентами представляет собой сверхбольшую гибридную интегральную МСБ, выполняющую одну или несколько законченных функций; поэтому ее также называют функциональной ячейкой (ФЯ).

Двусторонняя и сдвоенная ФЯ обеспечивает примерно вдвое большую плотность упаковки конструктивов по сравнению с односторонней. Однако, увеличение функциональной сложности ячеек приводит к обострению проблемы создания надежной коммутации в пределах ФЯ и одновременно к обострению проблемы теплоотвода.

Обе эти проблемы успешно решаются применением нового конструкторско-технологического варианта производства ФЯ, в котором функции несущей конструкции теплоотвода и подложки большой гибридной ИМС объединены и выполняются металлической (из алюминиевого сплава) платой, покрытой слоем анодного окисла, а функции коммутационной платы  системой гибких полиимидных пленок с нанесенными на них (с применением тонкопленочной технологии) проводящими дорожками. На анодированной металлической плате создается один слой проводников и резисторов, а два или более числа слоев коммутации могут быть созданы в виде многослойной полиимидной коммутационной платы (МПКП).

Коммутационные переходы с одной стороны единичной гибкой платы на другую осуществляется системой металлизированных отверстий. Единичные гибкие КП набираются в пакет и присоединяются к анодированной металлической плате методом групповой пайки, для чего на последней предварительно формируются контактные площадки, покрытые припоем. На полиимидных гибких платах, в соответствии с контактными площадками подложки, имеются переходные металлизированные отверстия. При подогреве системы подложка  гибкие печатные платы в условиях вакуума припой поднимается по переходным отверстиям, и, застывая, образует прочные коммутационные соединения и одновременно механическое крепление. Для изоляции коммутации между единичными гибкими КП в пакете МПКП используют прокладки из полиимидной пленки с системой отверстий в местах межслойных переходов.

Бескорпусные БИС и другие компоненты могут быть смонтированы как на поверхности МПКП, так и непосредственно на анодированной металлической плате через окна, сформированные в КП. Переходы с одной стороны КП на другую в такой ФЯ могут осуществляется с помощью гибких шлейфов на полиимидной пленке.

Спроектированное на такой конструкторско-технологической базе ОЗУ емкостью 1024 кбит 16-разрядных слов имеет объем 45 см³. Аналогичное ОЗУ на той же элементной базе и традиционных платах занимает объем 135 см³. Выигрыш в объеме в 3 раза достигается за счет сокращения объема несущей конструкции и объема электрических соединений. По сравнению с ФЯ на печатных платах, ФЯ на МПКП достигается 5-20-кратное уменьшение габаритов и массы.

Сравнительная характеристика разводки плат, изготовленных с применением разных материалов и разных технологий металлизации приведена в табл.1.

Обоснование выбора материалов для изготовления коммутационной платы

Одним из перспективных конструкторско-технологических вариантов исполнения внутриблочных соединений является применение многослойной гибкой МПКП.

Способность неоднократно изгибаться и свертываться в трех плоскостях, принимать форму корпуса сложной конфигурации, малые толщины и, соответственно, малая масса, повышенная ударопрочность - вот далеко неполный перечень преимуществ применения гибких МПКП в МЭА. Особенно очевиден эффект применения многоуровневых гибких плат в качестве межъячеечной и межблочной коммутации взамен навесных проводников, плетеных ремней, круглых и плоских кабелей.

В настоящее время при разработке изделий с гибкими МПКП выделились несколько их конструкторско-технологических направленностей, определяемых дальнейшим повышением требований и монтируемых компонентов в устройствах МЭА:

• использование тонкопленочной технологии для создания коммутационных элементов гибких МПКП, включая фотолитографию и вакуумное осаждение пленок;

• комбинированное применение гибких и жестких плат;

• использование в качестве жестких плат металлических оснований, покрытых слоем диэлектрика, как конструкционного материала, который наиболее эффективно обеспечивает жесткость конструкций и теплоотвод от компонентов при эксплуатации аппаратуры.

Эти конструкторско-технологические направленности, связанные с развитием техники монтажа МЭА и предъявляют ряд специфических требований к выбору материала гибких оснований, к технологическим операциям при изготовлении плат и МСБ на их основе. Материалы гибких полимерных плат для МСБ и ячеек МЭА прежде всего должны обладать высокими удельными объемными и поверхностными сопротивлениями, низкой диэлектрической проницаемостью для уменьшения паразитных связей между элементами схем.

По физико-механическим свойствам материал гибкого основания должен обеспечивать:

• высокую механическую прочность при малой толщине платы;

• хорошую теплопроводность;

• достаточную тепловую, химическую и радиационную стойкость, размерную стабильность;

• ТКЛР, близкий к ТКЛР материалов, наносимых на основание платы для уменьшения внутренних механических напряжений в структуре.

Кроме того, важными технологическими характеристиками гибких полимерных плат следует считать:

Сравнительная характеристика плат, изготовленных по различным технологиям

Таблица 1

Разновидности конструкторско- технологических вариантов коммута-ционных плат	Плотность разводки на всем поле, линий/мм	Число слоев комму- тации	Максимальные размеры платы, мм	Удельное максимально допустимое тепловы-деление, Вт/см2	Механическая прочность (относит.)	Ремонтоспособность, (относит.)	Контроль
1	2	3	4	5	6	7	8
Многослойные печатные платы	0,3-1, 0	2-12	500 x 500	0,02	0,2	0,5	Электрический и по внешнему виду
Многослойные керамические платы (пакетная и толстопленочная технологии)	1-2	2-30 и более	30 x 24 и более	0,3	1,0	0,5	’’ ’’
Платы, изготовленные по толстопленочной технологии (с послойным наращиванием)	1-1	2-6	60 x 48 и более	0,1	1,0	1,0
Платы, выполненные по тонкопленочной технологии	3-5	2-4	60 x 48	0,05	0,5	1,0	’’
Платы, изготовленные с применением полиимидной пленки на анодированном алюминии (пакетная и тонкопленочная технологии)	5	2-15 и более	100 x 100 и более	0,5	10,0	1,0	Только по внешнему виду

• возможность избирательного травления;

• прочность на разрыв, растяжение, изгиб;

• стойкость к трению;

• минимальный объем газовыделений в вакууме при высоких температурах.

Перечисленным требованиям наиболее полно удовлетворяет полиимидная пленка, для которой наряду с высокой прочностью на растяжение, хорошими изоляционными свойствами, химической стойкостью, несгораемостью характерен ряд свойств, которые делают ее незаменимой в производствах КП, связанных с вакуумным осаждением пленок и процессами травления. Это, прежде всего, наиболее высокая среди полимеров температурная устойчивость (пленка не теряет гибкости при температурах жидкого азота и, в то же время, выдерживает температуры до 673К), отсутствие существенных газовыделений в вакууме до температур 473-523 К, высокая радиационная устойчивость и способность к однородному травлению в сильных щелочных средах.

Полиимидная пленка относится к классу линейных полимеров.

Промышленный полиимид получают двухстадийной поликонденсацией ангидридов ароматической четыреэоосновной карбоновой кислоты и ароматических диаминов, в результате которой образуется промежуточный продукт высокомолекулярная линейная полиамидокислота. Эта кислота затем обезвоживается в определенных условиях, при этом внутри ее молекул происходит циклогидратация и получаются линейные полимерные имиды. В зависимости от задаваемой степени циклизации, полиимидные пленки имеют различные электрофизические, химические, механические и др. характеристики, например, растворимость в щелочных растворах, усадку при термообработках, пластичность, удельное электрическое сопротивление и т.д., что позволяет использовать их в разнообразных областях промышленности. В промышленности применяется полиимидная пленка марки ПМ толщиной 30-120 мкм. Она не растворяется ни в одном растворителе, а также в кислотах, но менее устойчива в щелочных растворах, поэтому при формировании рисунка коммутации на ее поверхности, либо рисунка для получения в ней отверстий применяют негативный фоторезист.

Основные характеристики полиимидной пленки

Плотность, г/см³ 1,42 Удельное электрическое сопротивление, Омсм³ 10¹⁷ (25°С) фф 10¹² (250°С) Диэлектрическая проницаемость 3,5 Электрическая прочность, кВ/мм 100-200 Температура плавления, С 800 Теплоустойчивость, С 420 Морозостойкость, С 190 Коэффициент температурного линейного расширения, 1/град. 210^-5 Срок службы, лет 10 (200°С)

Для придания полиимидной пленке хороших адгезионных свойств по отношению к материалам коммутации, обычно проводят обработку ее поверхности в тлеющем разряде (так называемую "активацию" поверхности пленки), а перед проведением этого процесса, как правило, производят химическую очистку пленки в щелочных травителях и ее промывку деионизованной водой. При сильном термическом воздействии (температура более 200°С) плотность, интенсивность окраски и вязкость полиимидной пленки увеличиваются, поэтому важно правильно подбирать технологические режимы на операциях, связанных с нагревом пленки.

Предварительная кратковременная термообработка полиимидной пленки позволяет свести к минимуму ее усадку. Следует отметить также, что полиимидная пленка чувствительна к влаге, которая в частности может изменять линейные размеры пленки.

Использование полиимидной пленки в качестве несущего основания (кроватки или ложа) для навесных компонентов (например, полупроводниковых БИС, то есть кристаллов) позволяет создать новую (полукорпусированную, либо в микрокорпусе) конструкцию навесного компонента (так называемого кристаллодержателя на гибком носителе) для высокоплотного монтажа на поверхности платы. Такая конструкция компонента является промежуточным вариантом между бескорпусным кристаллом (занимающим минимальную площадь на плате, но создающим трудности автоматизации (на среднем и высоком уровне сборочно-монтажных операций) и традиционной корпусированной БИС, занимающей гораздо большую, чем бескорпусной кристалл, площадь на плате. Упрощение автоматизации сборочно-монтажных работ при изготовлении ФЯ (или законченных изделий) с применением кристаллодержателей возможно благодаря прецизионной организации для кристалла выводов на гибкой пленке, что позволяет реализовать групповую технологию микроконтактирования компонентов на знакоместах платы.

К недостаткам полиимидных пленок можно отнести:

• несколько повышенное водопоглощение;

• относительно высокая стоимость самой пленки, которая не столь существенна для МЭА ввиду малой массы потребляемого материала.