MIKROELEKTRONIKA A TECHNOLOGIE SOUČÁSTEK

Transkript

1 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Vysoké učení technické v Brně MIKROELEKTRONIKA A TECHNOLOGIE SOUČÁSTEK Garant předmětu: Doc. Ing. Ivan Szendiuch, CSc. Autor textu: Doc. Ing. Ivan Szendiuch, CSc. Studijní předmět oboru Mikroelektronika a technologie součástek

2 OBSAH 1. ÚVOD TECHNOLOGICKÁ INTEGRACE V MIKROELEKTRONICE ELEKTRONICKÉ SOUČÁSTKY Pasivní součástky Polovodičové součástky Ostatní součástky Vývoj v pouzdření moderních elektronických součástek Vývoj v pouzdření systémů Další vývoj v oblasti pouzdření Multičipové moduly (MCM) Polovodičový čip Flip Chip K OTÁZCE JAKOSTI Klasifikace chyb měření Systém řízení jakosti v povrchové montáži O ŽIVOTNÍM PROSTŘEDÍ Poskytování informací veřejnosti Legislativa v ČR SEZNAM CIZÍCH ZKRATEK A VÝRAZŮ LITERATURA...54

3 Poznámka autora: Poněvadž mikroelektronická montážní technologie představují oblast nacházející se v prudkém vývoji, obsahuje text celou řadu cizích slov a zkratek. Tyto jsou uvedeny tučnou kurzivou, je u nich na počátku vždy uveden český výraz, a na konci textu je uveden jejich seznam. To je z toho důvodu, aby byla případným zájemcům usnadněna lepší orientace v zahraniční, převážně anglické literatuře.

4 1. ÚVOD Elektrotechnický průmysl se stává na prahu 21. století, v době kdy se stále více hovoří o nástupu tzv. nové ekonomiky využívající ve stále rostoucí míře nejmodernější informační technologie, jedním z nejdynamičtěji se rozvíjejících průmyslových oblastí. Pojem nová ekonomika není vázán v žádném případě pouze na jediný mechanizmus (jak tomu bylo většinou v minulosti), ale je spojen s celou řadou strukturálních změn prakticky ve všech odvětvích. Jedním z průvodních jevů je rostoucí úloha síťových odvětví především v samotné ekonomice. Zjednodušeně řečeno to znamená, že jednu z hlavních úloh sehrává ekonomická zákonitost úspory z rozsahu, což se projevuje ve výrobním procesu trvale klesající křivkou nákladů. Průvodním jevem přitom je neustálý růst úspěšných firem (často na úkor firem neúspěšných ), až do fáze dosažení určitého monopolního postavení na trhu. Dochází k výraznému dělení typů firem do dvou kategorií, na tzv. OEM (Original Equipment Manufacturing) a CM (Contract Manufacturing). OEM představují výrobce finálních zařízení a systémů (např. Siemens, Philips, Sony atd.), kteří v rámci minimalizace nákladů využívají pro dílčí zakázky právě CM. Největší rozvoj v elektronickém průmyslu je na první pohled patrný hned v několika oblastech, jako jsou např. telekomunikace (zvláště bezdrátový přenos), výpočetní systémy, automobilový průmysl, spotřební elektronika, lékařská technika, ale i celé řady dalších oblastí zasahujících dnes prakticky všechna průmyslová odvětví. V současné době prakticky neexistuje průmyslové odvětví, jež by nevyužívalo elektronické zařízení či systémy. Obecným trendem je v současné elektronice vyrábět zařízení tzv. inteligentnější, přinášející stále větší celkový přínos jeho uživateli, a to vše přitom za přiměřenou cenu. V elektronickém průmyslu to znamená vyrábět zařízení nejenom dokonalejší a výkonnější, ale také lehčí, menších rozměrů, která pracují rychleji než ta současná a mají také neustále více funkcí. Do popředí jejich hodnocení se dostávají údaje o jakosti (je požadována co nejvyšší) a o ceně (musí být co nejnižší, resp. taková aby byla konkurenceschopná). Jinými slovy řečeno, veškerá činnost směřuje k vytvoření takových výrobků které jsou schopny se prosadit v celosvětové konkurenci a zajistit tak úspěšnost na trzích. Položme si otázku, co vše je skryto za vývojem a výrobou neustále nových výrobků a na čem vše závisí? Obecně vývojový trend směřuje k miniaturizaci a větší kompaktnosti, kdy je přitom stále více funkcí integrováno do jediného celku (systému). Hnací sílou jsou v

5 podstatě požadavky trhu spojené s touhou výrobců tyto požadavky uspokojovat a získávat tak nová odbytiště. Z technického pohledu je to vývoj stále novějších (inovovaných) a dokonalejších elektronických obvodů a systémů, u nichž jsou stále intenzivněji patrné dvě složky: technologická (hardware) a programová (software). Jejich vzájemným účelovým spojením a funkční provázaností pak jsou definovány konkrétní systémy, ať už ve formě elektrických obvodů, přístrojů či zařízení. Jedná se o nekonečný vývoj vzájemně závislých oblastí, jejichž korelace je stále silnější. V důsledku stále intenzivnějšího vývoje je třeba i z hlediska požadavku na vzdělávání a přípravu elektrotechnických odborníků reagovat dynamicky. I když odborné zaměření je stále nezbytné, z hlediska chápání principů a souvislostí je stále více nutný jeho interdisciplinární charakter. Ten je pak nezbytný především pro rozhodování na všech stupních řízení, kde se uplatňuje stále více vzájemná provázanost a kontinuální nutnost koordinace. V oblasti samotných mikroelektronických technologií má dominantní postavení polovodičový čip. Současný trend směřuje k integraci celého systému na jediném čipu, nebo do jediného integrovaného celku, což znamená, že jednotliví výrobci budou muset spolupracovat mnohem těsněji se zákazníky. Bude nezbytné opustit specializovaný přístup a zaměřit se na úvahy týkající se konečného provedení systémů. Budou vznikat v nezbytné míře mezičlánky charakteru CM zabývající se např. finální úpravou a dokončením čipů, ale také jejich montáží. Vzhledem k tomu, že vývoj na polovodičových čipech probíhá intenzivně a systematicky již několik desetiletí, stal se polovodičový čip dominantním a výchozím článkem každého elektrického systému. Současně ale nastala situace, kdy je třeba se stejně intenzivně zabývat vším, co souvisí s montáží čipů včetně pouzdření a také s jejich propojováním, a dále také s konstrukčním uspořádáním komplexních systémů včetně řešení pasivních sítí, vstupů a výstupů (senzorů a atenuátorů) a veškerých podpůrných částí. Tak vznikla v posledních letech nová, ale přitom klíčová oblast zabývající se elektronickým pouzdřením a propojováním (Packaging and Interconnection). Tento výraz z oboru mikroelektronických technologií nelze chápat jako doslovný překlad "pouzdření a propojování", neboť je třeba si uvědomit, že v sobě skrývá řešení široké škály souvisejících technických okruhů nejen z kvantitativního ale i z kvalitativního hlediska. Proto lze přijmout výstižnější termín "integrovaná montáž", jež zahrnuje jak řešení stávajících problémů (mechanická ochrana, chlazení, elektrické propojení, stínění atd.), tak i nové koncepce a principů různého provedení a uspořádání nejen aktivních, ale i pasivních a dalších pomocných prvků a obvodů. Výrobní a realizační postupy pak popisují a definují mikroelektronické

6 montážní technologie. To vše směřuje k smysluplné výrobě systémů, které v sobě zahrnují nejen veškeré fyzické části (hardware), ale i co nevětší objem vlastního programového know-how (software). Aktuální světový vývoj v oblasti návrhu a výroby elektronických systémů je charakterizován vývojovými megatrendy. Jedním z nich je nástup technologické integrace, jež sebou přináší kromě nových technických řešení směřujících k integrace celých systémů do jediného celku také nové požadavky na přístup a myšlení pracovníků prakticky na všech úrovních řízení. Nezvratnou skutečností je kromě jiných fakt, že elektronika dnes pronikla prakticky nejen do všech průmyslových odvětví, ale i do celé terciální sféry. I zde platí obecné pravidlo ekonomické prosperity, přičemž výstupy jsou hodnoceny v prvé řadě dvěma základními parametry cenou a jakostí. Splnění požadavků na dosažení konkurenceschopnosti v obou těchto směrech vyžaduje kromě jiného neustálou inovaci znamenající aplikování nových principů v rozhodování a řízení výrobních procesů. Přitom prvotním údajem pro zahájení jakékoliv činnosti je zpravidla důkladná analýza trhu. I tento fakt podporuje nezbytnost rozvoje vzdělávacího procesu do interdisciplinárního charakteru, což je dalším charakteristickým rysem současného vývoje. Ne nadarmo se objevují stále častěji podložená tvrzení, že zaměstnanecký kapitál firmy představovaný jejím vědomostním potenciálem je nejcennější strategickou silou a současně i nástrojem pro konkurenční schopnosti i perspektivy dalšího rozvoje.

7

8 2. TECHNOLOGICKÁ INTEGRACE V MIKROELEKTRONICE Neustále rostoucí požadavky trhu na parametry elektronických zařízení a systémů přibližují stále více nároky na technické řešení spojené s uživatelským komfortem a spolehlivostí na straně jedné a nízkou cenou na straně druhé. Obrazně a zjednodušeně řečeno, má-li být každý nový výrobek úspěšný, musí mít jakost srovnatelnou a cenu pokud možno nižší, než výrobky konkurenční. Tato skutečnost vyvolala v posledních letech nutnost změnit přístup k řešení konfigurace výrobních procesů, založenou na novém pojetí technologie, a to jak po obsahové (kvantitativní) stránce, tak i po stránce významové (kvalitativní). Obě tyto části však spolu úzce souvisí a ve svém důsledku znamenají, že technologie přestala být popisnou vědou založenou pouze na mechanických a chemických proměnách látek a materiálů, jak byla chápána dlouhá léta v minulosti. Do okruhu působnosti moderního pojetí technologie vstupují nové aspekty spojující stále více oblasti vědy a výzkumu, výroby a také užívání (aplikací). Stále více nabývá na významu sledování jakosti ale současně i nákladů, s čímž úzce souvisí další parametry, jako např. produktivita či výtěžnost výrobního procesu. Tím dochází k vytvoření úzké vazby technologie na ekonomiku. Vše nasvědčuje tomu, že technologie v obecném pojetí se dnes stala aplikovanou vědou, a to již nejen technickou, ale i společenskou. Z pohledu výroby elektronických zařízení vyžadují tyto nové skutečnosti zásadní změny v přístupu a myšlení všech subjektů zúčastněných v technologickém procesu. To znamená, že stále významnější roli sehrává osobní odpovědnost a přístup každého jedince zapojeného v procesu, přičemž odpovědnost roste s výší jeho postavení v dané hierarchii. Základním předpokladem ekonomického úspěchu je vytvoření odpovídajícího prostředí pracujícího podle organizačního systému pro řízení všech činností potřebných ke vzniku každého nového výrobku. Proto je třeba aby každý jedinec byl schopen rozhodovat v průběhu dílčích řešení na základě daleko širších souvislostí a na základě daleko širšího spektra informací a znalostí, než tomu bylo v minulosti. To znamená, že musí umět pracovat s informacemi, což znamená že musí být schopen získávat potřená data, tyto správně vyhodnocovat a co je nejdůležitější dokázat je také účinně využívat. Nové pojetí technologie v elektronice vychází z vývoje procesu integrace, jež se však v tomto případě netýká pouze technologie polovodičových integrovaných obvodů, ale je rozšířena na celý systém a sahá až do rámce samotného technologického procesu, jak je

9 znázorněno na obr. 1. Pojem technologická integrace spojuje v elektronice celou řadu dříve samostatných oblastí, jež jsou dnes propojeny datovými soubory, předpisy, protokoly apod., které jsou nezbytné k úspěšnému řešení každého výzkumného, vývojového nebo výrobního úkolu. Je to vlastně neustále se větvící řetězec informací, vyžadující pochopení a respektování řady vzájemných souvislostí, jež se odvíjí od počátečního průzkumu trhu, přes vývoj a návrh, výrobu, užívání, servis, až po samotnou likvidaci každého výrobku. Obr.1 Znázornění jednotlivých složek technologie z pohledu technologické integrace Výše míry pochopení aplikace těchto nových skutečností je strategicky neobyčejně významná a má přímé ekonomické důsledky. Z obr. 1 je dobře patrné, že výrobní proces je formován celou řadou požadavků, počínaje průzkumem trhu, a konče řešením způsobu likvidace každého výrobku. V přípravě samotného výrobního procesu existují tři důležité hlediska návrh, výběr typu komponent a volba montážní technologie, přičemž žádná nemá prioritu. To je dáno tou skutečností, že stupeň integrace dosáhl takové míry, že rozhodování o konečném řešení se posouvá stále více k finálnímu výrobci, ba dokonce k uživateli. Z uvedeného vyplývá, že jednotlivé části jsou vzájemně propojeny a při opomenutí nebo podcenění zdánlivě zanedbatelných maličkostí v jedné oblasti může dojít k nenapravitelným negativním důsledkům v ostatních oblastech, především pak ve výrobě. Otázky: 1) Co je to technologická integrace? 2) Jaké jsou součásti technologické integrace?

10 3. ELEKTRONICKÉ SOUČÁSTKY Elektronické součástky se dnes vyskytují v nejrůznějších formách a tvarech, jež jsou často přizpůsobeny konkrétním aplikacím. Proto je třeba je spojovat vždy s řešením určitého obvodu, zařízení či systému. Snahou je integrovat pasivní součástky do pouzdra, a takový celek se nazývá SOP System on Package (systém v pouzdře) nebo na substrát resp. čip, potom se jedná o SOC System on Chip (systém na čipu). Z toho je patrné, že konstrukce každé součástky je stále více spojována s jejím provedením pouzdrem. Elektronické součástky dělíme z obvodového hlediska na. Pasivní Aktivní 3.1 Pasivní součástky Pasivní součástky jsou a budou nezbytnou součástí elektronických systémů. Nahlédneme-li do některého elektronického systému (osobní počítač, mobilní telefon, televizní kamera či přijímač a pod.), na první pohled lze rozpoznat několik integrovaných obvodů a nemalý počet pasivních součástek. Odhadovaný poměr pasivních součástek ku polovodičovým součástkám je kolem 20 : 1. Proto jsou právě pasivní součástky jednou z cest snižování hmotnosti, rozměrů a také ceny. Jejich integrace musí rovněž následovat trendy obecného vývoje, což je i zvyšování spolehlivosti pasivní sítě (menší počet pájených spojů), lepší elektrické vlastnosti (nižší parazitní ztráty) a snížení nákladů pro montáž. Existují dvě cesty naplňující uvedené požadavky, jimiž jsou: snižování rozměrů vývoj nových konstrukčních řešení. Pasivní součástky můžeme dělit podle různých kritérií ale nejčastěji je používáno dělení podle způsobu provedení: - diskrétní klasické - diskrétní čipové - integrované - vrstvové (TLV nebo TV) - polovodičové (difúzní nebo implantované) - včleněné (např. jsou součástí pouzdra) - pole, matice (Arrays) - sítě (Networks)

11 Rezistory, jsou pasivní součástky vyznačující se schopností absorbovat určitý elektrický výkon, který je úměrný hodnotě jejich elektrického odporu viz Ohmův zákon. Jsou realizovány s pomocí odporových materiálů, jako jsou uhlíkové, cermetové, oxidové a jiné vrstvy či tělesa, nebo také dráty. Technologie výrobního procesu je nejčastěji tlustovrstvá (nevakuová) nebo tenkovrstvá (vakuová). Kondenzátory jsou pasivní součástky vykazující schopnost hromadit náboj viz Coulumbův zákon. Stěžejním materiálem kondenzátoru je dielektrikum, jež je charakterizováno řadou parametrů, např. permitivitou. Pro dielektrikum se používají keramické materiály (typ I, II a III), slída, plastové materiály (polyester a polystyren) a také oxidy (např. hliníku či tantalu). V mikroelektronice se využívají kondenzátory aditivním způsobem nazývané výstižně vrstvové, jež jsou realizovány tlustovrstvou či tenkovrstvou technologií. Induktory jsou nazývány často cívky, neboť jsou většinou vinuty či alespoň uspořádány do spirálového tvaru. Lze je charakterizovat jako zásobníky magnetické energie. Permeabilita je vlastnost materiálu působící jako měrná magnetická vodivost. V mikroelektronice se využívají tzv. plošné cívky, budˇrealizované tlustovrstvou či tenkovrstvou technologií, nebo přímo na plošných spojích. Významným mezníkem v trendu snižování rozměrů pasivních součástek je zavedení technologie povrchové montáže, kde v závěru 70. let byl nejrozšířenějším rozměrem čip kvadrátového tvaru označovaný jako typové provedení 1206 (3 mm x 1,5 mm) [ 1 ]. O deset let později to již byl typ 0805 (2 mm x 1,2 mm) a dnes je již běžně používán typ 0603 (1,5 mm x 0,75 mm) a 0402 (1 mm x 0,5 mm). Dále se začíná sledovat typ 0201 (0,5 mm x 0,25 mm), jehož masové využití lze předpokládat v blízké budoucnosti a hovoří se také o typu (0,25 x 0,125) mm. Druhou cestou je vznik nové generace pasivních součástek, jež budou přímo integrovány do nových typů substrátů, jak je naznačeno na obr. 6. Rozhodující roli zde sehrává vývoj nových materiálů, a to jak pro substráty, ať už anorganické (korund, nízkoteplotní keramické směsi), nebo organické (dosud známé epoxidy, polyestery, kyanidestery, polyimidy, polytetrafluoretyleny, i nově vyvíjené např. tekuté polymerní krystaly), tak i pro samotné pasivní součástky. Zde se jedná o nové typy vodivých a dielektrických materiálů, včetně polymerních, aplikovaných tenkovrstvou a tlustovrstvou technikou.

12 Pasivní součástky zůstanou nezbytnou součástí příštích generací elektronických obvodů a systémů. Je však možné očekávat jejich další miniaturizaci a nástup nových typů materiálů pro jejich výrobu. Otázky: 1) Čím se vyznačují pasivní prvky a jak je rozdělujeme? 2) Jak se liší jednotlivé provedení odporů a kondenzátorů? 3) Co vyjadřuje označení součástky0805 a o jakou součástku se jedná? 3.2 Polovodičové součástky Hlavní částí polovodičových součástek jsou polovodičové čipy, na nichž je realizována polovodičová struktura zajišťující požadovanou elektrickou funkci. Vývoj polovodičových čipů pokračuje od šedesátých let takovou intenzitou, že hustota prvků na čipu se zvyšuje každých deset let přibližně stokrát. Jedním z hlavních důvodů je neustálé zdokonalování litografických procesů při výrobě polovodičových čipů, kde je dnes již běžně ve výrobě zvládnuto rozlišení 0,18 µm. Tyto skutečnosti, spolu se stále vyšší čistotou výchozího polovodičového materiálu (převážně křemíku), při standardním průměrem waferu 200 mm (v nedaleké budoucnosti lze očekávat přechod na 300 mm), umožňují nadále zvyšovat také rozměry čipů, a vytvářet stále složitější obvody. Zatímco na začátku 70. let byl typický rozměr čipu (3 x 3) mm, o dvacet let později to již bylo (1 x 1) cm. Nyní např. čip paměti DRAM s kapacitou 16 Gbit má rozměr (1,6 x 3) cm, mikroprocesory pak i více, a v blízké budoucnosti se očekává ještě další nárůst rozměrů (předpokládají se plochy čipů několik desítek cm 2 ). S rostoucí hustotou a velikostí čipů dochází ke zvyšování počtu prvků na čipu (ať už tranzistorů, hradel či dalších funkčních bloků). U procesoru Pentium III již počet prvků na čipu přesáhl hranici deseti milionů, a u dalších typů se neustále zvyšuje. Tato skutečnost s sebou přináší i změnu dalších parametrů, jako je např. nárůst ztrátového výkonu na čipu, zvyšování maximální hodnoty pracovního kmitočtu, ale co je důležité z konstrukčního hlediska také stále větší počet vývodů, jak je patrné z tab. I.

13 Tab. I. Některé charakteristické parametry znázorňující vývoj čipů v letech 1992 až 2004 Rok Parametr Velikost čipu (mm 2 ) max. 250 max. 400 max Litogr. rozlišení (µm) 0,5 0,35 0,25 0,18 0,12 Max. ztrátový výkon (W) Kmitočet (MHz) ? GHz Počet vývodů max Cena waferu ($ za cm 2 ) 4,20 3,90 3,75 3,65 3,60 Z parametrů uvedených v tab.i., jež je třeba považovat za informativní, je zřejmý rostoucí trend kvalitativního vývoje parametrů čipů prakticky ve všech směrech, což však nemusí být rozhodující pro konečné parametry elektronického systému v němž čipy pracují. Tato skutečnost je dobře patrná u kmitočtu, kde po připojení čipu na substrát poklesne pracovní kmitočet sytému přibližně na polovinu hodnoty dosahované na samotném čipu. To souvisí s řadou faktorů týkajících se nejen samotného provedení čipu (např. uspořádání vývodů), ale také se způsobem jeho montáže do pouzdra resp. na substrát, a v konečné fázi i s celkovým řešením propojení jednotlivých čipů mezi sebou a s ostatními pasivními prvky. Dnes je k dispozici celá řada polovodičových součástek - čipů. Každý je určen pro konkrétní použití podle příslušné specifikace. Základ čipu tvoří polovodičová destička, nejčastěji z křemíku, do jehož objemu je vytvořena vlastní struktura. Na povrchu je čip chráněn oxidovou vrstvou, na níž jsou umístěny vodivé plošky kontakty pro připojení čipu do obvodu. Provedení kontaktů a tedy I připojení do obvodu může být různé. Při výrobě polovodičových čipů se používají především následující technologické operace: - epitaxe (vytvoření definovaných polovodičových vrstev s vodivostí typu p nebo n) - oxidace (vytvoření izolačních, ochranných, pasivačních a dielektrických vrstev) - difúze (dotování polovodičových materiálů, vytváření PN přechodů) - iontová implantace (velmi přesné dotování a vytváření PN přechodů) - litografie (vytváření masek pro dosažení požadované struktury na čipu) - naprašování a vakuové napařování (vytváření vodivé sítě a kontaktů) Jedním z určujících parametrů hodnotících příslušnou technologii používanou při výrobě polovodičových čipů dnes je litografické rozlišení někdy nazývané rozlišovací schopnost. Ta vyjadřuje nejmenší možný rozměr čára-mezera, jenž je možné využít při

14 realizaci polovodičové struktury. V současné době se standardem označovaná 0,18 µm. stala technologie Otázky: 1) Co je to wafer a jakých dosahuje rozměrů? 2) Jak se vyvíjelo litografické rozlišení v polovodičové technologii? 3) Jaký rozdíl je mezi oxidací, iontovou implantací a naprašováním? 3.3 Ostatní součástky Mezi ostatní součástky lze zařadit filtry, relé, spínače a vypínače, konektory, baterie, reproduktory. Dnes existuje nepřeberné množství těchto komponent, od nejrůznějších výrobců, jež jsou často určeny pro konkrétní typ aplikace. Jsou řešeny buď s drátovými nebo kolíkovými vývody pro pájení na plošné spoje, nebo s kontaktními ploškami pro povrchovou montáž. 3.4 Vývoj v pouzdření moderních elektronických součástek Průmyslové odvětví elektroniky se vyznačuje charakteristickými znaky vývoje, jež stále více sledují požadavky trhu. Zákazník se tak stává jedním z prvních článků určujících nové směry vývoje. I když výčet požadavků či jejich priorita se může lišit dle různých hledisek, ze světového pohledu lze najít některé společné znaky vývoje, jež lze pro blízkou budoucnost charakterizovat vývoj v elektronice následujícími trendy: CMOS Complementar Metal Oxide Semiconductor (logické obvody realizované unipolárními tranzistory) zůstane základní a pravděpodobně i vůdčí technologií při realizaci polovodičových čipů hlavním technologickým cílem bude zvyšování hustoty integrace a snižování ztrát energie nové materiály a inovace v materiálových vědách bude mít stále důležitější a hlubší význam rozhodující roli v tržních mechanizmech převezmou informační systémy mikroelektronický trh poroste přibližně dvojnásobně rychleji něž trh elektronický vzdělávání bude mít stále více interdisciplinární (mezioborový) charakter

15 Na druhé straně avizovaný vývoj nemůže být nekonečný, a proto lze předpovědět i některé limitující skutečnosti. Jsou to především: zmenšování rozměrů polovodičových struktur nepůjde pod rozměr velikosti atomů rychlost signálu nepřekročí 20 cm/ns pro elektrickou izolaci mezi prvky bude nutné počítat s tloušťkami alespoň několik nm Z konstrukčního hlediska jsou dnešním standardem řešení koncepce nejen mobilních telefonů, ale téměř všech elektronických systémů včetně počítačů jednotlivé vícevrstvé desky plošných spojů, na nichž jsou připojovány a propojovány součástky v různých pouzdrech. To znamená, že dnes je z konstrukčního hlediska důležitější namísto samotného čipu provedení pouzdra. Pouzdra dělíme do následujících skupin: A. Pouzdra s páskovými vývody Do této skupiny pouzder patří miniaturní plastická pouzdra v provedení Dual in Line (DIL), někdy také nazývaná Dual In-line Package (DIP) s vývody na dvou protilehlých stranách, označovaná ve zmenšeném provedení pro povrchovou montáž SO (Small Outline), dále plochá čtvercová nebo obdélníková plastická pouzdra s vývody na čtyřech stranách označovaná QFP (Quad Flat Pack), a tzv. čipové nosiče označované CC (Chip Carrier). Tyto jsou v provedení s páskovými vývody převážně plastické PLCC (Plastic Leaded Chip Carrier), výjimečně pak keramické CLCC (Ceramic Leaded Chip Carrier). Jednotlivé typy znázorňuje obr. 2. a) b) c) Obr. 2. Pouzdra integrovaných obvodů s páskovými vývody používaná v technologii povrchové montáže a) SO pouzdro DIL b) pouzdro PLCC c) pouzdro QFP V současné době existuje značný počet nejrůznějších rozměrů a typů pouzder, což je způsobeno skutečností, že řada z nich byla vyvinuta pro určitý typ čipu a určitou aplikaci. Pro vlastní montáž do obvodu jsou rozhodující tvar a rozteč vývodů.

16 Pouzdra DIL s vývody pro montáž do děr (rozteč 2,54 mm) vykazují s nárůstem počtu vývodů také neúměrný nárůst celkové plochy. U pouzder s větším počtem vývodů než 20 je již efektivita pouzdření velmi nízká. Rozšířeným pouzdrem s větším počtem vývodů, určeným pro montáž do děr nebo do patice, je PGA (Pin Grid Array). Toto pouzdro bylo vyvinuto pro hradlová pole a procesory v počítačích. Má čtvercový tvar a umístění kolíkových vývodů na spodní straně základny Běžně používanou rozteč 2,54 mm lze však ztěží snižovat, neboť v souvislosti s velkým počtem otvorů na malé ploše by mohlo dojít k růstu mechanického namáhání (především při zvýšení teploty), a tím i ke snížení spolehlivosti. Z toho lze usoudit, že pouzdra s vývody určenými pro montáž do děr dosáhla svého vrcholu a nelze předpokládat jejich další miniaturizaci. V technologii povrchové montáže se používají pro pouzdra integrovaných obvodů dva typy vývodů, a to více rozšířené Gull Wing nazvané podle tvaru podobajícímu se křídlu letícího racka (pro pouzdra SO, QFP a v některých případech i pro PLCC), a dále tak zvané J Lead (především pro pouzdra PLCC) blížící se svým tvarem písmenu J zahnutému k tělu pouzdra, jak je patrné z obr. 3. Provedení vývodů charakterizované jejich tvarem a roztečí je určující pro návrh pájecích ploch, jejich kvalita pak pro jakost a spolehlivost pájeného spoje a s tím i celého obvodu. a) b) Obr. 3. Dva typy páskových vývodů používaných v povrchové montáži pro pouzdra integrovaných obvodů a) J Lead b) Gull Wing

17 Je zřejmé, že vývoj v oblasti systémů vývodů pouzder směřuje neustále ke snižování rozteče mezi vývody. V samotném počátku používání technologie povrchové montáže došlo při zavedení pouzder SO ke snížení rozteče z mnoho let používaných 2,5 mm na 1,25 mm a dnes existují již pouzdra s roztečí 0,5 mm a méně. Menší rozteče vývodů s sebou přináší i jejich stále větší náchylnost ke svévolnému ohnutí, a tím i ke zničení pouzdra. Používat pouzdra s vychýlenými vývody je nepřípustné především z pohledu spolehlivosti pájených spojů. Kritické je především ohnutí krajních vývodů u rohu pouzdra. To může být příčinou nezapájených spojů. Ohnutí vývodů může být buď v laterárním (horizontálním) směru, což naruší rozměry roztečí, nebo ve vertikálním směru, což způsobí narušení koplanarity (rovinnosti). To je zvláště nepříjemné, neboť je běžnou optickou kontrolou obtížně postřehnutelné. B. Pouzdra s kontaktními ploškami Pouzdra pro čipy integrovaných obvodů se používají ve dvou základních provedeních. V předešlé kapitole byly zmíněny čipové nosiče (CC) s vývody typu J Lead nebo Gull Wing. Stejný typ pouzder je používán i v tak zvaném bezvývodovém provedení, buď jako keramická pouzdra LCCC (Leadless Ceramic Chip Carrier) nebo plastická pouzdra LPCC (Leadless Plastic Chip Carrier). Celkový pohled na pouzdro LCCC resp. LPCC a srovnání délky propojovacích vývodů uvnitř pouzdra s provedením DIL je znázorněno na obr. 4. Vývody pouzdra CC jsou vyvedeny z vnitřního prostoru pouzdra do tvarovaných drážek na bočních stranách a protaženy až na jeho spodní základnu. Uvnitř pouzdra může být umístěn jeden i více čipů, které jsou připojeny některou ze známých metod, ultrazvukovým nebo termokompresním kontaktováním. Vzhledem k tomu, že montáž čipů je prováděna často samotným uživatelem, může být v řadě případů stěžejní operací právě pouzdření, jež musí zajistit dostatečnou ochranu čipu. V některých aplikacích je požadováno hermetické uzavření. V takovém případě se používá u keramických nosičů varianta s kovovým pozlaceným víčkem pájeným zlatocínovou pájkou na kovový rámeček vytvořený na povrchu keramického pouzdra, nebo s keramickým víčkem pájeným přímo skelnou pájkou. Pro méně náročné aplikace s plastickými nosiči se používá jednoduchý způsob uzavření zalitím epoxidovou pryskyřicí. V takovém případě však není pouzdro hermetické.

18 ( a ) Počet vývodů Poměr nejdelšího vývodu k nejkratšímu CC : DIL 18 1 : : : : 6 ( c ) Pokovení ( b ) CC DIL Obr. 4. Čipový nosič v provedení bez páskových vývodů a) celkový pohled b) detail provedení vývodů c) srovnání s pouzdrem DIL Čipové nosiče s kontaktními ploškami mají čtvercový nebo obdélníkový tvar s počtem vývodů od 18 do 156 (jen zřídka více). Vývody jsou rozmístěny pravidelně na všech čtyřech stranách pouzdra a jejich rozteč je 1,25 mm a méně. Hlavní předností pouzder CC oproti pouzdrům s páskovými vývody jsou kratší vzdálenosti vodičů pro propojení čipu se substrátem, a s tím lepší elektrické vlastnost, především menší parazitní odpor a indukčnost (viz obr. 4c). Výhodou je také možnost umístění více polovodičových čipů uvnitř jednoho pouzdra včetně jejich vzájemného propojení. C. Pouzdra s kulovými vývody Zásadní obrat a s tím také rozvoj v této oblasti nastal se změnou filozofie jejich použití. Tou se stala nutnost připojit polovodičové čipy s velkým počtem vývodů na co nejmenší ploše substrátu. Tak došlo k rozvoji tohoto principu nejen u samotných čipů, ale i u pouzder. S postupem času vznikla dnes stále více používaná pouzdra BGA (Ball Grid Array) a CGA (Column Grid Array), u nichž je kulový tvar vývodu nahrazen tvarem sloupkovým. Řešení s vývody umístěnými na spodní straně pouzdra umožňuje jedinou operací připojit na substrát pouzdro s několika desítkami až stovkami vývodů.

19 Elektrody (kontakty) kulového tvaru jsou propojeny se systémem vývodů, k němuž se kontaktuje polovodičový čip, tak jako v případě čipových nosičů. Uspořádání vývodů dává dostatečný prostor pro jejich bezpečnou rozteč (obr. 5). Průměr kuliček je od 0,6 mm do 1 mm a základním materiálem je pájka PbSn. Jádro kuličky tvoří pájka Sn10Pb90 (s bodem tavení C) a obal Sn37Pb63 (bod tavení C), což umožňuje při pájení přetavením plastické vytvarování a vytvoření spolehlivého spoje. Pro aplikace vyžadující vysokou spolehlivost jsou vyvíjeny vývodové systémy s povrchovou úpravou drahými kovy (např. Pd). Montáž čipu do pouzder se provádí ultrazvukovým kontaktováním a následné připojení samotného pouzdra na substrát pak prostřednictvím pájení přetavením. Předpokládá se rovněž připojování s pomocí vodivého lepidla naneseného na kontaktní plochy substrátu předem metodou sítotisku. Pouzdra BGA vznikla původně jako korundová (Al 2 O 3 ), nazývaná také LGA (Land Grid Array), ale současná pozornost je soustředěna k provedením z osvědčených plastických materiálů FR4 nebo FR5. kulové vývody vodivé lepidlo vícevrstvá DPS termokomp. Au spoje čipy epoxy (překrytí) 0.5 mm 1.2 mm podhled FR 4 SnPb s 2% Ag eutektická pájka mm nepájivá maska Obr. 5. Schématické znázornění pouzdra BGA a) základní princip b) řez pouzdrem Požadavky na přesnost rozměrů a rozteče vývodů jsou stanoveny na základě dosažení očekávané spolehlivosti. Je udávána povolená tolerance rozměrů ±30 µm, přičemž kontaktní ploška na substrátu má průměr rovný 0,8násobku hodnoty odpovídající průměru kuličky (při průměru pájkové kuličky vývodu 760 µm je rozměr strany kontaktní plošky na substrátu 635 µm). Z praktického pohledu lze dojít k závěru, že oproti pouzdrům s páskovými vývody se projeví úspora místa na substrátu již od provedení pouzder s 16 vývody a s narůstajícím

20 počtem vývodů se úspora dále zvyšuje. Navíc v pouzdru BGA může být umístěno i více čipů. Byla také ověřena možnost montovat do těchto pouzder i polovodiče v provedení Flip Chip nebo TAB. Příklad dokumentující efektivnost tohoto typu pouzder je uveden v tab. II. Tabulka II Srovnání počtu vývodů pouzder QFP a BGA Typ pouzdra Rozměry pouzdra (mm) Plocha pouzdra (mm 2 ) Rozteč vývodů (mm) Počet vývodů QFP 20 x ,5 148 BGA 20 x , Nejdůležitější přednosti pouzder BGA oproti pouzdrům s páskovými vývody jsou: - úspora místa, - lepší manipulace a snížené nebezpečí poškození, - snadnější montáž resp. nižší zmetkovitost při jejich aplikaci, lepší elektrické vlastnosti (parazitní indukčnost zpravidla nepřesahuje 1 nh a parazitní kapacita 0,2 pf), - relativně jediném pouzdře.příznivé teplotní vlastnosti (chlazení), - možnost využití konvenčních zařízení pro montáž, - možnost umístění více čipů v pouzdře. Otázky: 1) Popište princip pouzder s páskovými vývody a jejich typy. 2) Jaký je základní princip pouzder s kontaktními ploškami? 3) Jaký je rozdíl mezi kulovým vývodem a bumpem a z jakého je převážně materiálu? 4) Jaké výhody přináší CC oproti DIL? 5) Jaké materiály se používají pro pouzdra BGA? 3.5 Vývoj v pouzdření systémů Na základě uvedených skutečností a ze současného vývoje je zřejmé, že řešení konstrukce moderních elektronických systémů představuje komplexní soubor vzájemně souvisejících požadavků, jež neřeší jen samotnou ochranu čipů, ale i veškeré systémové aspekty ovlivňující elektrické parametry (jako je pracovní kmitočet), mechanické provedení (včetně chlazení), a také nezbytnou vysokou spolehlivost. To vše je předmětem dnes do popředí vystupující oblasti nazývané Packaging and Interconnection. V posledních letech dokonce vznikl obor, jenž se zabývá pouzdřením elektronických systémů v tom nejširším slova smyslu, to znamená nejen ochranou samotných součástek, ale i tepelnými, elektrickými a mechanickými vlastnostmi.

21 Obr. 6. Jedno z možných řešení další generace integrovaných mikroelektronických systémů Termín Packaging and Interconnection nelze přeložit doslova a za výstižný ekvivalent lze považovat výraz pouzdření a integrovaná montáž. Jedná se totiž nejen o integraci na samotném polovodičovém čipu, ale i o integraci mezi čipy a ostatními součástkami, včetně mechanické ochrany. Příkladem jsou multičipové moduly (Multi Chip Module - MCM) představující jednu z progresivních generací integrovaných systémů. Je zřejmé, že v budoucnu se bude oblast integrovaných obvodů řešící integraci na polovodičovém čipu s oblastí integrované montáže stále více přibližovat. Otázky: 1)Vysvětlete pojem Interconnection and Packaging. 3.6 Další vývoj v oblasti pouzdření Aktuálním problémem je v současné době spolehlivé a ekonomické řešení připojení polovodičového čipu na substrát, jež by nemělo zhoršovat elektrické parametry samotného čipu. Na obr. 7. je znázorněn všeobecný trend ve vývoji pouzder integrovaných obvodů. Zde je patrný přechod od prvních pouzder integrovaných obvodů pro povrchovou montáž typu SOIC (pouzdra DIL s roztečí vývodů 1,25 mm), k pouzdrům Fine Pitch (rozteč vývodů méně než 1 mm). Zde byla zpočátku používána především pouzdra s vývody na všech čtyřech

22 stranách označované QFP, a s postupem času se objevily plochá pouzdra čtvercového tvaru s celoplošně řešenými vývody na spodní straně nazývaná BGA. Dnes se stále více uplatňuje provedení CSP (Chip Size Package) a v budoucnosti se předpokládají provedení s přímým připojováním čipu na substrát označované DCA (Direct Chip Attach). 80 vývody vývody 60 na okraji pouzdra na spodní straně pouzdra MCM hustota prvků rozteč vývodů na čipu 40 1,25mm <1,25mm [ %] BGA Flip Chip 3D 20 SOIC QFP CSP rok Obr. 7. Znázornění trendu vývoje pouzder v technologii povrchové montáže Ve většině elektronických zařízeních můžeme rozlišit čtyři základní druhy polovodičových součástek ve formě integrovaných obvodů: mikroprocesory (Microprocessor), zákaznické integrované obvody (Application Specific Integrated Circuit - ASIC), paměti CACHE, hlavní paměti. Například osobní počítač většinou obsahuje jeden mikroprocesor, několik cache pamětí (SRAM), několik ASIC obvodů pro video, zvuk, řídící obvody (např. pro I/O, paměti, ovládání sběrnic atd.) a hlavní paměť (ROM, DRAM). Mikroprocesory budou brzy vyžadovat pouzdra s počtem vývodů až několik tisíc, umožňující pracovní frekvence přesahující 1000 MHz. Očekává se, že moduly SRAM jako cache paměti budou pracovat na stejných frekvencích jako mikroprocesory. A čipy zařízení ASIC budou pracovat s kmitočtem několika set MHz a s počtem vývodů běžně kolem 800. Některé čipy pro telekomunikační zařízení,

23 řešené jako ASIC potřebují i více než 1000 vývodů. A pro dynamické paměti platí známý Moorův zákon, kdy počet tranzistorů na čipu se každých 18 měsíců zdvojnásobuje. Obr. 8 Znázornění aplikačních oblastí různých typů pouzder (vztaženo na počet vývodů) Pouzdra typu TSOP (Thin Small Outline Package, PQFP (Plastic Quad Flat Package) Z uvedených skutečností je zřejmé, že dochází k různým požadavkům na provedení pouzdra podle typu aplikace, jak je patrné z obr. 8. Dlouho používaná pouzdra s vývody na dvou protilehlých stranách v provedení DIL a na ně navazující provedení pro povrchovou montáž SOIC, nemohou vzhledem k omezenému počtu vývodů splnit tyto požadavky. Proto se objevují pouzdra s vývody na všech čtyřech stranách označovaná QFP. Tyto se staly ekonomicky příznivou variantou pro řadu aplikací v technologii povrchové montáže. Jejich použití je rozšířené zvláště pro aplikace ASIC a pro mikroprocesory s nižším výkonem a menším počtem vývodů. Běžně se používají v provedení 208 vývodů (rozteč 0,5 mm, 28 mm velikost strany pouzdra); 240 vývodů (rozteč vývodů 0,5 mm, 32 mm velikost strany pouzdra) a dokonce 304 vývodů (rozteč vývodů 0,5 mm, 40 mm velikost strany pouzdra).

24 Pouzdra TSOP (Thin Small Outline Package) mají navíc velmi nízký profil a byly původně navrženy pro paměťové moduly SRAM, DRAM, ale později se začaly používat i pro ostatní typy obvodů. Další vývoj v technologii BGA (Ball Grid Array) Existuje několik různých druhů pouzder BGA, jež se liší v prvé řadě použitým materiálem nosného substrátu. Podle něj můžeme rozlišit pouzdra CBGA (keramický substrát), MBGA (s kovovou vrstvou) a PBGA (plastová). Vlastní čip může být připojen také různými technikami: kontaktovacím drátkem (ultrazvukem nebo termosonicky), pomocí TAB provedení nebo jako Flip Chip. Okolo 90% integrovaných obvodů se vyrábí s periferním uspořádáním vývodů na jedné straně plochy čipu, a tak je nezbytné použít redistribuční vrstvu, která převede toto uspořádání v pole vývodů (Area Array). Vlastní provedení součástky BGA je realizováno vytvořením souboru pájkových kuliček na spodní straně (základně) pouzdra. Tímto uspořádáním vývodů (Area Array) oproti vývodům na čtyřech (dvou) stranách pouzdra je možno dosáhnout u stejného rozměru pouzdra většího počtu vývodů, nebo při stejném počtu vývodů a stejné ploše čipu jako v provedení pouzdra QFP je rozteč vývodů u pouzder BGA výrazně větší (vyšší spolehlivost). Další významnou vlastností je schopnost samovystředění (selfaligment) těchto součástek při pájení přetavením. Obr. 9 Příklad provedení pouzdra BGA a) plastické b) keramické Jak je vidět na obr. 9, pouzdra CBGA, MBGA splňují požadavky pro aplikace ASIC a mikroprocesory s vysokým počtem vývodů (i více než 500), s velkým výkonem i s vysokým

25 pracovním kmitočtem. Tyto přednosti jsou však prozatím vykoupeny poměrně vysokými náklady. Pro malé rozteče vývodů a jejich omezený počet u pouzder PQFP a vysoké náklady u pouzder typu CBGA, MBGA a TBGA se zdá na první pohled efektivní použití pouzder PBGA, jež je možné realizovat s počtem vývodů mezi 250 až 600. Hlavním rozdílem mezi pouzdry PQFP a PBGA je, že PQFP mají leadframe zatímco PBGA má základnu z organického materiálu. Leadframe je standardizován již několik desítek let, zatímco základny u PBGA jsou navrhovány převážně zákaznicky, což sebou nese nesrovnatelně vyšší náklady. Proto masovější využití těchto pouzder vyžaduje standardizaci základen s vývody, což může napomoci ke snížení nákladů. Je možné rovněž použití těchto pouzder pro Flip Chip provedení s pájkovými vývody (s vysokým počtem vývodů, např. až 1000). Pouzdření typu CSP (Chip Scale Package) Pouzdra CSP (Chip Scale Packages nebo někdy také Chip Size Package) jsou vyvíjena v posledních létech v celé řadě provedení od různých výrobců. I když se tato pouzdra od sebe mohou konstrukčně diametrálně lišit, jejich charakteristickým rysem je splnění dvou požadavků, jimiž jsou: velikost pouzdra se blíží velikosti čipu a nepřevyšuje 1,5 násobek jeho plochy, způsob připojení na substrát musí být kompatibilní s povrchovou montáží. Obr. 10 Jedno z možných provedení pouzdra typu CSP Pozn.: jsou uvedeny parametry vývodů dle normy JEDEC (USA) a EIAJ (JAPONSKO) Provedení CSP pouzder může vycházet z nejrůznějších realizačních technologií (plošné spoje, tenké a tlusté vrstvy atd.), a proto rozlišujeme dvě základní skupiny, keramické

26 (anorganické) a laminátové (organické) provedení. Obyčejně se všechny typy vyznačují plochým tvarem a jednoduchou montáží - pájením přetavením. Tato skupina pouzder spojuje výhody přímého připojování čipů s běžnými a osvědčenými způsoby používanými u klasických pouzder, jež jsou zde nahrazena propojovacím elementem (mezistupněm) umožňujícím snadnou a spolehlivou montáž na základní nosnou podložku. Příklad pouzdra v provedení CSP. Jak je patrné z tab. III, existují při realizaci pouzder CSP pro konkrétní aplikace různé kombinace. Tyto se liší jak konstrukčním provedením, tak i použitou technologií. Nejčastěji se dnes používají pouzdra připojovaná na substrát technologií BGA, jež splňují ve většině aplikací dané podmínky, a navíc je zde možné také zajistit požadovanou spolehlivost. Vlastní polovodičové čipy jsou připojeny buď jako Flip Chip, nebo osvědčenými způsoby, t.j. drátkem kontaktovaným ultrazvukem nebo termosonicky, jako je tomu v případě technologie TAB. Možné jsou I další způsoby, např. Kontaktování čipu s pomocí speciální redistribuční vrstvy. Tab. III. Možnosti realizace pouzder Chip Scale Package Konstrukce pouzdra CSP Organický nosič (tuhý) Flip Chip Způsob připojení čipu Drátkové připojení Integrované vývody(beam lead) Ano Ano Ne Ne Keramický nosič Ano Ano Ne Ne Vývodový soubor (Lead Frame) Ano Ano Ne Ne Drátek na kolík Ne Ano ne Ne Prodloužené drátkové vývody Přímé připojení (Wafer level) Ano Ne Ne Ano Pokovený wafer Ne Ne Ano Ano Otázky: 1) Co znamená pojem BGA? 2) Čím jsou charakterizována pouzdra CSP?

27 3.7 Multičipové moduly (MCM) Multičipové moduly (MCM) představují novou generaci v integraci elektronických systémů. Hlavním posláním MCM je co nejefektivnější připojení polovodičových čipů do obvodu a také vzájemné propojení mezi čipy a ostatními součástkami včetně pasivních. Jejich přínosem je další zlepšování parametrů a vlastností elektronických systémů, vyplývajících z požadavků trhu, při zachování vysoké spolehlivosti (a současně jakosti). Konečným efektem je také snižování nákladů na celý systém. Podle použité technologie rozdělujeme multičipové moduly do několika skupin, jak je patrné z tabulky IV..Z tabulky IV je patrné, že multičipové moduly mohou být realizovány různými technologiemi, nebo jejich kombinacemi. Výchozí je typ materiálu použitý pro substrát(y), jenž předurčuje použitou technologii. Potom se v jejich označení MCM-x může objevit na místě x písmeno L (materiál substrátu je laminát), C (keramika), D (křemík) nebo další kombinace DC, LC a pod. To který typ bude v budoucnu převládat je odvislé od jednotlivých výrobců a jejich filozofie, resp. od relace provedení vs. cena, jež je určována požadavky trhu. Tabulka IV. Některé parametry různých provedení multičipových modulů Charakteristická Vlastnost Polovodičová (Si) technika Hybridní technika Holé čipy na plošném spoji Flip Chip na nosném substrátu materiál substrátu Si Keramika laminát Laminát Technologie tenké vrstvy tlusté a tenké vrstvy chemicko-galvanické nanášení chemicko-galvanické nanášení materiál vod. Spojů Au, Al, AlSiCu (0,5 1,2µm) vývody PbSn60, InAgSn, AuSn AgPd, Pt, Au, Al (10-20µm) Au, Ni, Ni/Au, Pd (0,1-1µm) Au, Ni, Ni/Au, Pd (0,1-1µm) vývody PbSn60, InAgSn, AuSn velikost kont. Plošek µm µm µm rozteč µm důležité faktory Kontaminace tloušťka vrstvy adheze rovinnost tloušťka vrstvy drsnost povrchu kontaminace průhyb teplotní stabilita rovinnost drsnost povrchu průhyb teplotní stabilita nepájivá maska Příklad multičipového modulu typu MCM-CD je znázorněn na obr. 11. Zde je využito kombinace keramických substrátů majících dobré tepelné vlastnosti s výhodami danými realizací signálové části přímo na Si substrátu z důvodu dosažení minimálních parazitních parametrů. Tak je v tomto případě využito nejlepších vlastností obou technologií.

28 Důležitými parametry multičipových modulů jsou efektivnost pouzdření, elektrický výkon udávaný u výpočetních a řídících systémů v milionech instrukcí za vteřinu (MIPS), spolehlivost a také cena. Právě elektrický výkon, jenž je nepřímo úměrný délce pracovního cyklu řídící jednotky, je závislý nejen na software ale i na technologickém řešení p o u zd ro o d v á d ě jící te p lo čip ch la d ič c h la d.p ís t 2 te n ké vrstv y n a ke ra m ice p ro re d istrib u ci sig n á lu 6 3 v rs te v n a o rg a n ick é m m a te riá lu vs tu p n í a v ýs tu p n í vý vo d y Obr. 11. Znázornění principu multičipového modulu MCM-CD V poslední době se stále více prosazuje jako jedno z nejefektivnějších řešení realizace třírozměrných pouzder 3D. Důvodem jsou stále rostoucí rozměry polovodičových čipů, kde rozměry stran přesáhly 2,5 cm, a v následujících letech je třeba počítat s dalším nárůstem. U tak velkých čipů přestává být jejich planární uspořádání v elektronickém systému efektivní, neboť se výrazně zvětšuje délka propojovacích vodičů mezi čipy a s tím i cesty vedení signálu. To má za následek nárůst nežádoucích parazitních jevů, s tím spojené zvýšené zpoždění signálu, a dále také zhoršení elektrických vlastností, včetně snížení výkonu celého systému. Základním principem 3D pouzdření je technika spojování relativně velkých substrátů s pomocí propojovacích desek, rámečků a dalších konstrukčních prvků, jež se vyznačují velkým počtem vzájemně propojovatelných vývodů ( ty mohou dosahovat několik desítek až tisíc). Přitom musí být splněny dříve uvedené požadavky na integrovanou montáž čipů, včetně zajištění chlazení a kompletní připojení celého systému v příslušné aplikaci. Jako příklad je na obr. 12. uvedena část konstrukce pouzdra na principu BGA o celkovém rozměru (12,5 x 12,5 x 2,5) mm se 48 vývody pro použití v technologii povrchové montáže, tedy určeného pro pájení přetavením. Z obrázku je patrné, že při konstrukci je využit mezisubstrát s vývody uzpůsobenými právě pro pájení přetavením.

29 Obr. 12. Příklad řešení pouzdra 3D (provedení vývodů typu BGA) Pouzdření je definováno jako propojení, chlazení a ochrana polovodičových čipů zajišťující funkci v elektronických systémech pracujících v telekomunikačních, výpočetních, spotřebních, automobilových a řadě dalších průmyslových aplikací v souladu s jejich požadavky. Tab. V. Vývoj v pouzdření čipů Připojení čipu Wire bonding TAB Flip Chip, COB Připojení pouzdra PTH SMT Fine Pitch SMT BGA SMT Jednočipová pouzdra DIP QFP CC BGA SCM Vícečipová pouzdra Ceramic Film Technology MCM, 3D, CSP Problematika pouzdření polovodičových čipů sestává ze dvou základních částí, jimiž jsou připojení resp. propojení čipů do obvodu (Interconnection), a dále ochrana a spolehlivé zajištění funkce čipu (Packaging). S tím je pak spojeno konstrukční řešení resp. provedení montáže (Assembly). Všeobecný trend vývoje v oblasti pouzdření polovodičových čipů je stručně a přehledně zachycen v tab. V.

30 Pozoruhodnou skutečností je vývoj nosných substrátů, kde elektronika vystačila několik desítek let s technikou plošných spojů. Současně stále rostoucí počet vývodů a jejich zmenšující se rozteč vyvolává nutnost použití takových substrátů, jež zajistí spolehlivost především z následujících hledisek: dostatečný izolační odpor stejná tepelná roztažnost mezi substrátem a součástkami zajištění odvodu tepla možnost integrace nejen vodivé sítě, ale i pasivních prvků. Jedním z charakteristických rysů aplikace všech typů elektronických systémů je požadavek na vysokou spolehlivost, a to jak výrobní, tak i provozní. Toto je třeba chápat spolu s neustále rostoucími nároky na jakost a cenu, jako nedílnou součást procesu technologické integrace. Splnit všechny tyto požadavky v maximální možné míře vyžaduje systematický přístup k řešení všech dílčích, ale ve skutečnosti souvisejících kroků vyžadujících zpracování celé řady informací. Zde se ukazuje, že nezbytnou součástí technologické integrace v tom nejširším slova smyslu je využití informačních systémů při řízení technologických procesů. Jedná se o účelné získávání, zpracování a využití dat pro řízení, s cílem neustálého zlepšování ekonomických výsledků. Vývoj parametrů pouzdření pro budoucí generace je shrnut v tab. VI. Tab. VI. Vývoj parametrů budoucí generace pouzdření Současné pouzdření Příští generace Faktor zlepšení pouzdření Rozměr (nominal) x Efektivita pouzdř. 8 % 80 % > 10 x Prac. Kmitočet MHz 0,5 2 GHz 5 x Cena 30 USD/inch 2 3 USD/inch 2 10 x Spolehlivost 10 ppm 1 ppm 10 x Kontrolní otázky: 1) Jaké rozlišujeme typy multičipových modulů? 2)Proč jsou pouzdra bez drátových vývodů výhodnější než pouzdra DIL? 3) Jaké jsou hlavní parametry charakterizující pouzdra?

31 3.8 Polovodičový čip Flip Chip Současný vývoj v oblasti elektronických systémů přináší neustále nové možnosti, a to nejen ve vývoji topologie na samotných čipech, ale také v možnostech jejich připojování. To vyžaduje i nové návrhové prostředky, a s tím i odlišný, mnohem komplexnější přístup návrhářů a konstruktérů moderních elektronických systémů. Tito musí mít alespoň základní znalosti a přehled o aktuálním vývoji a nabízených možnostech. Flip Chip, neboli obrácený čip je svou strukturou podobný klasickým křemíkovým čipům, avšak s tím rozdílem, že vývody jsou vytvořeny ve formě výstupků (nejčastěji kulových nebo sloupkových), a celý čip je pak připojen do obvodu v poloze se stranou nesoucí vývody dolů. Problematiku aplikace Flip Chip lze rozdělit do dvou kroků. jimiž jsou: vytvoření vývodů na vlastním konvenčním čipu montáž čipu do obvodu Ve výrobě se základní kroky realizačního procesu samotné topologické struktury při výrobě waferu prakticky neliší od klasického postupu až do fáze vytvoření kontaktních plošek (Al nebo Cu). Avšak další operace jsou již podřízeny vytvoření vlastních vývodů včetně nezbytných mezivrstev zajišťujících mechanické i elektrické vlastnosti. Tento postup již nemusí probíhat u samotného výrobce čipů, ale na specializovaných pracovištích typu CM (Contract Manufacturer) nebo přímo u uživatele. Obr. 13 Znázornění základního principu provedení Flip Chip a) řez čipem b) detail vývodu c) osazený čip na substrátu Po vytvoření topologické struktury elektrického obvodu v objemu čipu následuje pasivace povrchu, metalizace a vytvoření vodivého podkladu sloužícího pro přípravu a úpravu vlastností vývodů, a nakonec se provádí vlastní metalurgické nanesení vývodů. Nejčastějším způsobem pasivace je provedení s pomocí nitridů a polyimidů, pro vytvoření mezivrstev na