Pouzdření v elektronice -

Transkript

1 Pouzdření v elektronice - substráty, tepelný management a moderní typy pouzder (7) Doc. Ing. Ivan Szendiuch, CSc., Fellow IMAPS Vysoké Učení Technické v Brně, FEKT, ÚMEL szend@feec.vutbr.cz

2 Obsah Úvod Substráty pro mikroelektroniku Pouzdření úrovně, parametry Základy tepelného managementu Jaký typ pouzdra zvolit Moderní typy pouzder (BGA, CSP, MCM, ) WLP SiP, SOC 3D pouzdra Závěr 2

3 Úvod Základním a dnes i strategickým krokem návrhu při integraci elektronických obvodů a systémů je rozhodnutí o způsobu pouzdření. rozhoduje o provedení a technologii výroby, ale také o jakosti elektronického výrobku (parametry, funkce, spolehlivost, design včetně velikosti atd.) i o ceně!!!!! 3

4 Úvod Původní pohled na pouzdření rozlišoval následující typy: - Plastová pouzdra termosetová, - Keramická pouzdra z vysokoteplotních materiálů, - Kovová pouzdra se skleněnými zátavami. 4

5 Úvod vývoj v pouzdření Obrat nastal v okamžiku, kdy se začaly používat pouzdra dosahující ve srovnání s pouzdry DIL miniaturnější provedení s větším počtem vývodů. To umožňují laminované (postupně vrstvené a nakonec vytvrzené) plastové a také anorganické (keramické) materiály a také skládané (stacked) struktury. Ty tvoří pouzdro a často i nosnou část systému, včetně propojovací sítě s vývody. Vývody mohou provedeny jako drátové, páskové či kolíkové (pin, lead), jako kontaktní plošky nebo kuličky (bump) či sloupky (pillar, column). QFP ~QFN~BGA 5

6 Úvod - význam pouzdření Elektrickým posláním moderního pouzdření je dodávat mikrosystémovým komponentům příkon a propojovat je navzájem i s okolním prostředím při využívání příslušných elektrických signálových cest. Cíle pouzdření jsou však širší a lze je shrnout do následujících bodů: 1) elektrické připojení součástek (čipů) 2) zajištění odvodu tepla (chlazení) 3) ochrana proti mechanickým vlivům 4) ochrana proti chemickým a klimatickým vlivům 5) splnění požadavků na spolehlivost a cenu 6) jednoduchá manipulace při montáži 6

7 Úvod Substráty Pouzdření úrovně, parametry Základy tepelného managementu Jaký typ pouzdra zvolit Moderní typy pouzder (BGA, CSP, MCM,...) WLP SiP, SOC 3D pouzdra Závěr 7

8 Substrát základ pro pouzdření Základní částí integrovaných obvodů a systémů jsou nosné podložky (substráty), které musí splnit následující požadavky: vytvořit nosič pasivních, aktivních a konstrukčních prvků zajistit propojení čipu do systému zajistit izolaci mezi jednotlivými prvky zajistit odvod tepla z obvodu zajistit mechanickou ochranu celého systému splňovat elektrické požadavky (stínění, stabilita atd.) být chemicky odolný vzhledem k prostředí případně tvořit aktivní část obvodu či systému (např. PAV) 8

9 Substrát základ pro pouzdření Materiály pro substráty rozdělujeme do tří základních skupin, kterými jsou: polovodičové materiály (Si, GaAs.) organické materiály (epoxidové, fenolické, polyimidové. polymery) anorganické ( keramika Al 2 O 3, AlN, skla.) 9

10 Anorganické substráty Hlavním důvodem pro použití keramických substrátů jsou vyšší nároky na spolehlivost realizovaného obvodu nebo vyšší teplotní či klimatické nároky. To souvisí s konkrétní aplikací (lékařství, letecký a kosmický průmysl, automobilový průmysl a pod.), nebo přímo vychází z požadavků na požadované vlastnosti obvodu (mikrovlnné aplikace, výkonové zatížení, nutnost dostavování jmenovité hodnoty rezistorů tzv. aktivním trimováním a pod). Tabulka I : Vlastnosti anorganických substrátů Parametr / Materiál 96 % Al 2 O 3 99,5 % Al 2 O 3 ) 99 % BeO ) AlN Tepelná vodivost (J.s-1.m-1.K-1) Součinitel teplotní roztažnosti 6,4 6,6 5 4,5 ( ppm. K-1) Elektrická pevnost (kv. mm-1) Měrný odpor (. mm) Tangenta ztrátového činitele (%) 0,55 0,08 0, MHz Relativní permitivita r , ) používá se pro tenkovrstvé obvody ) toxický keramický materiál používaný v omezené míře pro výkonové aplikace 10

11 Organické substráty Existuje celá řada materiálů, z nichž každý se vyznačuje určitými specifickými vlastnostmi. Patří mezi ně kromě FR-2, 3.4 také jeden z nejdražších, ale nejkvalitnějších materiálů FR-5, ze skupiny laminátů vytvrzovaných epoxidovou pryskyřicí, vyznačující se vysokou tepelnou odolností (v teplotě 150 o C si zachovává 50% pevnost v ohybu po dobu minimálně 1 h). Tabulka II: Vlastnosti organických substrátů Parametr / Materiál FR-2 FR-3 FR-4 Permitivita (1 MHz) 4,5 4,6 4,9 Elektrická pevnost (kv. mm-1) Tepelná vodivost (J.s-1.m-1.K-1) 0,24 0,23 0,25 Součinitel teplotní roztažnosti ( ppm. K-1) Adsorpce vlhkosti (%) 0,8 0,75 0,35 Pevnost v tahu (Mpa. mm2)

12 Ohebné substráty Fóliové ohebné substráty jsou další možností v realizaci 3D pouzdření. Vynikají lehkostí, miniaturizací, trvanlivostí, a umožňují realizovat i MCM. Mohou být využity pro CSP, Chip-on-Flex, TAB, Tape Carrier Packages, microbga, TapeBGA, FlexBGA a vrstvené obvody (3D folded arrays). Používají se především dva typy materiálů : a) Polyimid (nazývaný Kapton), který lze použit až do teploty 450 o C (stálá pracovní teplota 135 o C), tloušťka podložky 25 až 75 m, ale jeho cena je vyšší). b) Polyester (nazývaný Mylar), je podstatně levnější, ale jeho použití je omezeno do teploty 85 o C( nelze ho tudíž použít pro pájení přetavením), tloušťka podložky je 75 až 125 m. 12

13 Ohebné substráty Provedení ohebných plošných spojů nabízí několik konstrukčních uspořádání: jednostranné (s jednou vodivou vrstvou), oboustranné (s vodivými vrstvami na obou stranách), vyztužené (selektivní zpevnění určitých částí pro připojení konektoru nebo těžších součástek), vícevrstvé (mají více než dvě vodivé vrstvy) s rostoucím počtem vrstev se však ohebnost snižuje, ohebně pevné (jsou vyrobeny jako jeden celek na němž jsou některé části pevné a jiné ohebné a) vodivá síť lepidlo ohebný nosný materiál b) krycí vrstva lepidlo vodivá síť ohebný nosný materiál c) krycí vrstva lepidlo vodivá síť 13 ohebný nosný materiál

14 Úvod Substráty Pouzdření úrovně, parametry Základy tepelného managementu Jaký typ pouzdra zvolit Moderní typy pouzder (BGA, CSP, MCM,...) WLP SiP, SOC 3D pouzdra Závěr 14

15 Úrovně pouzdření Jednotlivé úrovně pouzdření čipů a integrovaných systémů lze systematizovat a rozdělit do úrovní, kde každá úroveň má svá specifika. Úroveň Definice 1 Spojení čipu se substrátem pouzdra nebo s jeho leadframe 1,5 Přímé spojení čipu se základní deskou (COB a DCA), nebo s HIO, MCM apod. představujícím nadřazený modul 2 Spojení pouzdra nebo modulu se základní deskou (kartou) 3 Spojení jednotlivých karet s hlavní systémovou deskou 4 Spojení mezi jednotlivými systémovými deskami v systémové skříni 5 Spojení různých systémových skříní kabeláží Z uvedeného je tedy zjevné, že mikroelektronická pouzdra a moduly spadají do první a druhé úrovně propojení. Jsou li součástí integrovaného systému monolitické čipy, jedná se v tomto případě o připojení holých čipů (bare die) na nosnou podložku integrovaného modulu. Na místě monolitického čipu může být i vrstvový integrovaný obvod, který je takto propojen do vyšší úrovně, která je tvořena nosným modulem. 15

16 Úrovně pouzdření 1. úroveň - Propojení kontaktních plošek čipu k vývodům pouzdra 1,5. úroveň -Připojení čipu na hybridní integrovaný obvod, multičipový modul, připojení DCA,COB,WLP 2. úroveň - Propojení pouzdra na nosný substrát (základní deska, rozšiřující karta) 3. úroveň - Propojení jednotlivých desek a rozšiřujících karet na systémovou desku 4. úroveň - Propojení mezi deskami ve skříňce zařízení (konektory např. BNC ) 5. úroveň - Propojení mezi jednotlivými systémovými skříňkami (systémové konektory např. Canon )

17 Pouzdření - vznik nových typů Pouzdření je klíčovou oblastí pro pokračování další integrace elektronických obvodů a systémů. Stále složitější integrované obvody vyžadují individuální přístup, aby byly splněny požadavky jak technické (vedení signálu, pracovní kmitočet, počet vývodů), tak ekonomické (cena). Ve většině elektronických zařízeních můžeme rozlišit čtyři základní druhy polovodičových součástek ve formě integrovaných obvodů: mikroprocesory vyžadují pouzdra s počtem vývodů až několik tisíc, které musí vyhovovat co nejvyšším pracovním kmitočtům, řádově až GHz, cache paměti budou pracovat na stejných kmitočtech jako mikroprocesory, ale mají menší počet vývodů, čipy zařízení ASIC pracují s kmitočtem několika set MHz, přičemž ale požadovaný počet vývodů je běžně až několik set, na paměti ROM a DRAM se kladou stále vyšší požadavky. Pouzdření = cesta k systémové integraci 17

18 Různé požadavky na pouzdra

19 Vývoj pouzdření Trend vývoje pouzder od roku

20 Pouzdření - parametry Vzhledem k velké variabilnosti při realizaci pouzder je třeba hodnotit jednotlivá provedení podle určitých kritérií. Ty vyjadřují do jisté míry vlastnosti z hlediska finálního použití, mezi něž vzhledem k pouzdření mikroprocesorů patří především : A. Efektivnost pouzdření. B. Rychlost (výpočetní výkon). C. Spolehlivost. D. Cena. 20

21 Efektivita pouzdření závisí na rozmístění čipů v pouzdru, jež může být i trojrozměrné; je definována následujícím způsobem: celková aktivní plocha čipů efektivita pouzdření EFP = celková plocha multičipového modulu (pouzdra) 21

22 Rychlost Rychlost se vyjadřuje z pohledu výpočetních systémů, pro něž jsou multičipové moduly určeny především, jako fiktivní elektrická výkonnost. Vyjadřuje se v MIPS (milion instrukcí za sekundu) a je určena délkou cyklu a počtem cyklů na instrukci následovně : Výpočetní výkon MIPS (GIPS) = 10-6 = (délka strojového cyklu) x ( průměrný počet cyklů na instrukci) 22

23 Spolehlivost Při multičipovém pouzdření jsou vytvořeny předpoklady pro zvýšení spolehlivosti především díky výraznému snížení počtu pájených spojů Požadavky na spolehlivost musí být zohledněny: - již při vlastním návrhu, -během výroby kontrolou a řízením jakosti, - u konečného výrobku možností dostatečného testování 23

24 Cena Ke snížení nákladů přispívá minimalizace počtu spojů a jejich délky (úspora materiálů - ecodesign). Jednotlivé postupy technologického procesu by se neměly příliš lišit, ať už se jedná o jednočipové nebo vícečipové provedení (úspora energií ecodesign). Výrazného zlepšení ve všech směrech lze dosáhnout použitím nezapouzdřených čipů a polovodičů v provedení Bare Die (COB), Flip Chip a WLP. 24

25 Úvod Substráty Pouzdření úrovně, parametry Základy tepelného managementu Jaký typ pouzdra zvolit Moderní typy pouzder (BGA, CSP, MCM,...) WLP SiP, SOC 3D pouzdra Závěr 25

26 Vznik tepla a jeho odvod Elektronické součástky se ochlazují přirozeným odvodem tepla, jež nastává uplatněním principů přenosu tepelné energie. Jsou to: - vedení, - proudění, - vyzařování. Odvod tepla může být podpořen prvky jako jsou pasivní chladiče, nebo některou z metod nuceného chlazení za pomocí mechanických větráků či termoelektrického (Peltierova) chladiče. Pro termomechanické namáhání obecně platí, že při změně teploty dochází ke změně rozměrů materiálů. Při zvýšení teploty dochází obecně k roztažení (prodloužení) materiálů a při snížení teploty pak k jejich smrštění (zkrácení). Mírou teplotní závislosti délkových rozměrů pevného tělesa je teplotní součinitel délkové roztažnosti a (K 1 ; o C -1 ), v anglické literatuře nazývaný TCE (Temperature Coefficient of Expansion), který je definován vztahem :, TCE dl l 0 1 dt kde dl je změna délky (m) l 0 je délka tělesa při výchozí teplotě (m) dt je změna teploty (K; o C) Průběh TCE není obecně v širokém rozsahu teplot lineární, např. u polymerů dochází k velké změně hodnoty v oblasti teploty skelného přechodu (T g ), kde materiál přechází z elastického do sklovitého stavu. 26

27 Tepelný management proč? Proudový tok nebo alternativní elektromagnetické pole způsobuje ve všech elektronických součástkách výkonovou ztrátu, v jejímž důsledku dochází k nárůstu teploty. To ovlivňuje jak funkci, spolehlivost a životnost součástek, jež jsou přímo závislé na tepelném namáhání. Při určité teplotě dochází k nevratnému zničení každé elektronické součástky (typická hodnota maximální pracovní teploty je proto omezena a může být např. pro polovodičové přechody C, kondenzátory C, magnetické materiály C atd.) Tepelný management a teplotní analýza jsou dnes základní a nedílnou součástí elektronického návrhu. Výpočty a simulace teplotního namáhání se provádí s pomocí softwarových nástrojů, často je využíván ANSYS. 27

28 Tepelný management - vlivy Teplo je obecně druhem energie, která v elektronických systémech vzniká ztrátami z energie elektrické, jíž je zařízení napájeno, a proto je na něj nahlíženo jako na ztrátový výkon. Teplota komponent má vliv na celou řadu faktorů (např. na stárnutí a tedy na životnost a degradaci materiálů), které ovlivňují spolehlivost funkce součástek a s tím také celkovou spolehlivost elektronického systému. Změna teploty celého funkčního zařízení a zejména jednotlivých prvků sebou přináší řadu průvodních dějů, jejichž následky se mohou projevit jako: změny parametrů obvodových prvků (velikost odporu rezistoru, zesílení tranzistoru, změna pracovního bodu zesilovače,...), vznik termomechanického namáhání pevných spojů (např. vznik pnutí v pájených spojích mezi součástkami a substrátem), zvýšení pravděpodobnosti vzniku chybné funkce nebo chybového signálu v polovodičovém prvku tepelnou generací nosičů,,,,,, 28

29 Teplotní management-použité symboly T..teplota [ K nebo C ] Q.tepelný tok [W] q..hustota tepelného toku [W.m -2 ] c...měrné teplo (tepelná kapacita) K..tepelná vodivost [W m -1 K-1 ] h...koeficient přestupu tepla [W m -2 K-1 ] ε...emisivita [ - ] E...energie [ J ] σ...stefan-boltzmannova konstanta (5, Wm -2 K -4 ) 29

30 Základy přenosu tepla Rozlišujeme tři základní možnosti přenosu: Kondukce Konvekce Radiace (vedením) (prouděním) (zářením) 30

31 Základy přenosu tepla-kondukce (vedení) Přenos tepla definovaný Fourierovým kondukčním zákonem: Hustota tepelného toku ve směru n K nm.tepelná vodivost ve směru n T..teplota T.teplotní gradient ve směru n n q K T n nm 31

32 Základy přenosu tepla-konvekce (proudění) Přenos tepla definovaný Newtonovým zákonem chlazení: Hustota tepelného toku mezi povrchem a okolím q h( T s TB ) h..konvekční koeficient přenosu tepla T s.teplota povrchu T b teplota tekutiny 32

33 Základy přenosu tepla-radiace (záření) Přenos tepla radiací lze definovat ze Stefan- Boltzamannova zákona: Tepelný tok mezi povrchem i a povrchem j Q A F i ij ( T 4 i T 4 j ) σ..stefan-boltzmannova konst. ε..emisivita A i plocha povrchu i F ij faktor viditelnosti z povrchu i k j T i absolutní teplota povrchu i T j absolutní teplota povrchu j 33

34 Tepelný management v praxi Ve skutečnosti se tyto mechanismy uplatňují společně a k ochlazování elektronických součástek dochází současně vedením (odvodem tepla pevnou částí například do substrátu), prouděním (tepelným tokem proudícího vzduchu v okolí pouzdra, substrátu bez nebo s použitím ventilátoru) a vyzařováním energie z povrchu pouzdra do okolí. Proudění tepla Znázornění přenosu tepelné energie z elektronické součástky (čipu) do okolí 34

35 Náhradní tepelný obvod Náhradní tepelný obvod se skládá z jednotlivých tepelných odporů, které musí teplo vznikající na přechodech překonat na cestě do okolí. Teplo generované PN přechody se šíří polovodičovým čipem do pouzdra případně materiálu jímž je vyplněno, a z pouzdra do okolního prostředí. Tepelný tok se rozdělí na část procházející z pouzdřícího materiálu (epoxidová výplň, vzduch) přes vývody resp. vývodový systém, a dále přes drátové propoje do nosného substrátu. Ze substrátu (deska plošného spoje nebo keramika) teplo přechází do okolního vzduchu povrchem substrátu (přirozené, nucené proudění; vyzařování) a někdy podélným vedením substrátu do nosných kovových částí. Druhá část prochází z pouzdřícího materiálu do vlastního pouzdra a z něj přímo do okolí pomocí proudění (přirozené, nucené) a vyzařování, nebo přes chladič. 35

36 Analogie el. proud - teplo Můžeme vyjádřit obdobu Ohmova zákona pro tepelný obvod následovně: T R kde θt je tepelný rozdíl, ΔT=T2-T1, (K) φ je tepelný tok (W) R je tepelný odpor (K.W -1 ) Podobně pro tepelný odpor platí analogie s elektrickým odporem vycházející z geometrie segmentu a jeho materiálu: R d A kde R je tepelný odpor (K.W -1 ) d je vzdálenost míst segmentu na nichž je tepelný rozdíl ΔT (m) λ je tepelná vodivost materiálu (Wm -1.K -1 ) A je průřez plochy jimž prochází tok F (m 2 ) 36

37 Analogie el. proud - teplo Náhradní obvod je odporová síť obsahující větve a uzly, které vytvářejí smyčky a uzlové dvojice. Větev náhradního obvodu je tepelně vodivá cesta mezi dvěma uzly. O uzlech a smyčkách platí podle teorie elektrických obvodů Kirchhoffovy zákony. Pro uzel platí I. Kirchhoffův zákon: 0 Podobně pro nezávislou smyčku platí II. Kirchhoffův zákon: T R 0 V náhradních obvodech se vyskytují obvodové prvky popsané odpovídajícími tepelnými veličinami, které jsou analogické veličinám elektrickým: oteplení (teplotní rozdíl, spád) θt (K) analogie rozdílu el. napětí tepelný tok (výkon) φ (W) analogie el. proudu tepelný odpor R (K.W -1 ) analogie el. odporu tepelná vodivost λ (Wm -1.K -1 ) analogie el vodivosti oteplení (teplotní rozdíl) T (K) analogie rozdílu el. napětí tepelný tok (výkon) Q (W) analogie el. proudu tepelná vodivost K (W.m -1.K -1 ) analogie el. vodivosti tepelný odpor R (K.W -1 ) analogie el. odporu 37

38 Úvod Substráty Pouzdření úrovně, parametry Základy tepelného managementu Jaký typ pouzdra zvolit Moderní typy pouzder (BGA, CSP, MCM,...) WLP SiP, SOC 3D pouzdra Závěr 38

39 Jaké pouzdro použít? 1,2 - Volba typu pouzdra 3-Návrh, konstrukce (standardní/ vlastní) 2,1 - Provedení pouzdra splňující požadavky 4-Simulace, analýza (ANSYS, FLOWMERIC, ) 39

40 Kritéria pro výběr pouzdra Technické parametry -způsob montáže -počet a typ vývodů -rozměry Spolehlivost - Elektrické požadavky - Klimatické požadavky - Mechanické požadavky - Teplotní požadavky Typ pouzdra Cena - pouzdro - montáž 40

41 Návrh pouzdra (1) a) elektrický: je to proces, který vymezuje cestu elektrickému signálu a napětí takovým způsobem, který splňuje celkové požadavky systému. Konečným výsledkem je geometrický návrh vzájemného propojení a seznam materiálů včetně jejich geometrie potřebné ke splnění systémových požadavků. Je pravděpodobné, že v budoucnu bude proces zahrnovat návrh začlenění pasivních komponent, ale i začlenění optických vlnovodů umístěných uvnitř pouzdra. b) tepelný: řeší odvod tepla s pomocí sestavení náhradního teplotního obvodu s cílem minimalizovat všechny tepelné odpory. 41

42 Návrh pouzdra (2) Ohmův zákon Elektrický návrh zahrnuje elektrický pohyb elektronů ve vodiči. Při aplikaci pouzder je elektrická energie využívána v obou jejich základních formách a to jako stejnosměrná ss (DC - direct current) a střídavá st (AC - alternating current). Čip je napájen ss napětím, zatímco vstupní a výstupní signál čipu se mění s časem. Odpor rozptýlené elektrické energie je přeměněn v tepelnou energii, proto je nutné minimalizovat odpor vedení a odpor vodivých cest. Povrchový jev SS proud teče vodičem rovnoměrně. Při vysokých frekvencích má proud tendenci se hromadit na povrchu vodiče. Toto chování je známo jako tzv. povrchový jev. Vlivem povrchového jevu je u st odpor vodiče větší než u ss odporu. Pro st signály je průběh napětí a proudu sinusový a tyto průběhy mohou být mezi sebou fázově posunuty, což se projevuje jako kapacity nebo indukčnosti obvodu. Na rozdíl od odporu (způsobuje rozptyl energie) se kapacita a indukčnost chová jako akumulátor energie. Kirchhoffovy zákony Napětí a proud v elektrickém obvodu úzce souvisejí s Kirchhoffovými zákony. Kirchhoffovy zákony jsou spojeny se základními rovnicemi pro výpočet odporu, kapacity a indukčnosti, které lze využít k výpočtu napětí či proudu protékajícího obvodem. Proudové a napěťové vztahy u aktivních součástek jsou mnohem komplikovanější než vyjadřují lineární rovnice a většinou jsou nelineární. 42

43 Návrh pouzdra (3) Šum Působení jakéhokoliv nežádoucího signálu uvnitř systému může mít za následek narušení funkce soustavy. Tyto nežádoucí signály jsou nazývány šumem jenž se může šířit z celé řady různorodých zdrojů. I samotný elektronický systém je do jisté míry zdrojem šumu a to díky atomovému pohybu v materiálech. Zdroje šumu zkreslují signál. Časové zpoždění Kombinace odporu s kapacitou nebo indukčností vede k výskytu časového zpoždění signálu. Časové zpoždění odporu a kapacity je dáno časovou konstantou t = RC. RC zpoždění je významné z hlediska návrhu čipů a jejich pouzder, protože převážná většina obsahuje určitý odpor či kapacitu. RC zpoždění ovlivňuje rychlost celého systému. Přeslechy Následkem přeslechového šumu je výskyt indukovaného přeslechového signálu mezi vodiči bez jakéhokoliv fyzického propojení těchto vedení. Přeslechy jsou způsobeny parazitní kapacitou a indukcí. Pro omezení se používá lineární modelování přenosu signálu. Elektromagnetické interference (EMI) Mnoho výše popsaných vlastností souvisí s vlastní nebo parazitní kapacitou a indukčností systému. Elektrický návrh pouzdra musí zahrnovat procesy pro odhalení těchto parametrů a jejich následnou simulaci. Nežádoucí elektrické vlivy narušující parametry a zasahující do okolních systémů se nazývají elektromagnetická interference (EMI). 43

44 Návrh pouzdra (4) Teplotní model Náhradní tepelný obvod se skládá z jednotlivých tepelných odporů, které musí teplo vznikající na přechodech překonat na cestě do okolí. - Teplo generované PN přechody se šíří polovodičovým čipem do pouzdra případně materiálu jímž je vyplněno, a z pouzdra do okolního prostředí. Tepelný tok se rozdělí na část procházející z pouzdřícího materiálu přes vývody resp. vývodový systém, tzv. leadframe, a dále do nosného substrátu. Ze substrátu teplo přechází do okolního vzduchu povrchem substrátu (přirozené, nucené proudění; vyzařování) a někdy podélným vedením substrátu do nosných kovových částí. - Druhá část prochází z pouzdřícího materiálu do pouzdra a z něj přímo do okolí pomocí proudění (přirozené, nucené) a vyzařování, nebo přes chladič. Tyto poměry lze modelovat např. softwarovým prostředkem ANSYS 44

45 Typy vývodů: Provedení vývodů Páskové, drátové, kolíkové (SOIC,SOT,PGA,HIO ) Kulové (bradavkové)/sloupkové (BGA,CGA) Kontaktní plošky (QFN/LGA/CC) 45

46 Provedení vývodů páskových J-lead Gull wing 46

47 Různé tvary drátových/páskových vývodů Vývody po zapájení 47

48 Provedení kulových vývodů (solder ball) Flip Chip Al Si Pasivace Substrát a) b) Vývod Metalizace (UBM) a) Řez pouzdrem b) Detail vývodu 48

49 Vývody pouzder LGA/QFN Land Grid Array (pouzdro s vývody v matici plošek) Quad Flat No-lead (ploché kvadrátové pouzdro s vývodními ploškami)

50 Koplanarita vývodů Počet souč. [ ks ] pouzdro 100 0,1 0,05 mm - s o ( stand off ) ,15 mm vývody koplanarita k o 0,8 mm [ m] k o Měření koplanarity (rovinnosti) vývodů 50

51 Úvod Substráty Pouzdření úrovně, parametry Základy tepelného managementu Jaký typ pouzdra zvolit Moderní typy pouzder (BGA, CSP, MCM, ) WLP SiP, SOC 3D pouzdra Závěr 51

52 Typy pouzder - plastová Plastová (nehermetická) - Plastová pouzdra jsou nejrozšířenější pro spotřební aplikace. Cena je obecně mezi ½ až 1/10 z ceny pouzder keramických a kovových. Čip je zde chráněn polymerním materiálem nazývaným pouzdřící hmota (encapsulant). - Pouzdřící techniky zahrnují lisování (lisostřik - molding), zalévání (potting), zakapávání (glob-topping) a máčení (conformal coating). - Pouzdřící hmoty jsou vícesložkové směsi na bázi pryskyřic s různými aditivy (tužidla a tvrdidla, urychlovače tuhnutí, inertní plniva, vazební složky, samozhášecí přísady, přísady potlačující pnutí, barviva a lisovací přísady). Thermosetová pouzdřící materiály jsou převážně na bázi epoxidových pryskyřic. V elektronice jsou používány především tři typy: - diglycidyl ether bisphenol A (DGEBA) nebo bisphenol F (DGEBF), - phenolic and cresol novolaky, - cycloaliphatické epoxidy. (SiP single-in-line packages, DiP dual-in-line packages, PLCC plastic leaded chip carriers, QFP quad flat packs, SOIC small-outline integrated circuits a BGA ball grid array) 52

53 Typy pouzder - hermetická Hermetická (keramická, kovová) - Hermetická pouzdra mají své opodstatnění ve vojenské, letecké, lékařské a částečně také automobilové technice pro svoji vyšší spolehlivost oproti pouzdrům nehermetickým. -Při hermetickém zapouzdření jsou odolná proti vlhkosti a dalším vnějším chemickým vlivům. - Jsou využívána také pro výkonové aplikace, kde musí být zajištěn dobrý odvod tepla. - Kovová pouzdra se používají pro aplikace s malým počtem vývodů a kde je nutnost dokonale elektromagneticky stínit. Pouzdro je hermetické když vykazuje minimální úbytek plynu (množství plynu které může difundovat do nebo z pouzdra). Typický úbytek helia jímž je pouzdro naplněno závisí na velikosti pouzdra a tlaku helia v pouzdře. 53

54 Pouzdření rozměr pouzdra vs. počet vývodů Počet vývodů vs. Rozměr pouzdra 54

55 Pouzdra QFP - standardizace Sjednocení rozměrů u pouzder QFP 55

56 Pouzdra SMD Pouzdra Small Outline 56

57 Pouzdra SMD Plastová pouzdra pro povrchovou montáž 57

58 Pouzdra BGA kulové vývody vodivé lepidlo termokomp. Au spoje epoxy (překrytí) vícevrstvá DPS čipy 0.5 mm 1.2 mm podhled FR 4 SnPb s 2% Ag eutektická pájka mm nepájivá maska -plastová -keramická 58

59 PBGA 59

60 Pouzdra CC (chip carrier) -plastová -keramická ( a ) Počet vývodů Poměr nejdelšího vývodu k nejkratšímu CC : DIL 18 1 : : : : 6 ( c ) Pokovení ( b ) CC DIL Pouzdro CC a jeho přednosti vs. DIL 60

61 Pouzdra QFN QFN (Quad Flat No-lead) jsou pouzdra pro povrchovou montáž, jež jsou připojeny na substrát přes kontaktní plošky vytvořené částečně na spodní a částečně na boční straně pouzdra. 61

62 Propojování na 1. úrovni pouzdření Hlavní techniky propojování na 1. úrovni pouzdření jsou: - wirebonding, - flip chip, -TAB. Wirebonding je nejrozšířenější a představuje přibližně přes 90% všech připojení polovodičových čipů. Flip chip je dnes realizovatelný úpravou standardních čipů a vzhledem k dobrým elektrickým a mechanickým vlastnostem lze očekávat další rozšiřování jeho aplikační sféry. Tape-automated bonding (TAB) technika je poměrně dokonalé připojení s vyšší technickou náročností na přípravu čipů i na zařízení. Používá se omezeně, pro speciální aplikace s vysokou sériovostí (vysoká cena nástroje). Chip stacking nebo 3D (three-dimensional) propojování a připojování je ve vývoji, neboť šetří místo a zvyšuje pracovní rychlost. 62

63 Kontaktování čipů 1 Substrát, 2 Si čip, 3 Kontaktovací plocha, 4 Lepidlo, 5 Drátový spoj, 6 Pružný plochý přívod, 7 Pájecí bump Drátové kontaktování (Wire Bonding Chip & Wire) je momentálně stále nejdůležitější metodou kontaktování polovodičových čipů. Tato metoda využívá mikro drátky, typicky o průměru μm, které jsou skládány ve formě drátových mostů. Energii potřebnou ke spojení dodává ultrazvuk (US), kombinací tepla a tlaku (TC termokompresní kontaktování ) nebo kombinací tepla, tlaku a ultrazvuku (TS termosonické kontaktování). Hliníkové nebo AlSi1 drátky jsou vhodné pro ultrazvukové spojování, zlatý drátek pro termokompresní a termosonické kontaktování. Pro kontaktování TAB, pájení a termokompresní kontaktování je užito kontaktování pomocí pružného plošného přívodu. Kontaktování může proběhnout simultánně vprůběhu jednoho výrobního kroku. Nevýhodou jsou poměrně vyšší nároky na prostor. Spojování Flip-chip potřebuje méně plochy substrátu, což umožňuje dosáhnout vyšší osazovací hustoty. Na čip jsou deponovány pájecí bumpy a tyto mohou být kontaktovány s propojeními na substrátu. Vzhledem k teplotním rozdílům a následným rozdílům roztažnosti mezi čipem a substrátem mohou nastat rozsáhlé střihové deformace ve spoji (bumpu). Pro potlačení pnutí je celá mezera mezi čipem a substrátem vyplněná tzv. underfillerem. 63

64 CSP Pouzdra Chip Scale Package 64

65 CSP stacked pouzdra Stacked CSP pouzdro Intel 65

66 MCM (Multičipové moduly) účinné a spolehlivé pouzdření efektivní odvod tepla ze všech čipů malá vzdálenost mezi čipy velký počet vstupů a výstupů na čipu nízká dielektrická konstanta vysoká propojovací hustota vysoká vodivost spojů velký počet vstupů a výstupů multičipového modulu vysoká pracovní rychlost (frekvence) Princip pouzdření MCM 66

67 MCM různé typy pouzder Parametr MCM-L MCM-C MCM-D PM ) Objem (cm-3) 34,4 21,3 5,4 821 Hmotnost (g) 64,1 92,8 10,7 690 Zpoždění signálu (ps) 297/ / / /1344 (průměrné/maximální) Min. šířka spoje (µm) Vzdálenost spojů (µm) Cena (USD) 6193/ / / /3547 (1000ks/10000ks) ) PM - povrchová montáž 67

68 Úvod Substráty Pouzdření úrovně, parametry Základy tepelného managementu Jaký typ pouzdra zvolit Moderní typy pouzder (BGA, CSP, MCM, ) WLP SiP, SOC 3D pouzdra Závěr 68

69 Přímé připojení čipu na substrát WLP (Wafer Level Packaging) Technologický proces při výrobě WLP 69

70 Technologický postup WLP 70

71 WLP Pohled na WLP Detail jednoho vývodu WLP 71

72 Úvod Substráty Pouzdření úrovně, parametry Základy tepelného managementu Jaký typ pouzdra zvolit Moderní typy pouzder (CSP, MCM atd.) WLP SiP, SOC 3D pouzdra Závěr 72

73 Přístup k řešení 3D struktur: 3D pouzdra Kompaktní pouzdra montovaná přímo na nosný substrát, jež jsou často tvořena multičipovými strukturami (MCM) na keramických nebo laminátových podložkách. Připojení těchto pouzder je provedeno některým ze standardních typů vývodů (J, L, BGA) nebo jinými speciálními technikami. Multisubstrátové struktury (MSM) jsou sestaveny z jednotlivých (dílčích) funkčních částí, jež jsou flexibilně montovány na základě předem stanoveného postupu na základní nosný substrát. Montáž se provádí nejen horizontálně ale i vertikálně, což vytváří třírozměrnou strukturu. Z dosavadního stavu ve světě lze usuzovat, že vývoj v této oblasti probíhá pro potřeby různých aplikací, např. pro spotřební elektroniku, vojenský průmysl a další. V současné době je patentována celá řada provedení od řady výrobců. 73

74 3D stacked Holé (Bare) čipy Pouzdřené (Packaged) čipy 74

75 3D řešení různé uspořádání 75

76 SOP vs. SOC SOC Systém na čipu Mikroelektronika se vyznačovala od dob kdy byl uveden na trh tranzistor snahou integrovat na čip co nejvíce prvků a tak vznikaly stále složitější integrované obvody. SOC je uspořádání, jež na čipu sdružuje jednotlivé funkční bloky systému (procesor, paměti, logické obvody atd.). SOC má omezení: funkční (rychlost signálu na čipu vs. Pouzdře - SiO 2 ) engineering (cena, návrhové prostředky, time to market) SOP Systém v pouzdře Převážná část dnešní přenosné elektroniky využívá multičipové řešení (MCM) v různém provedení, jež obyčejně integruje heterogenní součástky na společném propojovacím substrátu (procesor, paměti, logické obvody ) Zde je mezi SOP a SOC funkční identita 76

77 SiP Horizontální osazování Wire Bonding provedení Flip Chip provedení Stacked struktury Interposer Type (mezipodložka) Wire Bonding Wire Bonding + Flip Chip Flip Chip Interposer-less Type (bez mezipodložky) Vývody v provedení Via (skrz) Embedded (vnořené) struktury Chip (WLP) Embedded + Chip na substrátu 3D Chip Embedded WLP Embedded + Chip na povrchu 77

78 SOP Příklad pouzdra v provedení SOP 78

79 SOP GPS hodinky Casio 79

80 Pasivní část pouzdra Vázané vedení Drátový spoj Přenosové vedení L,C m m L Pasivní součástka R L Z,v 0 p C Svislý propoj Kulový spoj C R L C R L 80

81 Úvod Substráty Pouzdření úrovně, parametry Základy tepelného managementu Jaký typ pouzdra zvolit Moderní typy pouzder (CSP, MCM, LTCC atd.) WLP SiP, SOC 3D pouzdra Závěr 81

82 Závěr Cíl: realizovat součástky přímo do objemu substrátu 82

83 Závěr Moderní pouzdra polovodičových čipů se budou svou velikostí stále více přibližovat vlastní velikosti čipů. Integrace systému složeného z několika funkčních bloků bude směřovat do jediného substrátu - SOP. Přitom musí být řešeny elektrické, mechanické, tepelné a ostatní požadavky. Pokud bude celý systém na čipu, bude se jednat o SOC. SOC nebo SOP bude pájeny přetavením na nosný substrát (modul) nebo motherboard tvořící základní součást celého systému. Nové materiály ve spojení s technologickými postupy budou nacházet nová uplatnění (TV, TLV, LTCC, CVD a další) a budou vznikat nové konstrukční principy (MCM, CSP, Flip-chip, WLP atd.). 83

84 Kontrolní otázky 1) Popište typy substrátů používaných v mikroelektronice a jejich vlastnosti 2) Vysvětlete úrovně pouzdření a popište vývoj na 1. a 2. úrovni 3) Uveďte parametry pouzdření a princip odvodu tepla z čipu 4) Popište způsoby vedení tepla a analogie s ohmovým zákonem 5) Nakreslete náhradní tepelný obvod pro pouzdro tranzistoru 6) Definujte kritéria pro výběr pouzdra a naznačte postup jeho návrhu 7) Popište součástky citlivé na vlhkost a souvislost s přechodem na bezolovnaté pájky 8) Nakreslete různé typy vývodů, uveďte materiály, vysvětlete koplanaritu vývodů 9) Vyjmenujte a popište pouzdra pro povrchovou montáž pro tranzistory a integrované obvody 10) Nakreslete pouzdro BGA včetně tvaru vývodů a uveďte dva způsoby propojení s čipem 11) Popište pouzdření WLP a nakreslete jeho základní princip 12) Popište pouzdra CSP, MCM, 3D a naznačte provedení SOC a SOP.