Doc. Ing. Ivan Szendiuch, CSc. Mikroelektronika a technologie součástek

Doc. Ing. Ivan Szendiuch, CSc. Mikroelektronika a technologie součástek Vysoké učení technické v Brně 2011

Tento učební text byl vypracován v rámci projektu Evropského sociálního fondu č. CZ.1.07/2.2.00/07.0391 s názvem Inovace a modernizace bakalářského studijního oboru Mikroelektronika a technologie a magisterského studijního oboru Mikroelektronika (METMEL). Projekty Evropského sociálního fondu jsou financovány Evropskou unií a státním rozpočtem České republiky.

2 FEKT Vysokého učení technického v Brně Obsah 1 ÚVOD... 7 1.1 TEST VSTUPNÍCH ZNALOSTÍ... 9 2 TECHNOLOGICKÁ INTEGRACE V MIKROELEKTRONICE... 11 3 ELEKTRONICKÉ SOUČÁSTKY... 14 3.1 PASIVNÍ SOUČÁSTKY... 14 3.2 POLOVODIČOVÉ SOUČÁSTKY... 21 3.3 OSTATNÍ SOUČÁSTKY... 22 3.4 VÝVOJ V POUZDŘENÍ MODERNÍCH ELEKTRONICKÝCH SOUČÁSTEK... 23 3.4.1 Pouzdra s páskovými vývody... 23 3.4.2 Pouzdra s kontaktními ploškami... 25 3.4.3 Pouzdra s kulovými vývody... 26 3.5 VÝVOJ V POUZDŘENÍ SYSTÉMŮ... 28 3.6 DALŠÍ VÝVOJ V OBLASTI POUZDŘENÍ... 29 3.6.1 Pouzdra TSOP (Thin Small Outline Package), PQFP (Plastic Quad Flat Package) 31 3.6.2 Další vývoj v technologii BGA (Ball Grid Array)... 31 3.6.3 Pouzdření typu CSP (Chip Scale Package)... 32 3.7 MULTIČIPOVÉ MODULY (MCM)... 34 3.8 POLOVODIČOVÝ ČIP FLIP CHIP... 38 3.8.1 Elektrické vlastnosti... 39 3.8.2 Výhledy a perspektivy Flip Chip... 40 4 PÁJKY, PÁJECÍ PLOŠKY A JEJICH PÁJITELNOST... 45 4.1 ZÁKLADNÍ PROBLÉMY PÁJITELNOSTI SOUČÁSTEK... 45 4.2 TESTOVÁNÍ PÁJITELNOSTI... 48 4.3 PÁJECÍ MATERIÁLY PRO ELEKTRONIKU... 50 4.4 BEZOLOVNATÉ PÁJKY... 58 4.5 NÁVRH PÁJECÍCH PLOŠEK... 59 4.5.1 Pájení přetavením... 59 4.5.2 Pájení vlnou... 61 4.5.3 Topologie pájecích ploch... 63 5 CENA, SPOLEHLIVOST, ŘÍZENÍ JAKOSTI A INFORMAČNÍ SYSTÉMY... 68 6 TEPELNÝ MANAGEMENT... 72 6.1 ZÁKLADNÍ POJMY... 72 6.2 TEORIE PŘENOSU TEPLA... 76 6.2.1 Vedení tepla... 76 6.2.2 Proudění tepla... 78 6.2.3 Vyzařování tepla... 80 6.3 MODELOVÁNÍ CHLAZENÍ ELEKTRICKÝCH SOUČÁSTEK A SYSTÉMŮ... 81 6.3.1 Obecný přístup k modelování sdílení tepla... 81 6.3.2 Náhradní tepelný obvod... 82 6.3.3 Tepelná charakteristika zapouzdřené součástky... 84 6.3.4 Náhradní tepelný obvod Flip Chip struktury... 85

MIKROELEKTRONIKA A TECHNOLOGIE SOUČÁSTEK 3 7 K OTÁZKÁM JAKOSTI...96 7.1 KLASIFIKACE CHYB MĚŘENÍ...97 7.2 MATEMATICKÝ PŘÍSTUP K VÝPOČTU HODNOTY PPM...98 7.3 SYSTÉM ŘÍZENÍ JAKOSTI V POVRCHOVÉ MONTÁŽI...103 7.4 ZPŮSOBILOST TECHNOLOGICKÉHO PROCESU...106 8 O ŽIVOTNÍM PROSTŘEDÍ...109 8.1 POSKYTOVÁNÍ INFORMACÍ VEŘEJNOSTI...110 8.2 LEGISLATIVA V ČR...110 9 SEZNAM CIZÍCH ZKRATEK A VÝRAZŮ...112 10 ODPOVĚDI NA OTÁZKY...113 11 VÝSLEDKY NEŘEŠENÝCH PŘÍKLADŮ...116 12 LITERATURA...117

4 FEKT Vysokého učení technického v Brně Seznam obrázků, OBR. 2.1 ZNÁZORNĚNÍ JEDNOTLIVÝCH SLOŽEK TECHNOLOGIE Z POHLEDU TECHNOLOGICKÉ INTEGRACE... 12 OBR. 2.2 TŘI HLAVNÍ SOUČÁSTI PODÍLEJÍCÍ SE NA PROCESU TECHNOLOGICKÉ INTEGRACE... 13 OBR. 3.1 ZNÁZORNĚNÍ ZÁKLADNÍCH PASIVNÍCH PRVKŮ A JEJICH CHOVÁNÍ V OBVODU... 15 OBR. 3.2 NAPĚTÍM ŘÍZENÝ OSCILÁTOR V TLUSTOVRSTVÉM (A) A TENKOVRSTVÉM (B) PROVEDENÍ... 17 OBR. 3.3 POROVNÁNÍ INTEGROVANÝCH A DISKRÉTNÍCH KONDENZÁTORŮ... 18 OBR. 3.4 INTEGROVANÉ PASIVNÍ SOUČÁSTKY ZAPUŠTĚNÉ DO DALŠÍHO HDI PWB... 19 OBR. 3.5 ROZMĚRY KONDENZÁTORŮ 1206,0805,0603,0402 A 0201... 20 OBR. 3.6 POUZDRA INTEGROVANÝCH OBVODŮ S PÁSKOVÝMI VÝVODY POUŽÍVANÁ V TECHNOLOGII POVRCHOVÉ MONTÁŽE... 24 OBR. 3.7 DVA TYPY PÁSKOVÝCH VÝVODŮ POUŽÍVANÝCH V POVRCHOVÉ MONTÁŽI PRO POUZDRA IO... 25 OBR. 3.8 ČIPOVÝ NOSIČ V PROVEDENÍ BEZ PÁSKOVÝCH VÝVODŮ... 26 OBR. 3.9 SCHÉMATICKÉ ZNÁZORNĚNÍ POUZDRA BGA... 27 OBR. 3.10 JEDNO Z MOŽNÝCH ŘEŠENÍ BUDOUCÍ GENERACE MODERNÍCH INTEGROVANÝCH MIKROELEKTRONICKÝCH SYSTÉMŮ... 29 OBR. 3.11 ZNÁZORNĚNÍ TRENDU VÝVOJE POUZDER V TECHNOLOGII POVRCHOVÉ MONTÁŽE... 30 OBR. 3.12 ZNÁZORNĚNÍ APLIKAČNÍCH OBLASTÍ RŮZNÝCH TYPŮ POUZDER (VZTAŽENO NA POČET VÝVODŮ)... 31 OBR. 3.13 PŘÍKLAD PROVEDENÍ POUZDRA BGA... 32 OBR. 3.14 JEDNO Z MOŽNÝCH PROVEDENÍ POUZDRA TYPU CSP... 33 OBR. 3.15 ZNÁZORNĚNÍ PRINCIPU MULTIČIPOVÉHO MODULU MCM-CD... 35 OBR. 3.16 PŘÍKLAD ŘEŠENÍ POUZDRA 3D (PROVEDENÍ VÝVODŮ TYPU BGA)... 36 OBR. 3.17 ZNÁZORNĚNÍ ZÁKLADNÍHO PRINCIPU PROVEDENÍ FLIP CHIP... 38 OBR. 3.18 NÁHRADNÍ ELEKTRICKÝ OBVOD PRO PROVEDENÍ FLIP CHIP... 39 OBR. 3.19 NÁHRADNÍ MODEL TEPLOTNÍHO ODPORU POLOVODIČOVÉHO ČIPU PO ZAPOUZDŘENÍ41 OBR. 3.20 SROVNÁNÍ POUZDER QFP, TAB, COB, SCP A FLIP CHIP... 43 OBR. 4.1 ZÁVISLOST DOBY SMÁČENÍ NA DÉLCE SKLADOVÁNÍ... 46 OBR. 4.2 KŘIVKY ROVNOVÁŽNÉ SMÁČIVOSTI... 47 OBR. 4.3 HODNOCENÍ PÁJITELNOSTI ÚHLEM SMÁČIVOSTI PODLE TVARU PÁJKY... 49 OBR. 4.4 FÁZOVÝ DIAGRAM SLITINY CÍN-OLOVO (SN-PB) VČETNĚ POHLEDU NA STRUKTURY. 51 OBR. 4.5 ZNÁZORNĚNÍ STRUKTURY PÁJENÉHO SPOJE S VYTVOŘENÝMI INTERMETALICKÝMI SLITINAMI... 52 OBR. 4.6 HLAVNÍ SMĚRY VARIANT ZPŮSOBU ČIŠTĚNÍ PODLE TYPU A SPECIFIKACE POUŽITÉHO TAVIDLA... 57 OBR. 4.7 FÁZOVÝ DIAGRAM BEZOLOVNATÉ PÁJKY... 58 OBR. 4.8 ZNÁZORNĚNÍ TOPOLOGIE PASIVNÍ SOUČÁSTKY S DEFINICÍ SOUVISEJÍCÍCH POJMŮ... 60 OBR. 4.9 ZNÁZORNĚNÍ POTLAČENÍ JEVU STÍNĚNÍ U SOUČÁSTKY SOT-23... 62 OBR. 4.10 PŘÍKLAD POUŽITÍ ZÁCHYTNÝCH PLOCH PŘI PÁJENÍ VLNOU U POUZDRA VSO... 63 OBR. 4.11 ZNÁZORNĚNÍ ROZMĚROVÉ SYMBOLIKY PRO NÁVRH PÁJECÍCH PLOCH SOUČÁSTEK FINE PITCH... 64 OBR. 4.12 ZÁVISLOST W A F NA P PRO NÁSLEDUJÍCÍ HODNOTY: ID = 0,2 W L = 0,5P O 0,25 P... 65 OBR. 4.13 TŘI MOŽNOSTI UMÍSTĚNÍ VÝVODŮ FINE PITCH NA PÁJECÍCH PLOCHÁCH... 67 OBR. 5.1 ZNÁZORNĚNÍ ZÁKLADNÍ STRUKTURYINFORMAČNÍHO SYSTÉMU PRO ŘÍZENÍ VÝROBY 69 OBR. 5.2 ZNÁZORNĚNÍ ZAŘAZENÍ MEZISTUPŇŮ (ZÁSOBNÍKŮ) DO MONTÁŽNÍ LINKY... 70

MIKROELEKTRONIKA A TECHNOLOGIE SOUČÁSTEK 5 OBR. 6.1 OBECNÝ TEPELNÝ ODPOROVÝ OBVOD PRO CHLAZENÍ POLOVODIČOVÉ SOUČÁSTKY MODELOVANÉ JEDINÝM TEPELNÝM ODPOREM RJC MEZI PŘECHODEM A POUZDREM...84 OBR. 6.2 ZNÁZORNĚNÍ PŘIROZENÉHO CHLAZENÍ ZAPOUZDŘENÝCH POLOVODIČOVÝCH SOUČÁSTEK...85 OBR. 6.3 ŘEZ STRUKTUROU POLOVODIČE FLIP CHIP S NAZNAČENÍM TEPELNÝCH TOKŮ...86 OBR. 6.4 BLOKOVÉ SCHÉMA ODVODU TEPLA ZE STRUKTURY FLIP CHIP...87 OBR. 6.5 NÁHRADNÍ TEPELNÝ OBVOD USPOŘÁDÁNÍ FLIP CHIP...87 OBR. 6.6 ZNÁZORNĚNÍ ZÁKLADNÍCH FAKTORŮ OVLIVŇUJÍCÍCH TEPELNÉ VLASTNOSTI STRUKTURY FLIP CHIP...89 OBR. 6.7 ZÁVISLOST MAXIMÁLNÍHO ZATÍŽENÍ ČIPU NA OKOLNÍ TEPLOTĚ P MAX = F (T OKOLÍ ) (TEPLOTA ČIPU TJ=140 O C)...90 OBR. 6.8 ZNÁZORNĚNÍ ZÁVISLOSTI TEPLOTY ČIPU NA ZATÍŽENÍ TJ = F (P) PRO VELIKOSTI ČIPU (5X5)MM, (10X10)MM, (15X15)MM A SUBSTRÁTY FR4, AL 2 O 3, TEPLOTA OKOLÍ T OKOLÍ =25 O C...91 OBR. 6.9 ZÁVISLOST VÝKONOVÉHO ZATÍŽENÍ ČIPU NA RYCHLOSTI PROUDĚNÍ VZDUCHU P = F (C) PRO VELIKOSTI ČIPU (5X5)MM, (10X10)MM, (15X15)MM A SUBSTRÁTY FR4, AL 2 O 3, TEPLOTA OKOLÍ TJ =140 O C...92 OBR. 6.10 GRAFICKÉ ZNÁZORNĚNÍ CELKOVÉHO TEPELNÉHO TOKU A JEHO STRUKTURY V ZÁVISLOSTI NA PODMÍNKÁCH CHLAZENÍ ( FC- 5X5MM, SUBSTRÁT FR4-50X50MM, TEPLOTA OKOLÍ T O =25 O C, TEPLOTA ČIPU TJ=140 O C, CHLADIČ CU DESKA 25X25X2MM PŘILEPENÝ TEPELNĚ VODIVÝM LEPIDLEM)...93 OBR. 6.11 GRAF CELKOVÉHO TEPELNÉHO TOKU A JEHO STRUKTURY V ZÁVISLOSTI NA PODMÍNKÁCH CHLAZENÍ (FC- 5X5MM, SUBSTRÁT AL 2 O 3-50X50MM, TEPLOTA OKOLÍ T O =25 O C, TEPLOTA ČIPU TJ=140 O C, CHLADIČ CU DESKA 25X25X2MM PŘILEPENÝ NA HORNÍ STRANĚ ČIPU)...94 OBR. 7.1 ZNÁZORNĚNÍ POSTUPU ZAZNAMENÁVÁNÍ DAT O PORUCHÁCH VE VÝROBĚ...99 OBR. 7.2 ZNÁZORNĚNÍ MAXIMÁLNÍCH AKCEPTOVATELNÝCH POSUVŮ ČIPOVÝCH SOUČÁSTEK...100 OBR. 7.3 AKCEPTOVATELNÉ POSUNUTÍ SOUČÁSTKY SOT-23...101 OBR. 7.4 ZNÁZORNĚNÍ AKCEPTOVATELNÉHO POSUVU U SOUČÁSTEK SOIC...101 OBR. 7.5 ZNÁZORNĚNÍ AKCEPTOVATELNÝCH POSUVŮ U SOUČÁSTEK S DELŠÍMI OHEBNÝMI VÝVODY...102 OBR. 7.6 POSTUP PŘI ANALÝZE VÝROBNÍHO PROCESU APLIKACÍ STATISTICKÉHO ŘÍZENÍ JAKOSTI...104 OBR. 7.7 DEFINICE PARAMETRŮ ZPŮSOBILOSTI VÝROBNÍHO PROCESU...107

6 FEKT Vysokého učení technického v Brně Seznam tabulek TAB. 3.1: PŘIBLÍŽENÍ VÝROBY INTEGROVANÝCH REZISTORŮ... 17 TAB. 3.2: STRATEGICKÉ PARAMETRY INTEGROVANÝCH PASIVNÍCH SOUČÁSTEK... 19 TAB. 3.3: KLÍČOVÉ PARAMETRY SUBSTRÁTŮ INTEGROVANÝCH REZISTORŮ... 20 TAB. 3.4: NĚKTERÉ CHARAKTERISTICKÉ PARAMETRY ZNÁZORŇUJÍCÍ VÝVOJ ČIPŮ V LETECH 1992 AŽ 2004... 21 TAB. 3.5: SROVNÁNÍ POČTU VÝVODŮ POUZDER QFP A BGA... 28 TAB. 3.6: MOŽNOSTI REALIZACE POUZDER CSP... 34 TAB. 3.7 NĚKTERÉ PARAMETRY RŮZNÝCH PROVEDENÍ MULTIČIPOVÝCH MODULŮ... 35 TAB. 3.8: VÝVOJ V POUZDŘENÍ ČIPŮ... 37 TAB. 3.9 VÝVOJ PARAMETRŮ BUDOUCÍ GENERACE POUZDŘENÍ... 37 TAB. 3.10: TYPICKÉ HODNOTY KAPACITY A INDUKČNOSTI VÝVODŮ... 40 TAB. 4.1: SROVNÁNÍ PÁJITELNOSTÍ Z HLEDISKA PÁJENÍ VLNOU A PÁJENÍ PŘETAVENÍM... 48 TAB. 4.2 PODMÍNKY PRO TESTOVÁNÍ PÁJITELNOSTÍ SOUČÁSTEK URČENÝCH K POVRCHOVÉ MONTÁŽI... 48 TAB. 4.3: ROZDĚLENÍ TAVIDEL PODLE ZÁKLADNÍHO SLOŽENÍ PŘEVZATÉ ISO (INTERNATIONAL STANDARDS ORGANISATION)... 55 TAB. 6.1: MAXIMÁLNÍ ZATÍŽENÍ ČIPU V ZÁVISLOSTI NA TEPLOTĚ OKOLÍ, TJ=140 O C... 89 TAB. 6.2: TEPLOTA ČIPU V ZÁVISLOSTI NA ZATÍŽENÍ PŘI KONSTANTNÍ TEPLOTĚ OKOLÍ, T OKOLÍ =25 O C... 90 TAB. 6.3: VÝKONOVÉ ZATÍŽENÍ ČIPU V ZÁVISLOSTI NA RYCHLOSTI PROUDĚNÍ VZDUCHU... 91 TAB. 6.4: VÝKONOVÉ ZATÍŽENÍ ČIPU A JEHO STRUKTURA V ZÁVISLOSTI NA PODMÍNKÁCH CHLAZENÍ (MATERIÁL FR4)... 93 TAB. 6.5: VÝKONOVÉ ZATÍŽENÍ ČIPU V ZÁVISLOSTI NA PODMÍNKÁCH CHLAZENÍ PRO SUBSTRÁT AL 2 O 3... 95 TAB. 7.1: OPTIMÁLNÍ, AKCEPTOVATELNÉ A NEVYHOVUJÍCÍ TVARY PÁJENÝCH SPOJŮ... 103 TAB. 7.2: PŘEHLED NÁSTROJŮ PRO ŘÍZENÍ VÝROBNÍHO PROCESU V TECHNOLOGII POVRCHOVÉ MONTÁŽE... 105 TAB. 7.3: PŘÍKLAD ANALÝZY PORUCH ZE TŘÍ RŮZNÝCH HLEDISEK... 108

MIKROELEKTRONIKA A TECHNOLOGIE SOUČÁSTEK 7 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 a mnohdy nově vznikajících oblastí zasahujících dnes prakticky všechna průmyslová odvětví. V současné době vlastně 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 především dva parametry, a to 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 výrobků inovovaných, a na čem tento vývoj 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 podstatě požadavky trhu spojené s touhou výrobců tyto požadavky uspokojovat a získávat tak nová odbytiště, zkrátka zvyšovat objemy. Z technického pohledu je to vývoj stále novějších (inovovaných) a dokonalejších elektronických obvodů a systémů, u nichž jsou stále intenzivněji patrné dvě složky: technologická a obvodová, jež dnes stále více splývá (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

8 FEKT Vysokého učení technického v Brně 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 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.

MIKROELEKTRONIKA A TECHNOLOGIE SOUČÁSTEK 9 1.1 Test vstupních znalostí Počet správných odpovědí: 18-20 výborně 15-17 velmi dobře 12-14 dobře 11 a méně nedostatečné Vyznačte vždy jednu správnou odpověď zakroužkováním! Otázka a) b) c) Možnosti Volba Body 1 Jaký je hlavní materiál pro výrobu integrovaných obvodů Au Si Sn a b c 0-1 2 Pro vytváření PN přechodů se používá oxidace sítotisk difůze a b c 0-1 3 Jednotka měrného odporu je Ω Ωm Ω/m a b c 0-1 4 Proces iontové implantace je řízen energií teplotou vakuem a b c 0-1 5 Běžná plocha polovodičového čipu je 0,1 mm 2 10 mm 2 1000 mm 2 a b c 0-1 6 Kondenzátor může být keramický proudový kadmiový a b c 0-1 7 Nejlepším vodičem je Cu GaAs Fe a b c 0-1 8 Permitivita vyjadřuje vlastnost indukčnosti dielektrika magnetu a b c 0-1 9 Proces naprašování je řízen teplotou proudem napětím a b c 0-1 10 Pájení měkkými pájkami probíhá při 120 o C 220 o C 320 o C a b c 0-1 teplotě 11 Teplotní součinitel rezistoru vyjadřuje rozměru odporu tolerance a b c 0-1 změnu V závislosti na změně teploty 12 Polovodičová sloučenina typu AIII/BV je AuSn PdAg GaAs a b c 0-1 13 Tepelná vodivost vyjadřuje množství tepla které projde objemem látky mezi W.m.K -1 W.m -1.K -1 W.m 2.K -1 a b c 0-1 dvěma body mezi nimiž je teplotní gradient Jednotkou je 14 Schopnost látek přijímat vlhkost z okolí je navlhavos bobtnání viskozita a b c 0-1 15 Pohyb nosičů v polovodiči se děje rychlostí v, která je přímo úměrná t difúzní délce koncentra ci nosičů intenzitě pole a b c 0-1 16 Mikroprocesor Pentium4 má řádově počet vývodů jednotky desítky stovky a b c 0-1 17 Hlavní cesta odvodu tepla z polovodičového čipu je sáláním vedením proudění m a b c 0-1 18 Mezi jakostí a náklady je úměra přímá nepřímá žádná a b c 0-1 19 Distribuční funkce je funkce, která větší než menší než libovolné každému reálnému číslu přiřazuje toto číslo toto číslo velikosti a b c 0-1 pravděpodobnost, že náhodná veličina nabude hodnoty 20 Střední hodnota je aritmetický průměr Celkový počet bodů: geometrický průměr průměr krajních hodnot a b c 0-1 Správné odpovědi: na další straně

10 FEKT Vysokého učení technického v Brně 3 5 7 9 11 13 15 17 19 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 1 b b a c b b c b b c a a b b c a c b a b

MIKROELEKTRONIKA A TECHNOLOGIE SOUČÁSTEK 11 2 Technologická integrace v mikroelektronice Cíl: Uvědomit si postavení technologie v současné elektronice a pochopit vývoj v oblasti elektronických technologií. Tyto zaujímají stále významnější roli při návrhu, konstrukci a vývoji elektronických obvodů a systémů. Uvědomit si pojem technologická integrace a její dopad na současnou elektroniku [ 1 ], [ 2 ], [ 10 ]. 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 znázorněno na Obr. 2.1. Pojem technologická integrace spojuje v elektronice celou řadu dříve samostatných oblastí, jež jsou dnes stále více na sobě závislé a také stále více propojeny datovými soubory, předpisy, protokoly apod. Tyto informace 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.

12 FEKT Vysokého učení technického v Brně Obr. 2.1 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. 2.1 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. Shrnutí: Technologická integrace spojuje v elektronice celou řadu dříve samostatných oblastí, jež jsou dnes propojeny datovými soubory, předpisy, protokoly apod. Tyto informace 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. Otázky: 1) Co je to technologická integrace? 2) Jaké jsou hlavní součásti technologické integrace?

MIKROELEKTRONIKA A TECHNOLOGIE SOUČÁSTEK 13 Příklad 2.1 Řešený příklad Zadání: Znázorněte tři hlavní oblasti v mikroelektronických technologiích, jež se podílí na technologické integraci. Řešení: Výrobní proces Výrobek Materiály a součástky Konstrukční návrh Obr. 2.2 Tři hlavní součásti podílející se na procesu technologické integrace Žádná ze tří uvedených oblastí, jež spolu souvisí a společně ovlivňují konečné parametry výrobku včetně jeho jakosti a ceny, není prioritní. Proto je nutné již od samého počátku rozhodování o koncepci, konstrukci a o konečném provedení každého výrobku. Je třeba tedy již na samém počátku zaujmout stanovisko ke všem uvedeným oblastem.

14 FEKT Vysokého učení technického v Brně 3 Elektronické součástky Cíl: Získat přehled o konstrukci a výrobě moderních elektronických součástek, obvodů a systémů a dokázat s nimi pracovat v inženýrské praxi. Moderní součástky se stávají stále více součástí elektronického obvodu resp. systému a proto je třeba k nim přistupovat ze stále komplexnějšího pohledu. Je nutné si uvědomit vzájemné souvislosti mezi návrhem, konstrukcí a použitím těchto součástek v praktických aplikacích [ 2 ], [ 10 ], [ 13 ], [ 14 ], [www.onboard-technology.com ] 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 různých pohledů podle funkce, materiálu apod., avšak jedno ze základních je obvodové hledisko které dělí součástky 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) Na

MIKROELEKTRONIKA A TECHNOLOGIE SOUČÁSTEK 15 Obr. 3.1 jsou znázorněny základní součástky tvořící pasivní sítě, jimiž jsou vodič, odpor, kondenzátor, induktor a transformátor. Chování těchto prvků v elektrickém obvodu je vyjádřeno jejich náhradním obvodem a je závislé na pracovním kmitočtu. Čím přesněji dokážeme chování jednotlivých pasivních prvků v závislosti na kmitočtu pro příslušnou aplikaci popsat, tím dokonalejší bude návrh a následná funkce. Nesmíme však zapomenout, že i aktivní prvky mohou mít ve svém náhradním obvodu prvky pasivní, jež výrazným způsobem ovlivňují jejich vlastnosti, především pracovní kmitočet (u číslicových obvodů). SOUČÁSTKA Schéma pro nf Schéma pro vf Impedanční závislost a rezonanční vlastnosti Vodič Odpor Z f Z Kondenzátor f Z Induktor f Z f Transformátor Z f Obr. 3.1 Znázornění základních pasivních prvků a jejich chování v obvodu 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

16 FEKT Vysokého učení technického v Brně 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 01005 (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 dále na Obr. 3.10. 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. Integrované pasivní součástky tvoří oblast zájmu, která je podrobena v elektronice výrazným tendencím k integraci. Jejími hlavními rysy je miniaturizace a snížení ceny. Některá nová řešení jsou v současné době zaváděna do výroby, především v souvislosti s uplatňováním obvodů s vysokou hustotou součástek (HDI) v nejrůznějších aplikacích, především však v telekomunikacích a informatice. Dokud bude pokračovat trend integrace analogových, digitálních a dalších elektronických součástek a systémů, musí zákonitě probíhat i proces vývoje pasivních součástek. Velké rozměry, parazitní jevy, problémy s elektromagnetickou kompatibilitou (EMC) a vysoká cena osazování jsou klíčovými problémy, které musí být řešeny. Nové směry ve vývoji integrovaných pasivních součástek je vedena směry, které řeší nebo redukují výše uvedené problémy začleňováním pasivních součástek přímo na povrch či do vnitřku nosného substrátu. Průmyslové technologie používané k výrobě integrovaných pasivních součástek tvoří především: a) Tenkovrstvé (Thin Film) technologie vytvářející tenké vrstvy převážně naprašováním nebo napařováním na organické i anorganické podložky. b) Tlustovrstvé (Thick Film) technologie, jež využívají sítotisk a následné vysokoteplotní sintrování (výpal), jež jsou převážně realizovány na keramických substrátech ve vícevrstvém uspořádání. c) Polymerní tlusté vrstvy (Polymer Thick Film) využívá nízkoteplotní materiály (pasty). Například integrované rezistory mohou být realizovány sítotiskem v planárním uspořádání, někdy i v kombinaci s ostatními součástkami. d) Kombinací pasivních prvků s aktivními prvky nebo moduly, ať už se soustředěnými nebo s rozloženými parametry. Tak se dosahuje pro vysokofrekvenční provedení vysokého stupně integrace, jak je patrné z obr 3.2.

MIKROELEKTRONIKA A TECHNOLOGIE SOUČÁSTEK 17 a) b) Obr. 3.2 Napětím řízený oscilátor v tlustovrstvém (a) a tenkovrstvém (b) provedení Jednotlivé technologie mohou být použity k výrobě ekonomicky příznivých a spolehlivých kondenzátorů, rezistorů a induktorů a jejich kombinací, polí pro aplikace, jako jsou např.: a) Systémové funkce - kapacitory: potlačení vazby bypass, vyladění a filtrování, potlačení šumu - rezistory: můstky, mikrovlnné a vn aplikace - induktory: úprava napájení a signálů b) Integrované R,L,C obvody, např. pro řízení sběrnic (obsluha/úprava napájení), impedanční přizpůsobení, odstranění rušení Vývoj v oblasti integrace pasivních součástek lze stručně shrnout do následujících oblastí: A. MCM technologie - MCM-C: vícevrsvé keramické struktury (Tlustovrstvé hybridní technologie, LTCC, HTCC, AIN) - MCM-D: tenkovrstvá dielektrika na keramickém substrátu (jemné struktury s velkou hustotou spojů) - MCM-D/C: tenkovrstvá dielektrika na keramice (vícevrstvé) - MCM-Si: křemík na křemíku (jemné struktury s vysokým rozlišením méně než 1µm litografie), kompatibilní s tenkovrstvovou technologií - MCM-L: laminát (vysokohustotní aplikace ( HDI PWB) - MCM-D/L: nanášená dielektrika na organický substrát (PWB) B. Rezistory (viz Tab. 3.1) Tab. 3.1: Přiblížení výroby integrovaných rezistorů Technologie / příklady Rezistivita (ohm/čtverec) TCR (ppm/c) Tenké vrstvy: TaN, Ni-Cr, Ta2N, Ta-Si, Cr-Si, cermety Tlusté vrstvy: Ru2O, základy IrO2 komentář 10-300 Od 200 do +200 Reaktivní prskání, teplotní stabilita, RPIB odpařování, nízký šumový proud 1,0-1M Od 150 do +300 Hořlavý okolo 850C dobře drží kapacitu, vysoce frekvenčně závislé, vysoký šumový proud Plněné polymery 10-10K Velká frekvenční závislost sítotisk, filmový tisk

18 FEKT Vysokého učení technického v Brně C. Kapacitory Tlustovrstvé a tenkovrstvé se soustředěnými i s rozloženými parametry Porovnání vlastností (impedance na frekvenci 106 109) mezi integrovanými (HIDEC FP a HIDEC PP) a nynějšími diskrétními kapacitory používaných při montáži v elektronickém průmyslu je znázorněno na Obr. 3.3. Obr. 3.3 Porovnání integrovaných a diskrétních kondenzátorů Doposud výrobci pasivních součástek zaměřují své úsilí spíše na snižování rozměrů, než na jejich integraci. Podstatou dalšího vývoje je propojení výzkumu a vývoje nových materiálů, procesů a nových principů v hledání dalších cest vedoucích k integrování pasivních součástek. Podstatou těchto projektů jsou především: - Vhodné CAD/CAM nástroje pro výrobu kapacitorů, rezistorů a induktorů, - modelové a simulační nástroje k vytváření pasivních struktur, databází a vývojářských knihoven, předvídání parametrů obvodů a zajištění jejich stability a reprodukovatelnosti, snižování ceny, - kapacitory: nanokompozitní a polymerové materiály s vysokou stabilitou dielektrika, vyhotovení kapacitorových struktur Through Vias, teplota procesu pod 230oC pro docílení kompatibility s procesem povrchové montáže, - rezistory: elektrolýzou pokoveny vrstvou Ni-P, Ni-W-P, nové sloučeniny a řídící koncepty pro polymerní tlustovrstvé technologie, - induktory: 2D a 3D měděné struktury, polymerová jádra plněna feritem, elektricky pokovena slitina feritového jádra, PCB planární magnetická technologie - rezistory/kapacitory/induktory: tlustovrstvá technologie založená na materiálech složených ze směsi jemných frit s reakčním organickým médiem, jež se vytvrzují při teplotě nižší, než teploty procesů na substrátech keramických.

MIKROELEKTRONIKA A TECHNOLOGIE SOUČÁSTEK 19 Tab. 3.2: Strategické parametry integrovaných pasivních součástek Aplikace Požadovaný Q faktor Tol. Frekvence Komentář rozsah Filtrovací kondenzátor 1-10nF >100 <10% 2-3GHz Vysoká vlastní rezonanční frek., Velké Q Bypass 0,01-0,1mF >50 <15% 2-3GHz Malá impedance <<1ohm kondenzátory Blokovací 0,01-1mF >25 <15% 10GHz Malá reaktance a impedance, velký rozsah hodnot C, zlom u V>20V Matching <10pF >100 <5% 5-10GHz Vyžadována nízká tolerance Rezistory 10-200Kohm - <10% 2-3GHz Koncové rezistory, Přizpůsobovací rezistory, Potenciometry Cívky 1-10nH >15 <10% 2-3GHz Vyžadováno vysoké Q RF Choke L 0,1-1mH >15 <20% 2-3GHz Velký rozsah L Power L Asi 5mH >10 <20% 1-100MHz Velmi velký rozsah L Některé směry řešení usilují o reprodukci standardních technologií, jež jsou používány ve vícevrstvových strukturách jak na keramických, tak i na laminátových substrátech. Řešením je začleňování planárních (vrstvových) pasivních prvků do propojovacího systému z organického nebo anorganického substrátu (FR-4, polyamide, BT, kyanytan-ester, atd.). Tímto se zhotovení pasivních součástek stává součástí výroby vlastního nosného substrátu (obyčejně DPS), jak je patrné z Obr.3.4. Bezolovnatá pájka Mikro via > 80 µm 5 vrstev Vf materiál Vložené součástky HDI materiály - skelné - aramid - polymery - resiny - bezhalogenové FR 4 Obr. 3.4 Integrované pasivní součástky zapuštěné do dalšího HDI PWB

20 FEKT Vysokého učení technického v Brně Tab. 3.3: Klíčové parametry substrátů integrovaných rezistorů První rok výroby Jednotka 2001 2003 2009 Hodnota odporu Ohm 10 100 000 10 200 000 10 200 000 Max I/O základna / cm2 100 175 270 Tolerance % 10 7 5 Výkonové zatížení Watt/cm2 16 32 32 Počet součástek Průměrně / cm2 50 75 110 Počet součástek Maximálně/cm2 80 100 140 Tabulky Tab. 3.1 a Tab. 3.3 ukazují hlavní parametry integrovaných pasivních součástek a klíčové parametry substrátů. S odkazem na stejné zdroje, integrované pasivní součástky by měly dojít k hodně teplotně náročným aplikacím v automobilovém průmyslu, pro příklad -40 až +150 C, 2000 cyklů teplotních změn v jedné hodině, 1000 hodin na 150C, 85%vlhkost / 85C a 1000 hodin, 2mm odchylka přes 90 mm po 1 hodině ohýbání, 4x měření napětí za 1 min na odolnost dielektrika, 25/65C a 100%vlhkost 1000 hodinový cyklus teplota-vlhkost. A především budou muset být schopny pracovat s napětím 42 V, jež je pro moderní automobily nutné. Obr. 3.5 Rozměry kondenzátorů 1206,0805,0603,0402 a 0201 Současný vývoj ukazuje, že stěžejní roli ve vývoji nových pasivních součástek budou hrát stále více nové materiály a nové výrobní technologie, které dovolují zaintegrovat pasivní součástky do vnitřní struktury substrátů, jak organických, tak anorganických. Tyto nové komponenty mohou snížit nebo eliminovat současné problémy a přispět podstatně k další miniaturizaci se všemi důsledky. 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.

MIKROELEKTRONIKA A TECHNOLOGIE SOUČÁSTEK 21 Otázky: 3) Čím se vyznačují pasivní prvky a jak je rozdělujeme? 4) Jak se liší jednotlivé provedení a výroba odporů a kondenzátorů? 5) Co vyjadřuje označení součástky 0805 a o jakou součástku se jedná? 6) Čím jsou tvořeny náhradní obvody pasivních prvků v oblasti použití na vf? 7) Jaké jsou průmyslové technologie pro výrobu pasivních součástek? 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 dnes již zcela běžného procesoru Pentium III již počet prvků na čipu přesáhl hranici deseti milionů, a u dalších typů (Pentium IV, V) se dále zvyšuje. Tyto skutečnosti 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 Chyba! Nenalezen zdroj odkazů.. Tab. 3.4: Některé charakteristické parametry znázorňující vývoj čipů v letech 1992 až 2004 Parametr Rok 1992 1995 1998 2001 2004 Velikost čipu (mm 2 ) max. 250 max. 400 max. 600 800 1000 Litogr. rozlišení (µm) 0,5 0,35 0,25 0,18 0,12 Max. ztrátový výkon (W) 10 15 30 40 40 120 Kmitočet (MHz) 120 200 350 700? GHz Počet vývodů max. 400 620 1200 2000 3500 Cena waferu ($ za cm 2 ) 4,20 3,90 3,75 3,65 3,60

22 FEKT Vysokého učení technického v Brně Z údajů uvedených v Tab. 3.4, 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 realizaci polovodičové struktury. V současné době se standardem stala technologie označovaná 0,18 µm, postupně se začíná přecházet na 0,13 µm. Otázky:8) Co je to wafer a jakých dosahuje rozměrů? 9) Jak se vyvíjelo litografické rozlišení v polovodičové technologii? 10) Jaký rozdíl je mezi oxidací, iontovou implantací a naprašováním a k čemu slouží? 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. Tyto součástky lze nalézt v katalozích jednotlivých výrobců. Jsou řešeny buď s drátovými nebo kolíkovými vývody pro pájení na plošné spoje, nebo s kontaktními ploškami pro povrchovou montáž.

MIKROELEKTRONIKA A TECHNOLOGIE SOUČÁSTEK 23 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 Complementary 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 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 každého jednotlivého systému důležitější namísto samotného čipu provedení použitého pouzdra. Pouzdra dělíme podle provedení a materiálů jak je popsáno dále. 3.4.1 Pouzdra s páskovými vývody Do této skupiny pouzder patří jak pouzdra keramická, tak plastová. Vyznačují se páskovými vývody, jež jsou dále ukázány na obr. 3.7. Miniaturní plastová pouzdra v provedení Dual in Line ( krátce nazývaná DIL), nebo někdy také nazývaná Dual In-line Package (zkráceně DIP) s vývody na dvou protilehlých stranách, označovaná ve zmenšeném provedení pro povrchovou montáž SO (Small Outline), jsou z počátku nejčastěji používaná provedení. Dále se sem řadí 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). Tři nejčastěji používané typy těchto pouzder znázorňuje v základním provedení Obr. 3.6.

24 FEKT Vysokého učení technického v Brně a) b) c) Obr. 3.6 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 od různých výrobců. To je způsobeno skutečností, že řada z nich byla vyvinuta buď pro určitý typ čipu nebo pro určitou aplikaci. Pro vlastní montáž do obvodu jsou rozhodující tvar a rozteč vývodů, čemuž musí být přizpůsobena i příslušná technologie. Původně velmi rozšířená pouzdra DIL s vývody uzpůsobenými pro montáž do děr plošných spojů (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, a proto se nepoužívá více než 32 vývodů (zde je ale již obyčejně snížena rozteč např. na 2 mm). 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. 3.7. Provedení vývodů pouzder, jež je charakterizované jejich tvarem a roztečí je určující pro návrh pájecích ploch. Jejich kvalita (pájitelnost, tvar koplanarita atd.) je pak důležitá pro jakost a spolehlivost procesu pájení, ale i samotného pájeného spoje, a s tím i celého obvodu případně systému.

MIKROELEKTRONIKA A TECHNOLOGIE SOUČÁSTEK 25 a) J Lead b) Gull Wing Obr. 3.7 Dva typy páskových vývodů používaných v povrchové montáži pro pouzdra IO 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) [ 1 ]. To je zvláště nepříjemné, neboť je běžnou optickou kontrolou obtížně postřehnutelné. 3.4.2 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. 3.8. 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 zlato-cínovou 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