Moderní trendy v pouzdření elektronických obvodů a systémů Modern Trends in Electronic Circuits and Systems Packaging Ivan Szendiuch, VUT v Brně, FEKT, ÚMEL, Údolní 53, 602 00 Brno, szend@feec.vutbr.cz Klíčová slova: pouzdření a propojování (packaging and interconnection), 3D pouzdra, PoP, MCM, CSP, SoP, SoC, SoM Úvod Výrobci moderních přenosných a příručních systémů, především ze spotřební elektroniky musí průběžně provádět marketingové průzkumy, jejichž cílem je zjišťování požadavků trhu. Mezi obecně platné požadavky platí především konstrukce stále menších, lehčích a výkonnějších zařízení s více funkcemi. Je jasné, že obvodové řešení založené na nových principech může tyto požadavky naplnit jen do určité míry. Konečný efekt je stanoven technickým řešením, jež vychází ze zvoleného typu pouzdření, jež úzce souvisí s aplikovanou technologií. Výzvou se proto stal vývoj a návrh montážních technologií včetně pouzdření, jejíchž výsledným efektem je nižší cena než u předešlých technologických postupů, a navíc které umožňují rychlejší zavádění na trh. Umocňujícím faktorem přitom je spolehlivost finálního výrobku. Pouzdření dnes představuje jeden z rozhodujících faktorů určujících finální parametry elektronických obvodů a systémů. Jeho význam a vliv na konečné vlastnosti a parametry elektronického systému se zvyšuje s rostoucí integrací, a proto jsou na pouzdra kladeny stále vyšší nároky vyplývající z jeho poslání. Obecně musí pouzdro zajistit následující funkce: Vedení signálu Odvod tepla Rozložení výkonu Podporu a ochranu čipů a ostatních součástek Požadavky na moderní pouzdra lze rozdělit podle aplikačních oblastí do několika kategorií, avšak mezi ty obecně platné patří především: Zlepšování elektrických vlastností Zvyšování hustoty součástek Miniaturizace Snižování výkonové spotřeby Zvyšování spolehlivosti Pracovní kmitočet moderních čipů se neustále zvyšuje, a navíc tyto mají v sobě integrováno podstatně více funkcí. To klade zvýšené nároky na řešení pouzder, ať už jejich připojování, propojování i samotného způsobu provedení. Zde je nutné se vypořádat s celou řadou problémů, které se týkají především : návrhu splňujícího elektrické, teplotní, mechanické, chemické a environmentálně i další požadavky a nároky připevnění součástky na základnu pouzdra nebo substrátu propojování součástek, modulů a bloků pro vytvoření vyšších funkčních celků elektrického připojení k vnějšímu prostředí (ke sběrnicím a napájení) řešení a aplikace zajištění a splnění ochranné funkce Návrh pouzdra : elektrický teplotní spolehlivostní
Základy elektrického návrhu pouzder : Ohmův zákon Skin efekt Kirchhoffovy napěťové zákony Šum Časové zpoždění signálu Přenosová vedení Přeslechy Elektromagnetické interference a kompatibilita SPICE model Základy teplotního návrhu pouzder : Teplotní management (zvyšovaní poruchovosti s rostoucí teplotou, odvod tepla) Požadavky na chlazení Základy spolehlivostního návrhu pouzder : Redukce mechanického namáhání Zvyšování pevnosti součástek A to - výběrem vhodných materiálů - vhodnou volbou tvarů a rozměrů - použitím ochranných materiálů - kombinací předešlých Poruchy v elektrických obvodech a systémech jsou převážně elektrické (není obraz, nejde zapnout apod.), ale jejich původ může být: - mechanický - elektrický - teplotní - chemický - kombinovaný Vývoj pouzder: Řešení pouzdření moderních elektronických systémů: 2D 3D (PoP) SoS (SMT) SoM - SiP (MCM, CSP) - SoP - SoC Obr. 1: 2D a 3D pouzdření a jeho různé provedení
Package on Package (PoP) Se zavedením 0,25 µm LSI technologie na počátku 90tých let se začaly objevovat úvahy o tom, že stále více systémů bude realizováno v provedení SoC, kde bude na jediném čipu obsažena většina funkčních bloků systému. Tomu napomáhal i Moorův zákon v tom smyslu, že bude možné realizovat na jediném čipu dostatečný počet tranzistorů, a tím i celý systém. Avšak neustálé zmenšování rozměrů,v současné době již pod 0,1 µm, zobecnění tohoto řešení spíše komplikují. Důvodem je proces optimalizace výroby waferu pro daný systém, která je v rozporu se složitostí a tím i s vyšší cenou masek, delším cyklem zavedení do výroby a také vyšší výrobní cenou. Proto je SoC vhodný zvláště tam, kde se jedná o velmi vysoké výrobní série,jako je tomu např. u mikroprocesorů. Tyto skutečnosti otevírají cestu pro řešení SoP. System on Package (SOP) je proklamován jako progresivní směr v integraci a pouzdření elektronických systémů. SOP směřuje ke zvyšování stupně integrace, kde je převážná většina komponent systému integrována na jediný substrát, jenž může nejen tyto komponenty propojovat, ale také obsahuje ve své struktuře některé pasivní součástky. Tento substrát vytvoří jediné pouzdro, které se umístí na systémovou desku a doplní se pouze nezbytnými zbylými součástkami, jež nebylo možné do společného pouzdra integrovat. Oproti pouzdrům SIP a MCM je dosaženo příznivějších výkonových poměrů, nižšího zpoždění signálu v souvislosti s integrací vf součástek do substrátu a vyšší integrace, to vše při zachování vysoké flexibility. Package on Package (PoP) je vhodné především v aplikacích, kde je upřednostňováno zkrácení času pro vývoj a zavedení do výroby, dále kde jsou požadavky na velkou flexibilitu a možnosti upgrade, a kde je upřednostňována minimalizace vývojových nákladů, neboť jé možné využívat jak konvenční polovodičové čipy, tak také nové zákaznické čipy. Provedení PoP přináší úsporu místa, neboť se jedná o 3D provedení, a to přitom v relativně nenáročném uspořádání s vysokou flexibilitou, jež je výrazně vyšší než u pouzdření MCM a SiP. Obr. 2: Příklad pouzdra PoP
PoP je relativně jednoduché řešení, kde pouzdra nebo substráty jsou propojovány v ose z (do trojrozměrného uspořádání) namísto vedle sebe. Prvním přiblížením k této koncepci jsou pouzdra CSP (Chip Scale Package) využívající pájkové kulové vývody, jež umožňují v dvourozměrném uspořádání výrazné snížení rozměrů hlavního substrátu. Přitom je zachována vysoká logistická flexibilita lze používat komponenty od různých dodavatelů, paměťové obvody lze přizpůsobit konkrétní aplikaci a lze provádět dodatečné úpravy a upgrade, což je pro OEM určitá výhoda. Bezesporu je nutné u provedení PoP vyřešit nově nastalé problémy. Především je třeba definovat technologii (výrobní postupy) a pro toto zajistit infrastrukturu. Důležité je např. standardizovat rozložení propojovacích plošek na jednotlivých pouzdrech (substrátech), což musí zvláště splňovat potřeby související s použitými paměťovými obvody, jež mají obyčejně velký počet vývodů. Na druhé straně se potom otevírá široká oblast aplikací s rozsáhlými možnostmi výběru nejrůznějších uspořádání. Způsoby propojování Základním krokem v technologii provedení PoP je realizace propojů mezi jednotlivými substráty. Jejich funkce je nejen elektrická (elektrické propojení), ale také mechanická (soudržnost substrátů v jeden celek). Propojení může být provedeno následujícími způsoby: drátové propoje (wire bonding) ultrazvuk, termokomprese kuličkové propoje (ball connection) - pájkové hranové propoje (edge connection) pájené nebo lepené páskové propoje termokomprese, pájené speciální propoje (např. lepené) Obr. 3: Příklady provedení propoje pouzder µbga páskovými a drátkovými vývody [Tessera] Obr. 4. Pouzdro vyvinuté pro sestavení paměťového modulu (DRAM) z předem jednotlivě testovaných částí Rebowling - způsob vytváření kuličkových vývodů na pouzdrech je základním postupem pro opatření keramických substrátů kuličkovými vývody. Rebowling se provádí přikládáním kuliček přes předem připravené šablony, na plošky na substrátu s naneseným tavidlem, které vykonává navíc funkci lepidla. Potom následuje proces přetavení pájkových kuliček.
Obr. 5. Příklad umístění CPI a pamětí na jediném substrátu. Obr. 6: Postup realizace pouzdra PoP Shrnutí Neustále se stupňující požadavky na sofistikovanější funkce elektronických systémů znamená zvyšování hustoty součástek. Současně se snižujícím se rozlišením na polovodičových čipech (Intel již zavádí technologii 65 nm a pro konec příštího roku připravuje 45 nm), což vyvstává nutnost snižovat rozměry kontaktních plošek. Důležitá je volba způsobu propojení, jež závisí kromě jiného také na konkrétní aplikaci a typu obvodu. To znamená, že v některých případech je výhodné provádět propojení s pomocí pájených spojů, jindy vodivými lepidly nebo mikrodrátky (wirebonding). Z tohoto pohledu jsou výhodné také součástky Flip-chip, případně WLP (wafer level packaging). Provedení PoP umožňuje různé způsoby a konfigurace provedení, prakticky bez omezení, což dává uživatelům široké pole působnosti. To vyžaduje koordinaci čiností při návrhu čipů, pouzder a obvodů, jak je patrné z obr. 7. Obr. 7: Obecně platný postup při návrhu 3D pouzder Očekává se, že pouzdra PoP se budou vyvíjet směrem k uspořádáním umožňujícím realizovat 3D systémy sestávající ze samostatně testovatelných bloků. Tak bude možné realizovat samostatně vf, digitální i paměťové části systému. Podstatné však zůstanou obecně platné požadavky na splnění cenových limitů, dosažení optimálních rozměrů, zajištění potřebné funkce a samozřejmě také vyřešení teplotních poměrů. Přes toto vše lze již dnes konstatovat, že pouzdra PoP představují flexibilní, cenově příznivé řešení umožňující uvedení nových řešení do výroby v relativně krátkém čase, což jsou základní požadavky na budoucí generace elektronických systémů. Zdroj: Journals Advanced Packaging published by PennWell Corporation, www.apmag.com