Технологии в электронной промышленности №5'2005

Тенденции развития печатных плат

Гюнтер Ляйзингн
Йоханнес Штар


Рассматривая развитие технологии в течение последних лет, очевидно, что глобальное изменение технологии печатных плат было вызвано техническими потребностями. Двигателем быстрого развития явилась информационная технология: например, портативные персональные средства связи становятся все более миниатюрными. Параллельно с технологическим развитием наблюдается рост функциональных возможностей изделий. Новые устройства, такие как встроенные фотоаппараты и цветные дисплеи современных мобильных телефонов, приводят к осознаниюроста сложности применения кремния...


Печатные платы. Вступление

Рассматривая развитие технологии в течение последних лет, очевидно, что глобальное изменение технологии печатных плат было вызвано техническими потребностями. Двигателем быстрого развития явилась информационная технология: например, портативные персональные средства связи становятся все более миниатюрными. Параллельно с технологическим развитием наблюдается рост функциональных возможностей изделий. Новые устройства, такие как встроенные фотоаппараты и цветные дисплеи современных мобильных телефонов, приводят к осознанию роста сложности применения кремния. В некоторых случаях специализированная микросхема уже более рентабельна, чем существующие решения. А впереди — следующий шаг к полупроводниковой интеграции, которая будет вести к дальнейшей интеграции функций. Тот, кто думает, что эти тенденции интеграции упростят технологию соединения отдельных элементов в единое целое, неправ. Существующие изделия демонстрируют все более усложняющуюся технологию межсоединений внутри и на поверхности плат печатных схем. На плотность электрической схемы и ее компоновку будет оказывать влияние растущее число взаимосвязей полупроводниковых матриц. Ответ на это технологическое требование — применение новых решений компоновки с уменьшенными размерами контактных площадок.

Речь идет об изменениях технологии производства многослойных печатных плат под воздействием перспективных (будущих) схем компоновки, методов их конструирования, а также конструктивных норм. Эти новые конструктивные нормы требуют модификации технологии межсоединений по оси Ζ (межслойные вертикальные переходы), чтобы воспроизвести высокую плотность соединительных линий. Каскадные межслойные переходы уже используются в настоящее время, но имеют некоторые недостатки, которые могут быть устранены при использовании совмещенных по вертикали и заполненных медью межслойных микроотверстий. Об этой технологии и рентабельном ее решении — данная статья.

В будущем новым решением по компоновке могли бы быть непосредственно сами печатные схемы. Использование встроенных в печатную плату компонентов явно изменит технологию межсоединений. Пассивные компоненты, такие как резисторы, первыми интегрируются внутрь печатных плат. За ними следуют конденсаторы. Степень интеграции сегодня еще не установлена. И причина этому — неизвестный пока потенциал технологии вложений.

Важной областью развития производства схем печатных плат является разработка материалов. С одной стороны, требуется повысить надежность изделия, а с другой — срок эксплуатации изделия из-за морального старения становится короче. Кажется, что эти факты находятся в противоречии. Но следует обратить внимание, что число электрических взаимосвязей электронных компонентов значительно увеличилось. Места пайки уменьшили их размер, и в будущем будут использоваться материалы, не загрязняющие окружающую среду, такие как припои, не содержащие свинец. При рассмотрении этих аспектов надежность изделия получает куда более важное значение. Различные меры были приняты для повышения надежности изделия. Толстое медное покрытие внутри переходных отверстий или органические материалы основы — некоторые из этих решений. Но лишь некоторые из них подходят для применения в печатных платах высокой плотности. Необходимо устранить изначальную проблему — проблему теплового расширения материалов.

Разработка элементной базы

В поиске оптимизированного набора активных компонентов промышленность разработала множество различных решений, которые оптимизированы к числу выводов корпусов. Стоимость за вывод была значительно уменьшена. Кремниевая матрица — активная часть компонента — уменьшила расстояние до печатной платы. Последствие этого — сокращение длин проводников между соседними электрическими компонентами и сокращение физического расстояния, которое является определяющим в проблеме возникающего механического напряжения, вызванного несоответствием коэффициентов теплового расширения (КТР) печатной платы и электронных компонентов. После пайки припой, как связующий элемент, примет на себя всю механическую нагрузку. Это может привести к уменьшению надежности, если материалы устанавливаемых компонентов и материалы печатных плат не согласуются по соответствующим значениям КТР.

Для наборов микросхем типа CSP (Chip Scale Package) вышеупомянутое требование должно быть полностью принято во внимание. Когда размер шага сократился до величины менее 0,8 мм, конструктивные нормы повлекли за собой значительное сокращение размера контактной площадки для пайки, что могло привести к механической перегрузке и, в конце концов, к разрушению соединения. Для решения этой проблемы были разработаны новые поверхностные покрытия печатных плат, которые обеспечили более прочную связь паяных соединений. Покрытие OSP (органическая защита поверхности) заменило комбинированное покрытие никель/золото и решило проблему надежности. В настоящее время

уже широко используются смешанные виды покрытия: одни покрываются никель/золотом, другие — OSP. Дело в том, что мобильные изделия имеют клавиатуру, контакты которой нуждаются в никеле/золоте для обеспечения высокой износоустойчивости.

При выборе новых решений компоновки полупроводников следует знать, что микросхемы без промежуточных контактных вставок внутри корпусов — наиболее рентабельны. На диаграмме (рис.1) видно, что слоеная конструкция вафельного типа имеет превосходный шанс стать основной для микросхем в будущем. Изюминкой этой конструкции является слой диэлектрика, который соединяет слой полупроводника через металлизированные микроотверстия с несущим (опорным) слоем. На несущем слое находятся контактные шарики, которые используются, чтобы создать контакт с печатной платой в процессе пайки. Сложный микромонтаж на диэлектрической подложке больше не нужен, потому что кремниевая матрица является носителем сама по себе, и термокомпрессионное соединение проволочных выводов заменено надежной технологией межслой-ных соединений с выходом сразу на несущий слой.

Микросхемы со «слоеной» конструкцией «вафельного» типа (WL) не часто использовались до сегодняшнего дня. И причина здесь — определенно не в стоимости компоновки, а в технологии межсоединения, которая находится на недостаточном уровне развития. Это означает, что конструктивные нормы скоро изменятся, и будут использоваться новые виды взаимосвязи по оси Ζ. Технология пайки также достигнет своих пределов, объем припоя на печатных платах в точках пайки будет значительно уменьшен.

Рис.1. Диаграмма развития компонентов после 2000 года [1 ]

В самом верху диаграммы технологического прогресса элементной базы (рис. 1) можно видеть технологию стековых матриц или модулей (Stacked modules), которая стремится к сокращению плотности межсоединений вне этих элементов и использованию эффективной концепции межсоединений в пределах модуля. Одной из этих концепций межсоединений, с которым AT&S также имеет дело, является концепция «чип в полимере». Эта технология использует встройку компонентов непосредственно в печатную плату. Одним из преимуществ этой технологии является использование рентабельной технологии производства печатных плат.

В перспективных схемах компоновки взаимодействие между технологией полупроводников и технологией печатных плат будет даже более важным, чем сегодня.

Рис. 2. Стоимость выводов. Тип компоновки [2]

Разработка проектных норм

Таблица 1 — это наше видение ближайшего будущего в области электронных компонентов и печатных плат для них. Эта диаграмма показывает связь между используемым компонентом и требуемыми конструктивными нормами, это реальный вызов, который придется принять. Необходимо найти новые решения в области фотолитографии и связанной с ней технологией обработки. Это затрагивает как технологию нанесения изображения, так и технологию фоторезиста. Но нужно обязательно принимать во внимание проблемы изменения размеров материалов, из которых изготавливают печатные платы. Лазерные системы прямого формирования изображения имеют идеальную способность привязывать рисунок проводников к расположению отверстий. К сожалению, эти системы имеют недостатки, связанные с разрешающей способностью и производительностью. Именно поэтому данные системы используются только для создания прототипов и небольших серий. По всей вероятности, развитие станков и совершенствование процессов фотолитографии пойдет в том направлении. Это означает, что необходимы высокочувствительные фоторезисты и паяльные маски, создание которых еще не закончено.

Ситуация в области проектных норм для перспективного серийного производства в ближайшем будущем не такая критичная.

В области мобильных телефонов микросхемы с шагом 0,5 мм, дополняемые шагом 0,4 мм (с 2005 г.). доминируют в конструктивных нормах. Особо нужно обратить внимание на то, что количество HDI-слоев будет увеличено на два в случае использования микросхем с шагом 0,4 мм.

Концепции межслойных соединений

Увеличение количества слоев — это требование высокой плотности проводников на печатной плате и маленького шага выводов микросхем, как упомянуто выше. Однако есть дополнительная проблема, возникающая при использовании уже существующих технологий межсоединений. Если линии проводников на печатной плате пройдут сквозь контактную площадку BGA с небольшим шагом, то ширина проводников уменьшится до уровня, когда приемлемый выход годных изделий уже не может быть достигнут, следовательно, существенно вырастает процент брака. Единственной альтернативой является использование новых методов межслойных переходов (ось Ζ). В настоящее время используются так называемые ступенчатые микропереходы, которые реализуются в двух несоосных микроотверстиях на соседних слоях. Причина использования двух микроотверстий состоит в том, что из-за несовершенства технологий мы раньше не могли разместить их друг над другом. Как результат, такие пары межслойных микропереходов «съедали» столько места, что сквозь их группу уже нельзя было провести трассу проводника. Решение этой проблемы заключается в использовании метода стековых микроотверстий, который использует только одно лазерное микроотверстие на слой.

Таблица 1. Перспективы изменения проектных норм
Рис. 3. Производственные перспективы

На рис. 4 показана альтернатива, разработанная AT&S, для создания стековых микропереходов с использованием стандартных рентабельных производственных линий. Таким образом, по одной оси можно соединить три слоя проводников.

Стековые микропереходы необходимы из-за высокой плотности топологии. Еще одно решение можно увидеть на рис. 5, где микроотверстия заполнены гальванической медью.

Раньше такие отверстия заполнялись металлом путем электролитического осаждения при постоянном токе. Чтобы однородно заполнить отверстия, необходимы очень низкая плотность тока и специальная органическая добавка. С помощью импульсного реверсивного гальванического процесса металлизации заполнение может быть выполнено гораздо более эффективно. Строение меди имеет мелкокристаллическую структуру, что необходимо для гарантии надежных межсоединений.

Используя технологию последовательного построения HDI-слоев, заполненный медью микропереход по оси Ζ может реализовать межслойное соединение везде, где вам хочется. Примером этого служит технология ALIVH («любой слой внутри через отверстие»).

На рис. 6 показано соединение между несколькими слоями и возможность соединения всех слоев. Преимущество этой последовательной многослойной технологии в том, что могут быть реализованы даже более сложные конструкции.

ALIVH — это параллельная технология, где несколько слоев с проводниками прессуют за один раз. Именно поэтому изменения размеров слоев не могут быть компенсированы полностью.

При использовании этого вида технологии межсоединений может быть достигнута чрезвычайно высокая плотность проводников, что обусловливает ее использование в керамических чипах. Технология процесса керамического носителя идеально подходит для того, чтобы реализовать требуемую связь по оси Ζ. Так же, как и ALIVH, эта технология является параллельной.

Рис. 4. Технология MHLT

Разработка новых материалов

Развитие технологии межсоединений влияет на требования к свойствам материалов. Стабильность в размере печатных плат очень важна как для монтажа печатных плат, так и для их производства. Первым шагом для достижения этой цели было требование увеличить температуру стеклования. И она была увеличена со 130 до 150 °С. В частности, это требование было обусловлено намерением защитить печатные платы от изгиба и кручения во время пайки волной. Увеличение температуры стеклования имело только незначительное влияние на решение проблем совмещения, вызванных неустойчивостью размеров. Больший успех был достигнут, когда стала использоваться специальная стеклоткань с симметричным плетением. Это оказало явно положительное влияние на стабильность размеров и на отсутствие деформаций и коробления в процессе пайки.

Новые материалы появились, когда технология HDI начала развиваться. Для этих материалов были важны свойства для осуществления лазерного сверления и определения точной геометрии получаемых микроотверстий. Имеются в виду RCC-материалы. В настоящее время применяется большое разнообразие лазерных диэлектриков.

Наша диаграмма используемых материалов (табл. 2) показывает, какие материалы обрабатываются сегодня и какие материалы необходимы в будущем. Наблюдаются две тенденции: с одной стороны, начинают использоваться материалы, не содержащие галогены, с другой — находят применение материалы с низким коэффициентом термического расширения.

Рис. 5. Стековые микропереходы

Материалы, не содержащие галогены

Развитие материалов, не содержащих галогены, в основном было продиктовано юридическими ограничениями, связанными с охраной окружающей среды. Были разработаны системы смол, которые используют новый механизм для достижения негорючести. Системы смол, не содержащие галогены и использующиеся в настоящее время, включают соединение фосфора, которое снижает возможность воспламенения. Кроме того, к связующему добавлены неорганические наполнители, чтобы уменьшить общее содержание эпоксидной смолы и достигнуть требуемого класса огнестойкости V0. Материалы, не содержащие галогены, имеют и другое преимущество, которое является важным при использовании припоя: в него не входит свинец, расплавляющийся при более высоких температурах. Они гораздо более стойки к перепаду температур. Это можно наблюдать в так называемое время тестирования на расслоение, когда материал обрабатывают при высокой температуре в печи. В некоторых случаях время расслаивания материала при 260 °С в 10 раз больше, чем у FR-4.

Когда изделия стали производить из материалов, не содержащих галогены, было отмечено, что диэлектрическая постоянная у них выше, чем у FR-4. Типичные значения лежат между 0,1 и 0,3. В связи с этим появились новые возможности в изменении многослойной конструкции или перетрассировке печатной платы. Обработка материалов, не содержащих галогены, требует больших усилий, особенно при прессовании (требуется более высокая температура) и сверлении (больший износ сверла). Стоимость материалов все же не дошла до уровня цен материалов FR-4. Из-за цены исходных материалов и дорогостоящего процесса обработки печатные платы, не содержащие галогены, все еще относительно дороги.

Материалы с низким коэффициентом термического расширения (КТР)

При реализации концепций межсоединений для перспективных компоновочных решений можно утверждать, что соответствие КТР между печатными платами и компонентом играет важную роль для создания надежных связей. На уменьшение коэффициента теплового расширения печатной платы главным образом влияет армирование ламина-та. Для стеклянной ткани увеличение значений КТР от 14 до 18 ррт /°С может быть достигнуто в зависимости от класса ткани и содержания смолы в материале. В специальных стеклянных переплетениях можно достигнуть значений 12х106 /°С. Эти переплетения названы однонаправленной тканью, где применяются, по крайней мере, три ортогональных слоя, чтобы достигнуть симметричной конструкции несущей основы и минимизировать изгиб и скручивание.

Рис. 6. Поперечное сечение с применением технологии ALIVH

Эти ламинаты имеют минимальную толщину 0,3 мм.

Дальнейшим способом уменьшения КТР печатной платы является использование армирования с очень низким и даже отрицательным коэффициентом. С оптимизацией стеклянных компонентов стало возможным производить стекла, которые достигают КТР в ламинате между 10 и 12· 10-6 /°С. Арамидные волокна, используемые для усиления ламината, достигают действительно низких значений КТР — 8-10-6 /°С. Однако уменьшение КТР в горизонтальной плоскости приводит к другой проблеме. Материал фиксирован по плоскости Х-У, но, как результат, получает излишнюю подвижность по оси Ζ, которая проявляется в увеличении КТР в Ζ-направлении; в свою очередь, это приводит к более высоким напряжениям в медном покрытии межслойных переходов под воздействием термоциклов.

Гораздо более эффективный способ уменьшить КТР во всех трех измерениях — использование неорганических наполнителей, которые имеют изначально очень низкий КТР. Оба типа ламината, бромирован-ный и не содержащий галогены, доступны для наполнения. Содержание наполнителя колеблется между 30 и 80%. Различается материал с низким КТР печатной платы, имеющий значение в Ζ-осях ниже, чем 30· 10-6 °С, и материалы со средним КТР со значением расширения между 30· 106 °С и 50-106 °С. На рис. 7 показана вероятность повреждения компонента Flip-Chip (FC), установленного на стандартный FR-4, а также на материал с низким КТР с неорганическими добавками и без них.

Влияние более низкого КТР печатной платы становится очевидным, потому что вероятность повреждения компонента у нормального FR-4 значительно выше, чем у материалов с низким КТР. Результаты для FR-4 с неорганическим наполнением сопоставимы с результатами для материала с исходно низким КТР, но без добавок. Низкий КТР в Ζ-осях ведет к увеличению количества термоциклов, которые выдерживают переходные отверстия. Увеличение количества «безболезненно» переносимых изделием термоциклов — требование автомобильной промышленности, так как, с одной стороны, электронные устройства устанавливаются непосредственно на блок двигателя, и, с другой стороны, продолжительность эксплуатации машин будет увеличена со 140 000 км до 220 000 км. Для соответствия этим требованиям будут использоваться материалы со средним, а иногда и с низким КТР. Использование низкого КТР необходимо, когда ширина линий и зазоры между ними должны быть уменьшены. При производстве таких структур гальванические покрытия следует уменьшить в толщине. В то же время придется уменьшить и толщину меди внутри переходных отверстий, таким образом, надежность может быть гарантирована только при использовании материалов с низким КТР.

Таблица 2. Диаграмма используемых материалов
Рис. 7. Накопление разрушений компонента Flip-Chip [3]

Заключение

В дальнейшем взаимодействие технологии компоновки и технологии межсоединений будет даже играть более важную роль при создании рентабельных решений. В настоящее время гибкие печатные платы отвоевывают у жестких печатных плат все больше «места под солнцем». Из-за этого воздействия твердая и гибкая технологии будут разрабатываться вместе, и в будущем можно ожидать новых решений.                                     

Литература:

  1.   IZM (Fraunhofer Institute for reliability and microintegration) Packaging Roadmap.
  2.   Netpack Education Tool.
  3.   NOKIA: Reliability Aspects of Mobile Communication Products; FUTURE EMS INTERNATIONAL, Issue 3.

Другие статьи по этой теме


 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

Оцените, пожалуйста, удобство и практичность (usability) сайта:
Хорошо
Нормально
Плохо

Никатэн
Настенные обогреватели Никатэн. Экономят электричество! Супер цена! Купить
супер-тепло.рф
Гнб
Выполним ГНБ бурение в кротчайшие сроки
гнб-горизонт.рф
Шиномонтаж цена
Потратьте день на себя! Шиномонтаж в любое удобное время. Без очередей
shinomontash.com