Технологии в электронной промышленности №2'2011

Восемь тенденций, которые изменят электронику

Антон Нисан

В статье рассмотрено развитие традиционных технологий корпусирования и приведены прогнозы относительно дальнейшего уменьшения шага выводов компонентов в корпусах различных типов. Обозначены тенденции в области систем в корпусе и систем на кристалле, показаны перспективы развития технологии WLP и 3D-интеграции, а также органической и печатной электроники. Продемонстрированы преимущества, которые обеспечивает применение МЭМС, 3D-MID и встраивание пассивных и активных компонентов в печатные платы.

Развитие традиционных технологий корпусирования

На современном этапе развития корпусирования можно выделить следующие основные тенденции:

  • увеличение количества выводов;
  • уменьшение минимального шага выводов компонентов в корпусах различных типов (рис. 1, 2);
  • переход от расположения выводов по периметру к расположению выводов под корпусом;
  • интеграция нескольких компонентов в один корпус.

График, показывающий уменьшение минимального шага выводов компонентов с выводами типа «крыло чайки» и с шариковыми выводами на примере компонентов для малогабаритных портативных устройств

Рис. 1. График, показывающий уменьшение минимального шага выводов компонентов с выводами типа «крыло чайки» и с шариковыми выводами на примере компонентов для малогабаритных портативных устройств

График, показывающий уменьшение минимального шага выводов компонентов с контактными поверхностями на примере компонентов для малогабаритных портативных устройств

Рис. 2. График, показывающий уменьшение минимального шага выводов компонентов с контактными поверхностями на примере компонентов для малогабаритных портативных устройств

Уменьшение шага выводов компонентов PBGA и QFP фактически достигло своих пределов: 0,65 и 0,3 мм соответственно. Минимальный шаг выводов компонентов FBGA продолжит снижаться, через шесть лет сократится вдвое и достигнет значения 0,15 мм.

Системы в корпусе

Система в корпусе (System in Package, SiP) — это комбинация нескольких активных электронных компонентов различной функциональности, собранная в единый модуль, которая обеспечивает реализацию разных функций, обычно выполняемых системой или подсистемой. Система в корпусе может иметь в своем составе пассивные компоненты, МЭМС, оптические компоненты и другие корпуса и устройства. Объединение этих компонентов в одном корпусе имеет существенные преимущества: конструкция становится меньше, легче, надежней и дешевле. Пример классификации систем в корпусе показан на рис. 3, а схематичные изображения вариантов конструктивного исполнения — на рис. 4-6.

Классификация систем в корпусе

Рис. 3. Классификация систем в корпусе

Схематичные изображения вариантов конструктивного исполнения систем в корпусе

Рис. 4. Схематичные изображения вариантов конструктивного исполнения систем в корпусе

Пример разварки выводов в системе в корпусе

Рис. 5. Пример разварки выводов в системе в корпусе

Разрез 3Э-модели системы в корпусе (модель получена методом рентгеновской томографии на оборудовании компании Phoenix|x-ray)

Рис. 6. Разрез 3Э-модели системы в корпусе (модель получена методом рентгеновской томографии на оборудовании компании Phoenix|x-ray)

Сегодня число кристаллов в компонентах SiP для мобильных устройств доходит до 10 и, согласно прогнозам, через 10 лет удвоится. На рис. 7, 8 представлены графики увеличения максимального числа кристаллов в корпусе и максимального числа выводов для систем в корпусе, предназначенных для применения в мобильных устройствах, высокопроизводительной компьютерной технике и изделиях, эксплуатируемых в жестких условиях, согласно требованиям ITRS.

График роста максимального числа кристаллов в системах в корпусе

Рис. 7. График роста максимального числа кристаллов в системах в корпусе

График роста максимального числа выводов

Рис. 8. График роста максимального числа выводов

Системы на кристалле

Системы на кристалле (System on Chip, SoC) представляют собой системы, все элементы которых изготовлены в одном кристалле.

Пример видеосистемы, реализованной на кристалле, состоящей из светочувствительной матрицы, RISC-процессора, процессора для цифровой обработки сигналов, RAM и флэш-памяти, а также параллельного и последовательного интерфейсов, приведен на рис. 9.

Видеосистема на кристалле

Рис. 9. Видеосистема на кристалле

Сравнивая системы на кристалле с системами в корпусе, можно выделить преимущества и недостатки, перечисленные в таблице.

Таблица. Сравнение систем в корпусе и систем на кристалле


Система в корпусе Система на кристалле
Преимущества
  • Срок выхода на рынок — от 3 до 6 месяцев
  • Возможность встраивания активных и пассивных компонентов
  • Возможность замены отдельных компонентов
  • Повторное использование отдельных элементов
  • Выше миниатюризация
  • Выше плотность межсоединений
  • Выше надежность (за исключением кристаллов очень большого размера)
  • Выше выход годных при отработанной технологии
Недостатки
  • Более сложная сборка
  • Высокая плотность рассеиваемой мощности при расположении кристаллов друг над другом
  • Срок выхода на рынок — от 6 до 24 месяцев
  • Сложность внесения изменений
  • Возможности изделий ограничены выбранной технологией
  • Ограниченный выход годных для сложных больших кристаллов

 

Технология сборки на пластине (WLP)

Применение технологии WLP подразумевает, что все операции процесса корпусирования кристаллов проводятся до разделения пластины. Согласно первоначальному определению WLP требовалось, чтобы все выводы были расположены в пределах границы кристалла. В таком случае корпус компонента действительно имел размеры кристалла (в отличие от так называемых компонентов CSP), и такие компоненты получили обозначение WLCSP. Однако существенным ограничением технологии WLP в таком понимании было количество выводов, которые можно было бы расположить под кристаллом. Технология WLP может быть оптимальным выбором, когда требования дальнейшего уменьшения размеров компонентов, увеличения рабочей частоты и уменьшения стоимости не могут быть удовлетворены традиционными технологиями корпусирования: разваркой проволокой или монтажом кристалла по технологии flip-chip.

Недавно на рынке появились компоненты (рис. 10), не соответствующие «классическому» определению WLP. При их производстве полупроводниковая пластина разделяется на кристаллы до корпусирования, после чего кристаллы размещаются в полимерной матрице таким образом, чтобы каждый кристалл был по периметру окружен полимером. Затем полимерная матрица с установленными кристаллами подвергается операциям классической технологии WLP. Таким образом, ключевое преимущество компонентов WLP, изготавливаемых с применением полимерных матриц, заключается в размещении большего количества выводов на компоненте (рис. 11, 12).

Компоненты WLP, изготавливаемые с применением полимерных матриц (fan-out WLP)

Рис. 10. Компоненты WLP, изготавливаемые с применением полимерных матриц (fan-out WLP)

График роста максимального числа выводов компонентов WLP

Рис. 11. График роста максимального числа выводов компонентов WLP

График, демонстрирующий уменьшение минимального шага выводов компонентов WLP (на примере микросхем памяти)

Рис. 12. График, демонстрирующий уменьшение минимального шага выводов компонентов WLP (на примере микросхем памяти)

3D-интеграция

Под 3D-интеграцией понимается расположение кристаллов друг над другом с созданием вертикальных соединений между кристаллами. Потенциальные преимущества, обеспечиваемые 3D-интеграцией, включают в себя уменьшение размеров системы, сокращение длины межсоединений благодаря замене длинных горизонтальных связей на короткие вертикальные и снижение энергопотребления. Однако 3D-интеграции присущи и такие недостатки, как высокая сложность проектирования и высокая стоимость.

Существуют следующие технологии производства 3D-интегрированных структур:

  • Кристалл на кристалл: отдельные кристаллы совмещаются и соединяются друг с другом.
  • Кристалл на пластину: пластины с кристаллами одного уровня разделяются, и кристаллы совмещаются и соединяются с пластиной другого уровня, после чего происходит разделение этой пластины.
  • Пластина на пластину: пластины совмещаются и соединяются друг с другом, после чего разделяются.

На рис. 13 показаны некоторые области применения и тенденции 3D-интеграции.

Области применения 3Э-интеграции

Рис. 13. Области применения 3Э-интеграции

Печатные платы со встроенными компонентами

Встраивание активных и пассивных компонентов в печатные платы позволяет реализовать новые технологии межсоединения без использования разварки, что обеспечивает улучшенные тепловые и электрические характеристики, а также возможность размещения кристалла над кристаллом.

Для встраивания пассивных и активных компонентов в печатную плату можно использовать, например, два процесса, последовательность операций которых показана на рис. 14. При встраивании компонента контактными площадками вверх обеспечивается хороший теплоотвод от него, поэтому этот способ особенно подходит для мощных компонентов. Однако возможности данной технологии ограничены при встраивании компонентов различной высоты. Встраивание компонента контактными площадками вниз имеет следующие преимущества: высокая точность совмещения компонента с основанием и возможность встраивания нескольких компонентов различной высоты (порядка 100-350 мкм).

Последовательность операций при встраивании компонентов в печатную плату

Рис. 14. Последовательность операций при встраивании компонентов в печатную плату

Слои со встроенными компонентами можно использовать в качестве внутренних слоев многослойных печатных плат, на обе стороны которых могут быть установлены компоненты поверхностного монтажа (рис. 15).

Схематичное изображение печатной платы со встроенными компонентами и с двусторонним поверхностным монтажом

Рис. 15. Схематичное изображение печатной платы со встроенными компонентами и с двусторонним поверхностным монтажом

МЭМС

Микроэлектромеханические системы (МЭМС) — это технологии и устройства, объединяющие в себе микроэлектронные и микромеханические компоненты. Типичный размер микромеханических элементов, входящих в МЭМС, лежит в пределах от 1 до 100 мкм. В качестве примеров МЭМС можно привести датчики ускорений (в том числе используемые для активации автомобильных подушек безопасности), датчики давления воздуха в шинах автомобиля и кардиостимуляторы.

Основные преимущества МЭМС заключаются в низкой стоимости благодаря использованию технологий микроэлектроники для производства микромеханических элементов (рис. 16); в малых размерах и малой массе, что позволяет использовать их в портативных устройствах, таких как мобильные телефоны и ноутбуки; в существенно меньшем энергопотреблении.

Прогноз объема продаж МЭМС

Рис. 16. Прогноз объема продаж МЭМС

3D-MID

3D-MID представляют собой 3D-основания из литого высокотемпературного термопласта, на которых выполнены 3D-проводники (рис. 17, 18). Основные области применения 3D-MID — это автоэлектроника и устройства и системы телекоммуникаций. Кроме того, они используются в медицинской, компьютерной и бытовой технике.

Схематичное изображение 3D литого монтажного основания

Рис. 17. Схематичное изображение 3D литого монтажного основания

Датчик давления на 3D литом монтажном основании размером 4x4x1,5 мм

Рис. 18. Датчик давления на 3D литом монтажном основании размером 4x4x1,5 мм

3D-MID обеспечивают очень высокую гибкость проектирования за счет возможности интеграции электронных, механических и оптических элементов, широких возможностей относительно формы устройства, миниатюризации. Среди других преимуществ этой технологии стоит отметить меньшее число входящих в состав элементов, повышенную надежность, меньшую материалоемкость.

Органическая и печатная электроника

Органическая и печатная электроника основана на сочетании новых материалов и экономически эффективных, массовых процессов производства, открывающих новые области применения. Малая толщина, малый вес, экологическая безвредность — вот что означает органическая электроника. Радиометки (RFID), сворачиваемые дисплеи, гибкие солнечные батареи, системы освещения, одноразовые средства диагностирования, игры, печатные батареи — это только несколько перспективных областей применения органической электроники.

Технологии, применяемые в органической и печатной электронике, основаны на использовании органических проводящих и полупроводящих материалов, а также неорганических материалов, пригодных для нанесения методом печати. Ключевые примеры изделий органической электроники: органические фотогальванические элементы, печатные радиометки, органическая память, органические датчики, гибкие батареи и интеллектуальные устройства.

Впервые органические электронные устройства появились на рынке в 2005-2006 гг. Пассивные идентификационные карточки, массово печатаемые на бумаге и используемые в качестве билетов или в игрушках, были представлены в 2006 г. Гибкие литий-полимерные батареи, производимые по технологии ротационной печати, уже несколько лет известны на рынке, их можно использовать в смарт-картах и других мобильных потребительских устройствах.

За последние несколько лет в области печатных радиометок на основе органической электроники был достигнут большой прогресс. Так, были анонсированы 128-битные ретрансляторы и сверхвысокочастотные выпрямители на основе органических полупроводников. Печатные антенны уже широко применяются в традиционных устройствах радиочастотной идентификации на основе кремниевых кристаллов. Дальнейшее развитие печатных приемопередатчиков основано на применении кремниевых наночастиц на стальных подложках.

На рис. 19-21 приведены примеры устройств органической и печатной электроники. НИИ

Печатная радиометка (RFID)

Рис. 19. Печатная радиометка (RFID)

Гибкий органический фотоэлемент

Рис. 20. Гибкий органический фотоэлемент

Сворачиваемый дисплей для электронных книг и мобильных устройств

Рис. 21. Сворачиваемый дисплей для электронных книг и мобильных устройств

Литература

  1. International Technology Roadmap for Semiconductors. Assembly and packaging. 2009.
  2. Eloy J. Look for MEMS sector to double revenues, triple units shipped by 2015 // MEMS' Trends. 2010. № 3.
  3. Brizoux M., Grivon A., Maia Filho W. C., Monier-Vinard E., Stahr J., Morianz M. Industrial PCB Development Using Embedded Passive and Active Discrete Chips Focused on Process and DfR. 2010.
  4. Organic and Printed Electronics // OE-A Brochure. 3rd Edition. 2009.
  5. Leduc P. What is 3D IC integration and what metrology is needed? // Conference on Frontiers of Characterization and Metrology for Nano-electronics. 2007.
  6. Словарь нанотехнологических и связанных с нанотехнологиями терминов. М.: ФИЗ-МАТЛИТ. 2010.
  7. www.3d-mid.de
  8. www.harting-mitronics.ch
  9. www.neuricam.com
  10. www.holstcentre.com

Другие статьи по этой теме


 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

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