Технологии в электронной промышленности №8'2015

Гибкие и эластичные электронные системы для космических приложений

Босуи Фредерик (Frederick Bossuyt)

Вонфлитерен Ян (Jan Vanfleteren)

Де Баетс Йохан (Johan De Baets)

Куве Мартен (Maarten Cauwe)


Перевод: Фомичев Владимир


Гибкие и растягиваемые электронные устройства обладают меньшим весом и объемом, лучшими электрическими характеристиками, обеспечивают большую свободу проектирования и высокую надежность. Все эти преимущества востребованы в космических приложениях. В статье рассматриваются ультратонкая сборка (корпусирование) кристаллов (Ultra-Thin Chip Package, UTCP) и эластичные прессованные межсоединения (Stretchable Moulded Interconnect, SMI). Обсуждаются возможные преимущества использования данных методик при производстве изделий космической электроники.

Введение

Спрос на гибкие и эластичные электронные схемы наблюдается в сегменте потребительской электроники, и в первую очередь в портативных и мобильных устройствах благодаря очень малому форм-фактору, повышенной функциональной плотности и тем удобствам, которые технологии UTCP и SMI сулят пользователям. Небольшие объем и вес, улучшенные электрические параметры, большая свобода проектирования и повышенная прочность межсоединений — именно те преимущества, которые востребованы в космической электронике.

Традиционно электронные устройства и датчиковые цепи изготавливаются на плоских твердых подложках из стеклотекстолита. При этом корпусированные интегральные схемы (ИС) и пассивные компоненты устанавливаются на жесткую плату с помощью пайки. Во многих приложениях, особенно в случае мобильных и портативных устройств, носимой и имплантируемой электроники, схему необходимо органично интегрировать в объект, например в одежду или тело. При этом электронное устройство не должно вызывать чувство дискомфорта и должно быть незаметным для пользователя. Как правило, стандартные электронные схемы не отвечают этим требованиям. Комфорт пользователя можно повысить двумя способами. Во-первых, наличие электронного устройства скрадывается очень малыми размерами. Во-вторых, вместо плоской жесткой платы можно использовать объемную конструкцию, форма которой сообразуется с произвольной формой объекта или части тела, в которую интегрировано такое электронное устройство.

Исходя из этих соображений в центре CMST при IMEC были разработаны две упомянутые технологии [23]. В соответствии с методом UTCP кристаллы толщиной 20–30 мкм интегрируются в полиимидные слои. Нанесение тонкой металлизированной пленки на разветвляющиеся контакты позволяет создать очень миниатюрный, легкий и гибкий корпус толщиной менее 100 мкм. Технология SMI основывается на стандартном методе производства гибко-жестких печатных плат. Эластичные межсоединения изготавливаются из меди в форме меандров с основой из гибкого материала (например, полиимида). Для заливки проводников и компонентов используются гибкие материалы, главным образом полиметилсилоксановый каучук (ПМС), полиуретан или другой пластик, которые служат несущей основой электронной схемы.

И хотя эти технологии изначально не были предназначены для использования в условиях космоса, их уникальные особенности позволяют надеяться на успешное освоение и этой области применения. Миниатюризация, которую обеспечивает метод UTCP, и простота интеграции в объемные конструкции благодаря гибкости электронных схем позволяют значительно сократить размеры и вес систем, что является важным преимуществом для их применения в космической технике. Важно и то, что прочность межсоединений, которую обеспечивают эти новые технологии, в дальнейшем можно повысить. Благодаря заливке в эластичные материалы, растягиваемые электронные устройства в меньшей мере чувствительны к вибрациям. Ультратонкие устройства можно встраивать в гибкие или жесткие печатные платы методами ламинирования, сверления сквозных отверстий и их металлизации.

Производство по технологии UTCP и заливка печатных плат не требуют пайки, что позволяет избежать соответствующих проблем с надежностью эксплуатации в жестких условиях.

Кристаллы в гибкой сборке

Одним из основных стимулов, побуждающих искать новые способы сборки кристаллов, является потребность увеличить число функций одного кристалла, не изменив общего размера корпуса. Конечная цель исследований такого рода заключается в создании «системы-в-корпусе» (System-in-Package, SiP), которая объединила бы активные и пассивные компоненты и стала независимой системой (подсистемой) с заданным функционалом. Одной из трудностей на этом пути является необходимость сочетать бóльшую функциональную плотность с повышенной универсальностью и меньшей толщиной системы в целом.

Для минимизации форм-фактора системы используется тонкий бескорпусной кристалл. Для повышения функциональной плотности применяется несколько методов создания «системы-в-корпусе». В качестве примеров технологий, обеспечивающих более высокую функциональность при меньших габаритах, можно привести корпусирование на уровне пластины с отводом наружу (Fan-Out Wafer-Level Packaging, FOWLP), когда размеры корпуса сведены к самому минимуму, и непосредственную интеграцию кристалла в систему (далее будет подробно рассмотрено применение второй из этих технологий).

Однако общая толщина указанных корпусов составляет несколько сотен микрометров, что существенно ограничивает гибкость подложки, на которую они установлены. Технология ультратонкого корпусирования кристаллов совмещает высокую степень миниатюризации с гибкой сборкой. Использование тонкопленочной технологии позволяет интегрировать микросхемы высокой сложности и контактные площадки с очень малым шагом между ними.

Интеграция кристаллов

Технология Embedded Component Packaging от компании AT&S позволяет непосредственно интегрировать компоненты в основные слои печатной платы [1]. Данный метод можно применять для встраивания и активных, и пассивных компонентов.

Основной характеристикой этой технологии является использование пустот в слоях препрега, соответствующих требуемому местоположению компонентов, и межслойных соединений с контактными площадками встраиваемого компонента. Покрытые медью микроотверстия, обеспечивающие внутренние соединения, исключают необходимость в использовании припоя или проводящих адгезивов, что позволяет избежать возникновения соответствующих режимов отказа. Толщина компонентов (100–150 мкм — для кристаллов, 150–300 мкм — для пассивных компонентов) и медная металлизация их контактных площадок должны соответствовать требованиям к выполнению технологических операций по ламинированию и металлизации. Поскольку в настоящее время на рынке представлены пассивные компоненты разных типов и модификаций, у производителей имеется возможность непрерывно совершенствовать выпускаемую продукцию по параметрам, допускам, рабочей температуре и номинальной мощности. Процесс изготовления бескорпусных кристаллов осуществляется сложнее, особенно если речь идет о небольших объемах производства. В то же время спрос на эти кристаллы растет.

Стандартная последовательность технологических операций по изготовлению печатных плат начинается с двухсторонней подложки, которая в дальнейшем структурируется, превращаясь в многослойную конструкцию. В случае использования встраиваемых компонентов так называемое «интегрируемое ядро» формируется на первом этапе техпроцесса. Основными этапами интеграции компонентов являются печать с использованием адгезива, сборка компонентов, ламинирование, сверление сквозных и металлизированных отверстий. Соответствие интегрируемых пассивных компонентов требованиям космических приложений в настоящее время исследуется в проекте PCESA (ESA/TRP), реализацией которого занимаются научный центр IMEC, компании AT&S и QinetiQ Space.

Ультратонкие корпуса

Чтобы обеспечить малый форм-фактор и гибкость, суммарная толщина корпуса кристалла должна быть меньше на порядок, то есть менее 100 мкм. Этим требованиям удовлетворяет технология UTCP, которая позволяет создать очень тонкий кристалл, встраиваемый в полиимидную структуру. Для реализации его контактов используются микроотверстия и разветвленная схема межсоединений (рис. 1).

Общий вид компактного устройства с очень тонким кристаллом

Рис. 1. Общий вид компактного устройства с очень тонким кристаллом

На рис. 2 представлена последовательность операций в соответствии с технологией UTCP. Процесс начинается с того, что поверх разделительного слоя стеклянной подложки наносится полиимидный слой. Далее в заданное положение устанавливается кристалл толщиной до 20 мкм. На его поверхность наносится фоточувствительная полиимидная пленка. Для формирования микрорельефа в области над кристаллом часть полиимида удаляется. Эта пленка выступает в качестве выравнивающего слоя для третьего полиимидного слоя со схемой межсоединений. Металлическое покрытие заданной толщины создается напылением в вакууме медного зародышевого слоя с помощью электролитического метода. Наконец, на металлизированном слое формируется рисунок. Таким образом, на стеклянной подложке образуется гибкий промежуточный слой (интерпозер) суммарной толщиной около 70 мкм. Разветвление металлических соединений позволяет перейти от мелкого шага (около 65 мкм) между выводами ИС к более крупному шагу, соответствующему потребностям конкретного приложения, в которое интегрируется этот кристалл. Более того, имеется возможность создать соединения между несколькими контактными площадками ИС, чтобы уменьшить число соединений с внешней подложкой.

Последовательность технологических операций по изготовлению очень тонкого корпуса кристалла

Рис. 2. Последовательность технологических операций по изготовлению очень тонкого корпуса кристалла

С залитым в полиимид кристаллом можно обращаться как с корпусом: например, установить на контакты шариковые выводы из припоя, а собранный кристалл припаять к подложке со слоем межсоединений. Или же интегрировать ультратонкий корпус в жесткие либо гибкие слои печатной платы. Кристалл можно протестировать до интеграции, что имеет явное преимущество по сравнению с непосредственным встраиванием бескорпусных кристаллов.

На рис. 3 в схематическом виде представлена последовательность технологических операций по интеграции ультратонких кристаллов, в данном случае — между двумя полиимидными слоями с медной фольгой. Кристалл выравнивается относительно медного микрорельефа, устанавливается на одном из внутренних слоев и герметизируется акриловой смолой, которая традиционно применяется для создания многослойных гибких печатных плат. После ламинирования в слоях просверливаются отверстия. Эти отверстия металлизируются, в результате чего возникают соединения между кристаллом и платой, что исключает необходимость во внутренних соединениях с помощью микроотверстий. Необходимо обеспечить сцепление кристаллов на полиимидной основе с гибкими и жесткими материалами, а также совместимость с процессом металлизации сквозных отверстий.

Схематическое изображение последовательности технологических операций

Рис. 3. Схематическое изображение последовательности технологических операций по интеграции ультратонких корпусов кристаллов

На рис. 4а показано поперечное сечение трехслойной гибкой печатной платы с интегрированным в нее ультратонким кристаллом радиотрансивера ZL70102 от Microsemi. В правой части рисунка видны слои 1 и 3 с металлизированными сквозными отверстиями для соединения с кристаллом. Общая толщина этой платы составляет около 250 мкм. Интегрированный в плату кристалл в корпусе не только позволяет избежать использования корпусов достаточно большого размера, но и освобождает место на плате для установки активных или пассивных компонентов.

а) Поперечное сечение платы с интегрированным в нее ультратонким кристаллом радиотрансивера ZL70102 от Microsemi

Рис. 4. а) Поперечное сечение платы с интегрированным в нее ультратонким кристаллом радиотрансивера ZL70102 от Microsemi; б) сравнение стандартного модульного решения с модулем, в печатную плату которого встроен ультратонкий кристалл

Метод объемной сборки позволяет существенно сократить размер платы и ее толщину. На рис. 4б сравнивается модуль со встроенным кристаллом радиотрансивера и модуль, созданный на основе кристалла в корпусе CSP. Суммарный объем нового модуля сокращен примерно на 60% по сравнению с традиционным решением. Дальнейшая миниатюризация осуществляется путем интеграции нескольких ультратонких ИС в один корпус. При этом кристаллы устанавливаются друг на друга с помощью технологии ламинирования. Между слоями сверлятся отверстия и создаются металлизированные соединения. Такая многоуровневая конструкция из тонких кристаллов уже не обладает гибкостью, но обеспечивает высокую степень миниатюризации: в корпус толщиной около 300 мкм можно установить четыре соединенных между собой кристалла [4].

Растяжимые электронные схемы

Концепцию растяжимых электронных схем иллюстрирует рис. 5. Рассматриваемая схема состоит из ряда твердых (или, в некоторых случаях, умеренно гибких) изолированных участков, на каждом из которых установлен один или небольшое количество компонентов. Отдельные компоненты или участки с компонентами соединены между собой, но не прямыми отрезками медных проводников, как на стандартных печатных платах, а медными проводниками в виде меандров.

Концепция растягиваемых электронных схем

Рис. 5. Концепция растягиваемых электронных схем

Подковообразные проводники, интегрированные в эластичную подложку, могут растягиваться под воздействием механических сил и возвращаться в исходное состояние, не теряя при этом своей функции. По механическим свойствам проводники подковообразной формы в сочетании с эластичной подложкой напоминают двумерную пружину. Для создания таких соединений методом SMI, разработанным научным центром IMEC и Гентским университетом, требуется лишь немного изменить стандартный процесс изготовления печатных плат.

Первые этапы технологического процесса SMI схематично показаны на рис. 6. Твердая подложка покрывается на некоторое время адгезивом, а затем ламинируется медной фольгой или гибким ламинатом со слоями полиимида и меди. Добавочный полиимидный слой является поддерживающей основой для медных проводников подковообразной формы и участков с компонентами. Было установлено, что полиимидная основа проводников повышает механическую прочность межсоединений и срок службы электронных схем.

Первая часть технологического процесса изготовления эластичных электронных схем

Рис. 6. Первая часть технологического процесса изготовления эластичных электронных схем

Далее образцы проходят ряд стандартных операций по изготовлению печатных плат и их сборке. Медные проводники подковообразной формы, наряду со стандартными схемными межсоединениями на изолированных участках с компонентами, создаются с помощью фотолитографического процесса и жидкостного травления. Полиимидная основа структурируется с помощью лазерной резки. При необходимости локально наносится паяльная маска методом трафаретной печати, наносится финишное покрытие на контактные площадки, и устанавливаются компоненты с помощью стандартного процесса пайки оплавлением. На данном этапе схему при необходимости можно протестировать и отремонтировать. На рис. 7 приведен пример эластичной электронной системы с установленными компонентами, реализованной по технологии SMI.

 Образец растяжимой системы мониторинга дыхания перед герметизацией

Рис. 7. Образец растяжимой системы мониторинга дыхания перед герметизацией

Во второй части процесса, осуществляемого в соответствии с технологией SMI, наносится опорный материал, придающий эластичность межсоединениям (рис. 8). На первом этапе верхняя часть электронной схемы покрывается слоем полидиметилсилоксана (ПДМС) методом инжекционного прессования жидкостью под давлением. Альтернативой этому методу служит ламинирование и напыление покрытия. Помимо ПДМС, можно использовать полиуретан или любой полимер, жидкий прекурсор или термопластик. На втором этапе из сборки удаляется временный несущий элемент. После очистки вся электронная схема полностью заключается в эластичный материал после прессования ее нижней части.

Вторая часть последовательности технологических операций SMI

Рис. 8. Вторая часть последовательности технологических операций SMI

Основным фактором, определяющим успешное использование эластичных межсоединений, является конструкция медных соединений. Чтобы минимизировать внешние воздействия и накопление деформаций в этих соединениях, были смоделированы проводники разной формы. В результате были выбраны подковообразные межсоединения из круговых сегментов (рис. 9). Такая форма обеспечивает хороший компромисс между распределением нагрузки, с одной стороны, и простотой конструкции и схемы — с другой. Для минимизации ударов и изгибов ширина дорожки (W) должна быть как можно меньше. Минимальная ширина определяется главным образом технологическими ограничениями. При достаточно продолжительном циклическом режиме эксплуатации металл проводников, подвергающихся постоянной деформации, может разрушиться от усталости. Следовательно, чтобы повысить отказоустойчивость эластичных межсоединений, необходимо минимизировать пластические деформации.

Подковообразная форма соединений и соответствующие параметры

Рис. 9. Подковообразная форма соединений и соответствующие параметры

Отношение R/W определяет максимальную величину остаточного удлинения сегмента при заданном уровне деформации. Как правило, для деформаций менее 20% максимальная величина остаточного удлинения уменьшается с ростом R/W. Однако чем больше отношение R/W, тем меньше плотность размещения сегментов на единицу ширины. Значение R/W = 10 является хорошим компромиссом между небольшой величиной остаточного удлинения сегментов и их количеством на единицу ширины той площади, которую занимают эластичные соединения.

Дальнейшее повышение механической прочности сегментов обеспечивается благодаря гибкой основе, например из полиимидной пленки. Числовое моделирование показало, что ее ширина является основным параметром, определяющим максимальную величину остаточного удлинения медных сегментов подковообразной формы [5].

Целью исследования надежности эластичных межсоединений стала оптимизация их характеристик под воздействием механического напряжения, например периодической или случайной деформации схемы. К настоящему времени не появилось стандартных методов испытаний эластичных схем. Для количественного определения и оценки механической прочности эластичных электронных схем выполняются испытания на одноосное растяжение образцов, состоящих из ряда параллельно расположенных сегментов. Главным испытанием является циклическое растяжение до разрыва проводников.

Результаты этих циклических испытаний на растяжение подробно описаны в [6]. Основной вывод состоит в том, что благодаря гибкой полиимидной основе, поддерживающей медные сегменты, значительно повышается срок службы межсоединений. В качестве примера можно привести эластичные проводники на двусторонней полиимидной основе, которые выдерживают более 90 тыс. циклов растяжения при удлинении на 5%. Даже при удлинении до 20% эластичные межсоединения на полиимидной основе выдерживают свыше 400 циклов испытания.

Правильно рассчитанная конструкция, плавные переходы между изолированными участками с компонентами и эластичными соединениями — составляющие успешного производства растяжимых электронных схем. Не существует количественного правила проектирования для решения проблемы прочности конструкции. Качественное же правило заключается в том, что переход между твердым изолированным участком и эластичными частями электронной схемы должен быть как можно более однородным.

Для анализа образцов обоих типов, прошедших испытания на прочность, использовался метод оптической микроскопии. Был обнаружен разрыв медного проводника в том месте, где он подвергся наибольшей пластической деформации (рис. 10) [7]. В другом сегменте появилась микротрещина, которую не удалось установить методом измерения сопротивлений из-за очень малого роста сопротивления сегмента. На медных дорожках без поддерживающей основы трещина увеличилась всего за один или несколько циклов, что привело к внезапному разрушению проводников. Трещины на проводниках с полиимидной основой распространялись с меньшей скоростью, что соответствовало медленному росту сопротивления проводящих дорожек.

 На верхних фотографиях хорошо виден разрыв медного проводника

Рис. 10. На верхних фотографиях хорошо виден разрыв медного проводника, а на нижних — микротрещина на сегменте с полиимидной основой

Актуальность для космических приложений

Спрос на тонкие гибкие сборки и эластичные межсоединения обусловлен потребностью в большей функциональной плотности при меньшем форм-факторе или тех размерах, которые диктуются конкретным приложением. Требования к прочности изделий для тех приложений, которые эксплуатируются в типовых условиях, часто не имеют решающего значения. Новые технологии, позволяющие увеличить функциональную плотность, уменьшить форм-фактор и адаптировать изделия к поверхности любой формы, становятся привлекательными для космических приложений. Однако в этой области применения высокая прочность электронных устройств является наивысшим приоритетом.

С этой точки зрения необходимо понять, насколько высокую прочность обеспечивают рассмотренные новые технологии. Механизмы отказа паяных межсоединений хорошо описаны в [89]. И хотя до сих пор не существует соответствующих нормативов, проблемы бессвинцовой пайки все чаще становятся актуальными для систем, предназначенных для эксплуатации в космосе [1011]. Исходя из опыта применения бессвинцовых припоев для производства потребительской электроники, можно утверждать, что доля соответствующих отказов будет только расти. Интеграция компонентов в целом и ультратонких в частности является многообещающей альтернативой при использовании медных микроотверстий или металлизированных сквозных отверстий в качестве межсоединений. Преимущество этих межсоединений благодаря меньшим размерам и используемым материалам заключается в лучших термомеханических характеристиках по сравнению с хрупкими паяными соединениями. Кроме того, интеграция компонентов в печатные платы повышает механическую прочность при изгибах или ударах.

По своей природе растягиваемые межсоединения обладают большим потенциалом механической прочности. Разделение крупной системы на небольшие модули, соединенные с помощью эластичных проводников и поглощающие механические вибрации или удары, позволяет защитить чувствительные к воздействиям компоненты, не прибегая к использованию противовибрационных рам.

Авторы статьи хорошо понимают свой несколько упрощенный взгляд на предложенные решения и то, что при эксплуатации устройств, созданных на базе рассмотренных технологий, наверняка возникнут непредусмотренные отказы. Но, как говорится в таких случаях, дорогу осилит идущий.

Выводы

В статье рассмотрены две перспективные технологии. Первая из них (UTCP) обеспечивает эластичную сборку кристаллов очень малой толщины, а вторая (SMI) — создание растяжимых межсоединений. Технология UTCP применяется для изготовления сборок общей толщиной менее 100 мкм. Вертикальный монтаж кристаллов позволяет уменьшить занимаемый объем системы более чем на 60%.

Эластичные межсоединения, герметизированные проводники в виде меандров, позволяют увеличить количество циклов растяжений на десятки тысяч при удлинении межсоединений на 5%. Было показано, что механическая прочность повышается в значительной мере благодаря материалу, служащему основой для проводников, и плавному механическому переходу между жесткими платами с паяными стандартными компонентами и гибкими соединениями с адаптируемой формой поверхности.

По сравнению со стандартными технологиями сборки и создания межсоединений для космической техники рассматриваемые в этой статье методы все еще находятся на начальном этапе своего развития. Возможности, которые сулит использование систем с меньшими форм-факторами и большей функциональной плотностью, очевидны, а повышенная прочность изделий, эксплуатирующихся в жестких условиях, стимулирует дальнейшие исследования возможностей применения этих технологий в космических приложениях.

Литература

  1. Ostmann A., Manessis D., Stahr J., Beesley M., Cauwe M., De Baets J. Industrial and technical aspects of chip embedding technology // In Proc. 2nd Electronics System-Integration Technology Conference. Greenwich, London. 2008.
  2. Wang L., Sterken T., Cauwe M., Cuypers D., Vanfleteren J. Fabrication and characterization of flexible ultrathin chip package using photosensitive polyimide // IEEE Trans. Comp., Packag., Manufact. Technol. 2012. № 2 (7).
  3. Sterken T., Vermeiren F., Tremlett P., Christiaens W., Vanfleteren J. Embedding Thinned Chips in Flexible PCBs // In Proc. 4th Electronics System-Integration Technologies Conference. Amsterdam, The Netherlands. 2012.
  4. Priyabadini S., Sterken T., Cauwe M., Van Hoorebeke L., Vanfleteren J. High-Yield Fabrication Process for 3D-Stacked Ultrathin Chip Packages Using Photo-Definable Polyimide and Symmetry in Packages // IEEE Trans. Comp., Packag., Manufact. Technol. 2014. № 4 (1).
  5. Yung-Yu H., Gonzalez M., Bossuyt F., Vanfleteren J., De Wolf I. Polyimide-Enhanced Stretchable Interconnects: Design, Fabrication, and Characterization // IEEE Trans. Electron Devices. 2011. № 58 (8).
  6. Bossuyt F., Vervust T., Vanfleteren J. Stretchable Electronics Technology for Large Area Applications: Fabrication and Mechanical Characterization // IEEE Trans. Comp., Packag., Manufact. Technol. 2013. № 3 (2).
  7. Gonzalez M., Axisa F., Vanden B. M., Brosteaux D., Vandevelde B., Vanfleteren J. Design of metal interconnects for stretchable electronic circuits // Microelectron. Rel. 2008. № 48 (6).
  8. Juul P. Solder Joint Reliability // 1st Electronic Materials and Assembly Processes for Space (EMPS) Workshop. Portsmouth, UK. 2010.
  9. Tegehall P-E. IMC Layers Formed with Various Combinations of Solders and Surface Finishes and Their Effect on Solder Joint Reliability // 4th Electronic Materials and Assembly Processes for Space (EMPS) Workshop. Aalborg, Denmark. 2013.
  10. Hokka J., Mattila T. T., Xu H., Paulasto-Kröckel M. Thermal Cycling Reliability of Sn-Ag-Cu Solder Interconnections. Part 1: Effects of Test Parameters // Journal of Electronic Materials. 2013. № 42 (6).
  11. Hokka J., Mattila T. T., Xu H., Paulasto-Kröckel M. Thermal Cycling Reliability of Sn-Ag-Cu Solder Interconnections. Part 2: Failure Mechanisms. 2013. № 42 (6).

Другие статьи по этой теме


 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

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