Перспективы развития техники печатных плат и микросборок. «Что было?— что будет»

Введение

Электронные модули на основе печатных плат и микросборки очень близки по конструктивной идеологии, и с развитием микроминиатюризации вообще становится трудно понять, где кончается ЭМ на базе МПП и начинается микросборка. За многолетнюю историю развития техники печатных плат и микросборок не единожды появлялись прогнозы о том, что вскоре вообще не нужно будет изготавливать МПП: все удастся развести в двух слоях, или что не нужны будут ПП как таковые: все удастся уместить в микросборку, а то и в кремниевую пластину.

Конечно, такие радикальные прогнозы не сбылись. МПП были, есть и, похоже, по крайней мере ближайшие 10 лет будут. Этот прогноз основан на материалах Дорожной карты по межсоединениям IPС, материалах Фраунгоферовского института и других солидных источников технической информации. Развитие технологий изготовления печатных плат показывает хорошую динамику. (Уточним термины: печатной платой автор называет многослойную коммуникационную структуру из склеенных (спрессованных) между собой слоев, изготовленных из фольгированных диэлектриков.)

Практически конструкторы печатных плат в ближайшее время сохранят следующую иерархию: объединительная плата (плата второго уровня), ячейка (плата первого уровня), микросборка (многокристальный модуль, система в корпусе).

Объединительная плата (ОП)

Основное ее назначение — коммутация функциональных ячеек между собой (рис. 1). Основным элементом, монтируемым на ОП, являются соединители. Необходимость объединения большого количества оборудования, постоянно повышающиеся требования к частоте и качеству передаваемых сигналов обуславливает большой формат и большое количество слоев (свыше 20), включая большое количество потенциальных слоев. Соединители становятся со все более мелкими шагами, со все большим количеством выводов, присоединенным к потенциальным слоям, для передачи высокочастотных сигналов без искажения.

Рис. 1. Пример блока сервера с использованием объединительной платы

Ячейки

Ячейки обеспечивают подавляющее большинство электронных межсоединений (рис. 2) и в связи с использованием перспективных компонентов (в частности, BGA c малыми шагами — 0,5 мм и менее) будут находиться под наибольшим давлением, связанным с применением инновационных конструктивно-технологических решений. К ним относятся формирование структур МПП с использованием ВЧ-материалов и материалов с минимальными размерными изменениями, послойное наращивание, сверление глухих отверстий, заполнение отверстий, интеграция в структуру МПП пассивных и активных (в более далекой перспективе) компонентов, повышение прецизионности рисунка (рис. 3).

Рис. 2. Компьютерная материнская плата — типичный пример ячейки

Рис. 3. Плата сотового телефона как пример ячейки с использованием прецизионной платы

К следующей иерархической ступени классификации следует отнести микросборки, многокристальные модули, системы на кристалле. Трудно сформулировать конструктивные отличия этих компонентов, да и нужно ли? По-видимому, удобнее считать их одним видом по-разному называемых компонентов. Эти конструктивы находятся под таким же давлением, связанным с использованием инновационных конструктивно-технологических решений, как и ячейки, что усугубляется малыми габаритами, экстремальными точностными и микроразмерными характеристиками, а также использованием техники монтажа сhip-on-board и flip-chip.

Типовым примером таких компонентов являются «системы в корпусе», скомпонованные в конструктиве BGA (рис. 4). Этот вариант уже достаточно широко применяется в мировой практике, но пока не освоен в России.

Рис. 4. «Система в корпусе», скомпонованная в конструктиве BGA

На рис. 5–8 приведены конструктивы с использованием инновационных технологических решений, упомянутых выше. Эти технологии освоены или находятся в стадии освоения на предприятиях нашей отрасли (в том числе ОАО НИЦЭВТ).

Рис. 5. Интеграция в структуру пассивных элементов

Рис. 6. Глухие отверстия

Рис. 7. Заполнение отверстий

Рис. 8. Технология послойного наращивания

Отдельное место занимает технология ALIVH (формирование отверстий в любом слое) (рис. 9). Она существует в виде технологического проекта в разных модификациях. Сведения о реализации в промышленно-производимой аппаратуре отсутствуют.

Рис. 9. Технология ALIVH — формирование отверстий в любом слое

Другим большим классом конструктивных элементов являются микросборки или многокристальные модули, использующие коммутационные платы с элементами тонкопленочной и толстопленочной многослойных технологий.

Эта технология имеет долгую историю, и так называемые ГИСы (гибридные интегральные схемы), которые представляют собой микросборки на тонкопленочных одно- или двуслойных коммутационных платах с интегрированными в слои резисторами, упакованные в герметичные корпуса, давно и прочно занимают свою нишу в СВЧ и аналоговой аппаратуре.

Этот класс конструктивных элементов будет рассмотрен в следующем номере журнала.

Микросборки

Приведем несколько инновационных проектов микросборок (многокристальных модулей), базирующихся на многослойных коммутационных платах с использованием техники тонкопленочного напыления и потому выделенных нами в отдельный класс.

Конструктивное и технологическое разнообразие микросборок очень широко, и, конечно, ограниченных рамок статьи недостаточно, чтобы описать все существующие варианты.

Остановимся на нескольких наиболее знаковых и, на наш взгляд, интересных вариантах.

Микросборки «Эльбрус-2»

Технические характеристики подложки микросборок, показанных на рис. 10, следующие:

• Подложка — поликор (24×36 мм).
• Проводники — напыленный Al (2–3 слоя); соотношение линия/зазор — 100/100 мкм.
• Изоляция — полиимид.
• Формирование слоев — фотолитографическое.
• Места под пайку — напыление (AL-V-Cu) с последующим горячим лужением.

Рис. 10. Микросборки «Эльбрус-2»

Технические характеристики самой микросборки:

• СИС с ленточными AL-выводами (ТАВ).
• Присоединение выводов — УЗ-сварка.
• Монтаж кристалла — пайка:
  
  – «Земля»/питание — навесные приклеенные слои из AL-фольги, присоединение выводов — УЗ-сварка (впоследствии — напыление).
  – Корпус — металлостеклянный (золоченый ковар), 48 выводов, шаг 1,25 мм на две стороны.
  – Герметизация — шовная контактная сварка, с последующим контролем на грубые, средние, тонкие течи.

Этапы внедрения:

• 1975–1980 гг. — два опытных участка по 5000 микросборок/год.
• 1980 г. — серийный цех, 25 000 микросборок/год.
• 1980-е годы — суперЭВМ «Эльбрус 2».

Микросборки на кремниевой подложке

Технические характеристики подложки микросборок, показанных на рис. 11:

• Кремниевая коммутационная подложка (ККП) — размер 30×30 мм (на базе стандартной пластины диаметром 100 мм).
• Проводники — напыленный AL (4 слоя), соотношение линия/зазор — 10/10 мкм.
• Изоляция — SiO₂.
• Формирование рисунка — фотолитография.

Рис. 11. МКС по технологии «кремний на кремнии» (с 3D-расположением кристаллов)

Технические характеристики самой микросборки:

• БИС с ленточными AL-выводами (ТАВ).
• Присоединение выводов — УЗ-сварка.
• Монтаж кристалла — клей.
• Монтаж подложки в корпус — клей.
• Корпус — металлостеклянный.
• Герметизация — шовная контактная сварка, с последующим контролем на грубые, средние, тонкие течи.

Этапы внедрения:

• До сих пор мелкие серии. Лабораторный участок.

Микросборки на кремниевой подложке обладают рядом преимуществ:

• Технология, полностью совместимая с технологией ИС.
• Нет ограничения по прецизионности рисунка.

Однако есть и ряд недостатков:

• Тонкопленочная разводка (высокое удельное сопротивление, низкая коррозионная стойкость, нет волновых сопротивлений).
• Сварка (пайка) как основа межсоединений.
• Ограничение по размерам микросборок (размер подложки, размер корпуса).
• Необходимость герметизации.

Микросборки на базе технологии «Прима», со встраиваемыми активными и пассивными компонентами

В этом случае коммутационная подложка изготавливается методом послойного наращивания на металлическом основании (диэлектрик типа паяльной маски или эповин) (рис. 12). Находится в стадии разработки опытного техпроцесса.

Рис. 12. Конструкция печатной платы по технологии «Прима»

МКС на базе технологии ALOX фирмы MCL

Здесь мы имеем дело с высокотеплопроводной подложкой с 3-слойной разводкой, формируемой сквозным селективным анодированием алюминиевой подложки, и гальваническим осаждением меди с последующим фотолитографическим формированием прецизионного рисунка (рис. 13).

Рис. 13. Коммутационная плата по технологии ALOX

Продолжение следует