Инновационные тренды в технологии печатных плат

Печатные платы в современных устройствах перестают выполнять только функцию коммутации сигналов между выводами компонентов. Миниатюризация электронных устройств в совокупности с повышением рабочих частот и обеспечением надежности вынуждает специалистов все чаще применять нетиповые, иногда оригинальные конструктивные решения. И если 10 лет назад типовая структура печатной платы представляла собой плоскую пластину из однородного диэлектрика с многочисленными проводниковыми слоями и переходами между ними, то сегодня платы имеют рельефную структуру, имеющую пазы, полости, многоуровневый внутренний монтаж бескорпусных компонентов и состоящую из разных типов диэлектриков. По прогнозам ведущих производителей печатных плат, через 7–8 лет передовые разработки и технологии электронных модулей достигнут 100%-ного уровня внутреннего монтажа, то есть пайка в них применяться не будет (рис. 1).

Рис. 1. Прогноз развития конструкции печатных плат

Встроенные компоненты

Встраивание активных и пассивных компонентов во внутренний объем печатной платы позволяет разработчику решить множество проблем, связанных с миниатюризацией и надежностью устройств, высокоскоростной передачей сигнала, теплоотводом. Пассивные компоненты (резисторы, конденсаторы) подразделяются на два типа:

• формируемые во внутренних слоях из специальных фольгированных диэлектриков или с помощью паст;
• корпусные, устанавливаемые на внутренний слой.

Если технологии формируемых встроенных компонентов созданы и применяются уже несколько десятков лет, то разработка и внедрение технологий встраивания корпусных компонентов происходит в течение последнего десятилетия. Ведущими компаниями по изготовлению элементной базы, технологического оборудования, электронных устройств реализован ряд инновационных программ, в результате которых появились технологии встроенных корпусных компонентов, нашедшие применение в серийном и массовом производстве. Все известные запатентованные технологии и варианты размещения пассивных и активных компонентов можно классифицировать по нескольким признакам:

• ориентация выводов компонента относительно контактных площадок на слое, лицом вверх или лицом вниз;
• монтаж контактных площадок к выводам компонентов, припоем (пайка) или через металлизированные отверстия;
• установка в полость или на поверхность слоя (табл. 1).

Наиболее простыми и наименее трудоемкими по освоению и внедрению на действующем производстве считаются конструкции, использующие традиционную установку «лицом вниз» и монтаж с помощью пайки. Но данные конструкции имеют ограничения при использовании бескорпусных компонентов и чипов. Для таких встраиваемых компонентов предпочтителен монтаж к выводам с помощью гальванической металлизации в глухих отверстиях. Одним из примеров может служить технология Embedded Component Packaging (ECP), применяемая австрийской компанией AT&S (рис. 2), которая уже выпустила 100 млн электронных модулей со встроенными бескорпусными чипами различных назначений (табл. 2).

Рис. 2. Технология Embedded Component Packaging (ECP)

Таблица 2. Электронные микромодули со встроенными компонентами, серийно выпускаемые на заводах компании AT&S

Назначение	Площадь, мм2	Уменьшение размеров, %	Структура	Преимущество от применения встроенных компонентов
Преобразователь напряжения	7	40		Самый маленький DC/DC-преобразователь 600 мА на рынке
Управление зарядкой	20	40		Многослойная силиконовая микросборка для управления зарядкой литий-ионных батарей
Медиамодуль	20	30		Интегрированный модуль — дискретная пассивная микросборка на eWLP
Кремниевый микрофон	5	>50		Высокоэффективная MEMS с очень малыми размерами
Мобильное ТВ	20	50		Мобильный ТВ-тюнер в одном модуле
Идентификация	60	В разработке		Интегрированный биометрический сенсор
Датчик положения	60	50		Высокоточный датчик Холла для микроджойстика
Модуль беспроводной связи	20	40		Многослойная микросборка с малыми размерами

Технология ECP имеет отличные перспективы для применения в силовой электронике. Сейчас в Европейском союзе реализуется проект EmPower, выполняемый несколькими исследовательскими центрами при участии компании AT&S. Его цель — разработка элементной базы и технологии изготовления моделей со встроенными силовыми электронными компонентами с потребляемой мощностью более 500 Вт.

В бельгийском исследовательском центре IMEC проводится разработка технологии получения ультратонких чипов толщиной менее 50 мкм. Такая технология должна обеспечить встраивание ультратонких чипов в гибкие платы. Получен опытный образец чипа толщиной 35 мкм серийного сигнального процессора компании Texas Instruments. Чип был запрессован внутрь гибкой тестовой платы, состоящей из нескольких полиимидных слоев. Коммутация к контактным площадкам чипа выполнена с помощью металлизированных отверстий. Общая толщина тестовой платы около 200 мкм. Примечательно, что плата находилась в работоспособном состоянии даже при изгибе на 360° (рис. 3).

Рис. 3. Микрошлиф гибкой платы с ультратонким чипом. Тест работоспособности при изгибе

Наномедь

Интересную разработку в области наноматериалов предложила компания Intrinsiq (США). Производимый порошок из наночастиц меди (размер частиц до 10 нм) в печатных платах может быть применен для решения двух задач: нанесение на диэлектрическое основание ультратонкого проводящего медного слоя и заполнение глухих и сквозных отверстий. Известно, что свойства одного и того же материала в монолитном кристаллическом состоянии и в виде порошка из наночастиц могут значительно различаться. Например, температура плавления кристаллической меди равна +1200 °C, а в виде наночастиц медный порошок можно спечь при температуре ниже +200 °C. Компания Intrinsiq разработала установку для нанесения и спекания медного нанопорошка на поверхность гибкого полиимида. Толщина медного слоя менее 1 мкм. Из-за пористой структуры, проводимость получаемого медного покрытия пока составляет всего 25% от проводимости гальванически осажденной меди (рис. 4).

Рис. 4. Структура нанесенного на полиимид слоя меди из наночастиц, спеченного при температуре 200 °C

Основные преимущества такого покрытия:

• простая технология нанесения и спекания;
• возможность двустороннего нанесения;
• полуаддитивная технология формирование тонких проводников шириной менее 10 мкм, быстрое и точное травление Flash Etching (рис. 5);
• однородная граница между медной фольгой и полиимидом сохраняет целостность сигнала для высокоскоростных приложений;
• низкая стоимость.

Рис. 5. Полуаддитивная технология формирования тонких проводников с применением ультратонкого слоя меди из спеченных наночастиц

Наночастицы меди можно применять для заполнения глухих отверстий как альтернативу пастам или гальваническому осаждению меди. Причем заполнение медным нанопорошком обладает преимуществами обоих методов. Как и при использовании пасты, медными частицами можно заполнять глухие отверстия большого диаметра и сквозные отверстия. При этом внутренний объем отверстия заполняется только медью без связующего, как и в случае гальванического осаждения меди. Надежность заполненных отверстий медным нанопорошком подтвердилась тестом на термоудар: 5 циклов, T = +288 °C, t = 10 с (рис. 6).

Рис. 6. Глухое отверстие, заполненное медным нанопорошком

Стекло для подложки

К 2020 году в подложках для микросборок прогнозируется следующее уменьшение размеров элементов топологии: диаметр отверстий до 20 мкм, ширина проводника до 3 мкм, стрела прогиба не более 30 мкм. Изготовить подложки с такими характеристиками топологии с помощью трафаретной печати невозможно, а применяемая сейчас керамика LTCC не обеспечивает необходимую размерную стабильность и отсутствие коробления подложки. Указанным требованиям идеально соответствует стекло, из которого уже давно изготавливают фотошаблоны для экспонирования рисунка микроэлектронных модулей. Коэффициент температурного расширения стекла не превышает КТР кремниевого кристалла. Параллельно в исследовательских технологических центрах Georgia Tech — Research Package Center (США) и Fraunhofer IZM (Германия) разрабатываются технологии изготовления стеклянных подложек для микросборок. Данные методики должны обеспечить формирование металлизированных отверстий в стекле и работу с большими форматами заготовок, что в дальнейшем позволит внедрить их в массовое производство (рис. 7).

Рис. 7. Стеклянные подложки приходят на смену подложкам из керамики и смолы

Для устранения недостатка нестабильной толщины проводящего рисунка при позитивной гальванической технологии его формирования на поверхности (Pattern Plating) предлагается применить гальваническое заращивание пазов в объеме стеклянной подложки (Panel Plating). Аналогичная технология используется в производстве печатных плат и подложек для гальванического заполнения глухих отверстий (рис. 8). После заращивания лишняя медь просто стравливается с поверхности, обеспечивая идеальную планарность. Кроме этого, за счет исключения фоторезиста и операций, связанных с его обработкой, удается сократить весь производственный цикл.

Рис. 8. Технология формирования проводников в объеме стеклянной подложки

Компаниями Qualcomm, Corning и Unimicron получен первый промышленный образец заготовки размером 500×500 мм со стеклянным сердечником следующей структуры и характеристиками (рис. 9):

• 4 проводящих слоя;
• стеклянный сердечник, внешние диэлектрические слои из эпоксидной смолы;
• толщина 4‑слойной заготовки 100 мкм;
• отверстия via-in-via, расстояние между стенками отверстий в стекле и металлизированными стенками в смоле 200 мкм;
• ширина проводник/зазор 8 мкм.

Рис. 9. Заготовка 500×500 мм 4-слойной подложки со стеклянным сердечником. Поперечный микрошлиф

Фотоника

Производительность процессоров растет постоянно, и пропускная способность электрических каналов передачи цифрового сигнала постепенно приближается к своему физическому пределу. Сначала это касалось электрических кабелей между компьютерами и рабочими станциями, на смену которым пришла оптоволоконная связь. На сегодня такого же предела достигает пропускная способность электрических цепей в печатных платах, идущих от места подключения оптического кабеля к процессору. Максимум пропускной способности электрических цепей составляет ~40 Гбит/с. Дальнейшее увеличение пропускной способности цифровых каналов возможно только за счет применения оптических цепей внутри платы (рис. 10).

Рис. 10. Сравнение пропускной способности электрических и оптических цепей

Разработка таких конструкций плат и технологий их производства активно проводится рядом ведущих мировых компаний:

• Проект TERRABUS (IBM совместно с Emcore, HP Labs & Avago, DARPA).
• Европейский проект EOCB-EU. Univ of Berlin, Univ of Paderborn, Univ of Dortmund, Helsinki Univ., Fraunhofer Institute, ILFA, IBM-Zurich, Siemens, Bosch, Andes, Mikropacks, OECA, Aspocomp, Vario-Optics; координация: BMBF (German Dept. Of Education & Research).
• Проект международной промышленной группы HDP (40 компаний и корпораций).

Компания IBM реализует проект TERRABUS в четыре этапа, три из которых уже завершены (рис. 11). В 2015 году закончился этап разработки технологии формирования оптических проводников, идущих от оптического разъема к выводам процессора. К 2020‑му планируется подвести оптический сигнал к контактным площадкам кристалла.

Рис. 11. Этапы проекта TERRABUS компании IBM

В специальных тестовых платах два процессора, установленных на специальные оптические модули, соединяются шиной полимерных оптических проводников, проходящих внутри печатной платы (рис. 12).

Рис. 12. Структура тестовой платы с оптическими модулями и полимерными оптическими проводниками внутри платы

Оптические модули выполняют преобразование оптических сигналов в электрические и обратно через специальную систему микролинз, контактирующих с торцами оптических проводников, выходящих на поверхность платы. Разработаны 24‑канальные оптические модули, с пропускной способностью 20 Гбит/с на канал. Общая пропускная способность таких модулей сейчас достигает 480 Гбит/с. Основное направление для внедрения оптико-электрических плат — суперкомпьютеры и серверные платформы.

Проект международной промышленной группы HDP проводится по трем направлениям:

• разработка технологии гибких оптических шлейфов (Sumitomo, Seagate, Optical Inter Links);
• разработка технологии встроенных стеклянных волноводов (Fraunhofer IZM, Seagate);
• разработка технологии полимерных оптических волноводов в органических подложках (TTM, FCI, DOW Corning) (рис. 13).

Рис. 13. Направления в технологии формирования встроенных оптических волноводов промышленной группы HDP:
а) гибкие;
б) стеклянные;
в) полимерные

В этом году данный проект планируется завершить изготовлением и тестированием опытных образцов гибких шлейфов и печатных плат со встроенными волноводами.