Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
TermopastyTermopasty
Proszę, dodaj wyjątek dla www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Jak projektować płytki drukowane PCB - część 14 - montaż układów bare die

ghost666 06 Gru 2019 11:16 2214 3
  • Jak projektować płytki drukowane PCB - część 14 - montaż układów bare die
    Coraz mniejsze płytki drukowane, a także obwody elastyczne (flex oraz flex-rigid, o których mówiliśmy tutaj: Link 1, Link 2, Link 3 i Link 4), wymagają wykorzystania nowatorskich metod instalacji elementów elektronicznych. Jedną z nich jest bezpośrednia instalacja struktur krzemowych, tak zwany montaż bare die. Technologie, które przez lata były wyłączną domeną produkcji urządzeń półprzewodnikowych, zostały teraz przeniesione do współczesnych procesów produkcji obwodów drukowanych (PCB).

    To nie są już stare, tradycyjne płytki drukowane, które wszyscy dobrze znają; zamiast tego współczesne PCB to często elastyczne podłoża lub struktury flex-rigid, szczególnie w nowoczesnych, kompaktowych urządzeniach elektroniki noszonej itp. Rosnąca fala popularności małych produktów elektronicznych, takich jak urządzenia mobilne czy systemy Internetu Rzeczy (IoT), bazują na nowszych, miniaturowych płytkach drukowanych, wykorzystujących bardzo zaawansowane technologie.

    Tak obecnie, jak i w najbliższej przyszłości mikroelektronika będzie odgrywać coraz bardziej istotną rolę, ponieważ dzisiejsza elektronika kurczy się na PCB. Wynika to m.in. ze zmniejszania się urządzeń elektronicznych i zwiększania gęstości upakowania elementów na płytkach drukowanych. Same elementy również zmniejszają się, a dodatkowo stają się coraz delikatniejsze. Sprawia to, że montaż, kontrola i testowanie tego rodzaju produktów stają się coraz trudniejsze.

    Na przykład wiele z tych najmniejszych PCB nie może przejść przez tradycyjną linię montażową do produkcji i montażu PCB. Rosnąca liczba tego rodzaju modułów musi wykorzystywać zupełnie nowe lub niestosowane na tą skalę techniki montażowe, takie jak instalacja układów typu bare die czy połączenia drutowe, pozwalające na ich integrację elektryczną z systemem.

    Układy typu bare die to stosunkowo nowa technologia w sektorze produkcji kompaktowych płytek drukowanych. Krótko mówiąc, jest to proces polegający na bezpośrednim przymocowaniu struktury krzemowej układu do podłoża – sztywnego lub elastycznego PCB. W realnej praktyce może to także obejmować dołączenie jednej kości do drugiej i inne egzotyczne rodzaje montażu.

    Przetwarzaj to delikatnie

    Metodologia mocowania struktur krzemowych, która ma być zastosowana w danym przypadku, zależy od wymagania co do przewodności cieplnej i ilości rozpraszanego z układu ciepła. Zatem przed decyzją dotyczącą wyboru procesu montowania elementów, zawsze należy poddać układ dokładnej kontroli i analizie przewodności cieplnej w celu ustalenia ilości ciepła, którą rozproszy i jaką PCB będzie musiało z niego odebrać.

    Jak projektować płytki drukowane PCB - część 14 - montaż układów bare die


    Układy są zazwyczaj dostarczane w taśmie, na tacce. Tacka, taka jak pokazana powyżej, po lewej stronie, zawiera w sobie wiele elementów – są to już pocięte fragmenty przetworzonego wafla krzemowego, na którym wytworzono układy półprzewodnikowe. Klasycznie, tego rodzaju elementy, byłyby zalewane w obudowie układu scalonego.

    Proces mocowania struktury krzemowej rozpoczyna się od podniesienia jej za pomocą małego ssaka próżniowego z tacy lub opakowania (zdjęcie procesu pokazane jest po prawej stronie).

    Po uwolnieniu układu przez chwytak w odpowiednim miejscu płytki drukowanej, jest ona dokładnie dopasowywana do podłoża lub PCB. Następnie musi być trwale zamocowany na jej powierzchni, przy użyciu jednej z trzech metod, opisanych poniżej.

    Żywice epoksydowe i lutowia mogą być nieprzewodzące lub przewodzące. Podczas montażu struktury krzemowej powinien istnieć idealny kontakt między chipem a podłożem/płytką drukowaną; ponadto nie powinno być żadnych pustek w spoiwie. Jest to niezwykle ważne, szczególnie, jeżeli struktura musi rozproszyć dużą ilość ciepła.

    Również środek wiążący, który mocuje element do podłoża, musi być bardzo precyzyjnie dobrany i nałożony. Proces ten jest bardzo wrażliwy; oprócz podnoszenia elementu należy go również bardzo delikatnie umieścić na podłożu, aby nie uszkodzić precyzyjnej i delikatnej struktury krzemowej na jego powierzchni. Tworzone połączenie z podłożem powinno być w stanie wytrzymać ekstremalnie wysokie zakresy temperatur bez utraty swoich parametrów mechanicznych czy termicznych.

    Poniżej opisano trzy najczęściej stosowane metody łączenia struktur bare die z podłożem/płytką drukowaną.

    Klejenie układu z pomocą żywicy epoksydowej

    Typowymi metodami mocowania struktury półprzewodnikowej są żywice epoksydowe, eutektyki i klasyczne lutowanie. Proces wiązania epoksydowego może obejmować żywice epoksydowe ze srebrem lub może być oparty na materiale poliimidowym. Żywica epoksydowa jest rozprowadzana na PCB za pomocą bardzo precyzyjnego dozownika, który bardzo dokładnie rozprowadza niewielką jej ilość (z tolerancjami mierzonymi w mikrolitrach). W tym przypadku podłoże zostaje podgrzane do temperatury odpowiedniej dla nakładanej żywicy. Może ona wynosić od temperatury pokojowej do nawet 200°C, w zależności od rodzaju użytej żywicy epoksydowej. Podwyższona temperatura umożliwia odpowiednie utwardzenie żywicy epoksydowej tak, że przylega ona równo do podłoża, aby precyzyjnie utworzyć połączenie między nim a strukturą półprzewodnikową.

    Kiedy dozowana jest żywica epoksydowa, pokrywa ona obszar, w którym należy zainstalować strukturę półprzewodnikową. Na krawędzi spoiny, po ułożeniu chipu, utworzy się delikatna faza – jeżeli nałożone będzie zbyt dużo żywicy epoksydowej, może to spowodować zanieczyszczenie układu i niewspółosiowość montażu. Współpłaszczyznowość chipu i PCB stanie się również problemem, w takim przypadku układ może nie działać poprawnie. Z drugiej strony, jeśli nie zostanie nałożona wystarczająca ilość żywicy, powstać mogą pęknięcia oraz puste przestrzenie, a utworzone połączenie będzie nieoptymalne z punktu widzenia termiki układu.

    Oprócz odpowiednich dozowników należy zastosować wysoce zaawansowane narzędzia inspekcyjne, aby idealnie dopasować układ do PCB. Stosowane w tym procesie kleje zwykle nie są przewodnikami - są izolatorami elektrycznymi i nie mają dobrej przewodności cieplnej. Aby uczynić je bardziej przewodzącymi ciepło, stosuje się materiał srebrny lub złoty (żywicę epoksydową z domieszką drobnego pyłu metalicznego), zmniejszając w ten sposób opór cieplny do niższej wartości.

    Dodanie złota, srebra, węglika krzemu, tlenku berylu lub związków innych pierwiastków pomaga w utwardzeniu tych klejów w niższych temperaturach. Jednocześnie dodatki te poprawiają parametry termiczne żywicy, jednakże część z nich nie jest dielektrykami, co powodować może zwarcia, jeżeli żywica dostanie się na ścieżki struktury półprzewodnikowej.

    Instalacja za pomocą stopów eutektycznych

    Ta technika wykorzystuje z kolei stop eutektyczny do przymocowania matrycy do podłoża – płytki drukowanej. Podłoża w tym zastosowaniu mogą być ceramiczne lub metalowe. Stopy te poprawnie łączą się z metalami, takimi jak aluminium czy miedź. Są to popularne materiały, które są zwykle stosowane w systemach elektronicznych dużej mocy, takich jak zespoły mikrofalowe i RF czy innych urządzeniach elektronicznych. Powodem zastosowania stopu eutektycznego – zamiast prostszego procesu mocowania z pomocą żywicy - jest to, że eutektyk może wytrzymać temperatury w zakresie 300°C lub więcej. Wymagane są wyższe temperatury, ponieważ podłoża takie jak ceramika i metale wytrzymują zazwyczaj dużo wyższe temperatury i stosowane mogą być w urządzeniach pracujących w bardzo wysokiej temperaturze.

    Mocowanie z pomocą spoiwa eutektycznego – co może być również określane jako „proces lutowania bez topnika” – wykorzystana jest cienka metalowa blaszka, zwana preformą (patrz zdjęcie poniżej). Preforma jest stopem (mieszaniną) dwóch lub więcej różnych metali, najczęściej jest to stop złota-srebra lub złota-cyny lub podobnej mieszanki. Te metale wybierane są z uwagi na możliwość utworzenia złącza w obojętnej atmosferze. Stopy te są mieszaninami eutektycznymi, czyli takimi mieszankami metali, które topią się w temperaturze niższej niż składowe pierwiastki.

    Jak projektować płytki drukowane PCB - część 14 - montaż układów bare die
    Eutektyczne „preformy” używane do montażu struktur krzemowych na PCB.


    Na przykład czyste złoto ma bardzo wysoką temperaturę topnienia ponad 1000°C, podczas gdy krzem topi się w temperaturze ponad 1400°C. Eutektyk złoto-cyna topi się w temperaturze nawet niecałych 370°C. Preforma z mieszaniny cyny ze srebrem pozwala topić się natomiast w temperaturze 231°C, złoto-cyna w 295°C, złoto-german w 350°C etc. Dzięki temu stworzenie połączenia jest znacznie łatwiejszy w rozsądnych zakresach temperatur.

    Dodatkowym powodem stosowania preform na bazie złota jest to, że metal ten jest wysoce przewodzący - zarówno elektrycznie, jak i termicznie. Zapewnia to doskonały sposób na odprowadzenie ciepła ze struktury półprzewodnikowej.

    Klasyczne lutowanie struktur krzemowych

    Złącze lutowane bare die jest podobne do tworzenia złącza w technologii montażu powierzchniowego (SMD). Lutowanie jest powszechnym rodzajem łączenia układów elektronicznych, głównie ze względu na wysoką przewodność cieplną samego materiału lutowniczego i doskonałe przewodnictwo elektryczne oraz dobre własności mechaniczne.

    Gdy weźmiemy pod uwagę różne metody omówione powyżej, procesy lutowania struktur krzemowych mogą wyróżniać się ekstremalnymi wahaniami temperatur. Na przykład proces mocowania z wykorzystaniem lutu miękkiego będzie potrzebował temperatury się w zakresie od 180°C do 250°C dla cyny ołowiowej (SAC 305) lub podobnego spoiwa. Metody mocowania z pomocą lutów o wysokiej temperaturze topnienia, mogą przekraczać 250°C i więcej, na przykład w przypadku spoin wykonanych ze stopu złota-cyny, złota-krzemu lub podobnych stopów (porównaj mocowanie z wykorzystaniem eutektyków, opisane powyżej). Lutowanie jest z drugiej strony bardzo korzystne, jeśli chodzi o odprowadzanie ciepła z takich urządzeń jak diody LED.

    Ważnym aspektem lutowania jest to, że układ musi zostać odpowiednio przygotowany. Zanim zostanie wykonane połączenie, stop lutowniczy musi zostać wstępnie naniesiony na obie warstwy łączone ze sobą – chip krzemowy i podłoże. Dodatkowo, jeśli potrzebna jest konkretna warstwa lutowia, to będzie wymagała do nałożenia nieco innego składu spoiny na strukturę krzemową i na podłoże. Po wykonaniu tych kroków chip umieszcza się na PCB za pomocą normalnego urządzenia pick-and-place z uchwytem próżniowym, jak opisano powyżej.

    W przypadku zastosowania tej metody spoiwo w postaci drutu jest doprowadzane do układu, który jest wstępnie podgrzewany, a następnie topi lutowie, co doprowadza do powstania złącza. Następnie całość – układ i PCB – musi zostać oczyszczone z użytego topnika przed zamknięciem wykonaniem połączeń drutowych i enkapsulacją struktury.

    Doskonałe cechy techniki lutowania obejmują jej odporność, wytrzymałość mechaniczną, dobre przewodzenie prądu i wysoką przewodność cieplną.

    Wykonywanie połączeń elektrycznych – bonding

    Po zakończeniu procesu mocowania matrycy (przy użyciu dowolnej z technik omówionych powyżej) stosuje się dodatkowy proces do stworzenia połączeń elektrycznych – tzw. wire bonding. W kolejnej części tego artykułu omówimy urządzenia (ich budowę i zasadę działania), jakie wykorzystuje się do wytwarzania tego rodzaju połączeń – tzw. bondery, a także materiały, jakie wykorzystuje się do tego rodzaju połączeń drutowych. Na koniec omówimy metody i problematykę enkapsulacji tego rodzaju elementów na PCB.

    Źródło: https://www.eeweb.com/profile/zulki1234/articles/die-attach-comes-to-pcbs

    Fajne! Ranking DIY
    Darmowe szkolenie: Ethernet w przemyśle dziś i jutro. Zarejestruj się za darmo.
    O autorze
    ghost666
    Tłumacz Redaktor
    Offline 
    Fizyk z wykształcenia. Po zrobieniu doktoratu i dwóch latach pracy na uczelni, przeszedł do sektora prywatnego, gdzie zajmuje się projektowaniem urządzeń elektronicznych i programowaniem. Od 2003 roku na forum Elektroda.pl, od 2008 roku członek zespołu redakcyjnego.
    ghost666 napisał 9773 postów o ocenie 7952, pomógł 157 razy. Mieszka w mieście Warszawa. Jest z nami od 2003 roku.
  • TermopastyTermopasty
  • #2
    Galareta
    Poziom 22  
    Czyli tak są robione czarne kropki na max tanich modułach i starych cardridge z grami w latach 90?
  • TermopastyTermopasty
  • #3
    ghost666
    Tłumacz Redaktor
    Galareta napisał:
    Czyli tak są robione czarne kropki na max tanich modułach i starych cardridge z grami w latach 90?


    Dokładnie tak
  • #4
    Jogesh
    Poziom 28  
    Kiedyś projektowałem PCB pod takiego prostego gluta. W sumie nic nadzwyczajnego. Zostawiam sobie pola dookoła krzemu gdzie będą "przegrzane" wyprowadzenia. Potem to można ręcznie montować za pomocą manualnego urządzenia do boundingu.