Elektroda.pl
Elektroda.pl
X

Search our partners

Find the latest content on electronic components. Datasheets.com
Elektroda.pl
Please add exception to AdBlock for elektroda.pl.
If you watch the ads, you support portal and users.

Jak projektować płytki drukowane PCB - część 15 - lutowanie układów bare die

ghost666 08 Apr 2020 15:53 2877 2
Optex
  • W poprzedniej części cyklu opisywaliśmy metody montażu układów bare die, tzn. samych struktur krzemowych. Do podłączenia układu do urządzenia potrzeba czegoś więcej - trzeba wykonać połączenia elektryczne do zamontowanej struktury. Część układów scalonych tego rodzaju posiada wyposażenia od dołu, co oznacza, że połączenia lutowane pod układem, pełnią też rolę połączeń elektrycznych. W innych układach stosuje się połączenia drutowe do podłączenia układu do obwodu elektronicznego.

    Finalnie, po wykonaniu połączeń elektrycznych, układ trzeba zamknąć przed dostępem czynników zewnętrznych. Jest to szczególnie istotne w przypadku elementów z połączeniami drutowymi - są one bardzo delikatne i muszą być chronione przed uszkodzeniami mechanicznymi i wpływem środowiska (woda, powietrze) powodującym np. korozję. Tego rodzaju układ, po wykonaniu tych kroków, zaprezentowano na rysunku 1 poniżej.

    Jak projektować płytki drukowane PCB - część 15 - lutowanie układów bare die
    Rys.1. Przekrój przez typowy układ bare die z połączeniami drutowymi.


    W poniższym artykule omówimy te dwa, opisane powyżej, kroki realizowane w przypadku montażu układu bare die. W pierwszej kolejności przyjrzymy się połączeniom drutowym wykonywanym techniką tzw. wire bonding. W dalszej części opisane zostaną techniki enkapsulacji układów typu bare die.

    Wire Bonding

    Połączenia drutowe są wykorzystywane w mikroelektronice od lat 60. XX wieku. Zdecydowana większość urządzeń scalonych dostępnych na rynku jest obecnie połączona właśnie drucikami z ramką z pinami czy też z podłożem. Wyjątkiem są tutaj tylko urządzenia półprzewodnikowe, które mają struktury wyprodukowane tak, że wyprowadzenia w postaci niewielkich pół lutowniczych znajdują się na jednej z powierzchni i wyposażone są w niewielkie wypukłości. Zazwyczaj w czasie produkcji wyprowadzenia te są osadzane jako ostatnie i znajdują się na samej górze, dlatego też do montażu układ musi być przewrócony na drugą stronę. Stąd jedna z nazw tego rodzaju montażu - flip-chip.

    Ultradźwiękowe łączenie klinowe zostało wprowadzone do fabryk w latach 60. XX wieku i stało się dominującą metodą wykonywania połączeń drutowych na wiele lat. Wykorzystywano ultradźwięki, dopóki nie pojawiła się metoda tzw. termokompresyjnego wiązania złotej kuli. Ultradźwiękowe wiązanie odbywa się w temperaturze pokojowej. Służy głównie do łączenia drutu aluminiowego z padami układu wykonanymi ze złota lub aluminium.

    Metoda łączenia z wykorzystaniem klina i ultradźwięków polega na wykorzystaniu ruchomego klina, który przyciska drut połączeniowy do pola w układzie. Następnie przyłożona do niego zostaje energia ultradźwiękowa. Zgrzew ultradźwiękowy powstaje w wyniku przyłożenia energii ultradźwiękowej przy jednoczesnym przyłożeniu nacisku na drucik i pole przez klin. Po wykonaniu połączenia klin odpowiedzialny jest również za ukształtowanie połączenia, następnie montaż drucika z drugiej strony i separacje drutu (który podawany jest ze szpuli) od wykonanego już połączenia.

    Obecnie jednakże metoda ta jest już rzadziej stosowana. Wyparta została w przemyśle półprzewodnikowym przez metodę termosoniczną z kulką. Jest to połączenie metody zgrzewania ultradźwiękowego z spawaniem termokompresyjnym. Metoda ta jest zoptymalizowana tak, by wykorzystać zalety obu technologii. Łączenie termosoniczne jest procesem wieloetapowym. Najpierw na końcu drutu (najczęściej złotego lub aluminiowego) jest termicznie formowana kulka poprzez jego nadtopienie z pomocą łuku elektrycznego. Następnie jest ona przytwierdzana do pierwszego pola z pomocą nacisku i podwyższonej temperatury. Dalej, do drugiego pola, drugi koniec drutu przytwierdzany jest z asystą nacisku, ultradźwięków i temperatury, podobnie jak ma to miejsce w przypadku metody łączenia klinem z ultradźwiękami.

    Druga z opisanych metod charakteryzuje się lepszą geometrią złącza - z uwagi na pierwszy element z kulką, drut może być dużo wygodniej i elastyczniej prowadzony w strukturze w porównaniu z metodą ultradźwiękową z klinem. Dodatkowo, metoda termosoniczna, nie wymaga tak wysokiej temperatury jak typowe metody termokompresyjne, dzięki czemu idealnie nadaje się do łączenia delikatnych struktur półprzewodnikowych.

    W poniższym filmie widać proces łączenia elementów obiema technikami. Zaprezentowano też metodę z wykorzystaniem płaskiej taśmy zamiast drutu, co stosowane jest czasami w połączeniach wysokoprądowych.



    Porównajmy zatem oba procesy ze sobą, włącznie z porównaniem wykorzystywanych materiałów - metoda łączenia ultradźwiękowego z pomocą klina wykorzystuje zazwyczaj druty aluminiowe, a metoda termosoniczna z kulką złota.

    Technologia łączeniaZaletyWadyUwagi co do procesu – na jakie parametry trzeba zwrócić uwagę podczas projektowania
    Złoty drut z kulką spawany termosonicznieWysoka wydajność, wysoka wytrzymałość, wielokierunkowe prowadzenie drutu, możliwość pracy z drobnymi rastramiPodwyższona temperatura, zwiększone koszty materiałowe, wytwarzanie potencjału międzymateriałowego (efekt Seebecka)Temperatura, moc, siła, czas spawania, średnica i długość drutu, interakcje chemiczne obu metali, raster połączenia, warunki powierzchni wiązania, obszar wiązania
    Połączenie aluminiowym drutem zgrzewanym ultradźwiękowo z pomocą klinaProces prowadzony w temperaturze pokojowej, niższy koszt materiałowy, dobra rozdzielczość przestrzennaNiska wytrzymałość, mniejsza wydajność procesu, nieoptymalny dla zastosowań w systemach niehermetycznychMoc, siła nacisku, czas zgrzewania, średnica i długość drutu, interakcje pomiędzy metalami, raster, kąt łączenia drutu z podłożem, kierunek łączenia, właściwości podłoża, powierzchnia zgrzewu


    Metody termosoniczne z złotym drutem ultradźwiękowe zgrzewanie drutem aluminiowym są dobierane również w zależności od metalizacji powierzchni półprzewodnika. Firmy produkujące układy bare die wskazują, że klienci powinni opracować własne parametry łączenia tych układów. Nie można określić bezwzględnych parametrów łączenia dla tych elementów ze względu na różnice w sprzęcie i materiałach do łączenia.

    Minimalny rozmiar padów wynosi 80 µm na 80 µm. Materiał pola to najczęściej aluminium lub złoto, w zależności od rodzaju chipa. Średnicę drutu do połączeń należy dobrać w odniesieniu do średnicy obszaru pada. Materiał drutu należy również wybrać z uwzględnieniem materiału pada, jak wskazano w poniższej tabeli.

    Metalizacja układu z aluminium

    Metalizacja układu ze złota
    Drut złotyXX
    Drut aluminiowyX


    Dobór parametrów pracy bondera wykracza poza zakres tego artykułu. Jak widać z powyższego opisu - jest ich bardzo dużo i wymagają daleko idącej optymalizacji, aby uzyskać założone parametry. Pamiętać należy, iż z uwagi na bardzo małą średnicę (np. w porównaniu do ścieżek na PCB) druty połączeń z urządzeniem półprzewodnikowym są najsłabszym ogniwem całego obwodu. Ich poprawne wykonanie gwarantuje niezawodną pracę układu scalonego w naszym systemie.

    Jeśli jesteście zainteresowani dokładniejszym poznaniem tej technologii i wpływu poszczególnych parametrów na proces wykonywania połączeń drutowych lub też chcecie stosować je w swoich projektach i potrzebujecie nawiązać nić porozumienia z technologiem produkcji, to potrzebne informacje znaleźć można w literaturze fachowej, np. tutaj lub tutaj.

    Enkapsulacja

    Zasadniczo wymagana jest jakaś forma ochrony układu typu bare die po jego montażu, aby zapewnić fizyczną ochronę struktury i połączeń. Wykorzystuje się głównie jedną z dwóch metod - enkapsulację płynną i formowanie transferowe.

    Pierwsza metoda polega na naniesieniu na strukturę płynnego materiału, który po jakimś czasie wiąże i zastyga, formując sztywną osłonę. Najczęściej w tej roli stosuje się żywice epoksydowe lub związki oparte o siloksany i silikony. Płynne materiały enkapsulujące stosuje się w najczęściej w przypadku większych modułów i elementów montowanych na dużych podłożach w technologii mieszanej.

    Z kolei formowanie transferowe jest procesem, który wykorzystuje formę, do której wstrzykiwany jest pod ciśnieniem materiał, który formować ma obudowę układu. W tym przypadku stosuje się najczęściej żywice, jednakże możliwe jest także zastosowanie np. materiałów ceramicznych.

    Wymagania ogólne dotyczące materiałów do enkapsulacji obejmują zarówno niską przepuszczalność wilgoci, doskonałą barierę jonową, dobrą ochronę przed promieniowaniem ultrafioletowym i cząstkami alfa, jak i dobre własności mechaniczne, elektryczne i fizyczne. Enkapsulant musi mieć niską stałą dielektryczną, aby zmniejszyć opóźnienie propagacji w urządzeniu i możliwie wysoką przewodność cieplną. Ważne jest, aby wybrać produkt, który jest dostosowany do zastosowania i warunków, na jakich ma być poddany. Dodatkowe wymogi pojawiają się, jeżeli układ ma jakąś specyficzną rolę. Na przykład elementy optoelektroniczne wymagają przezroczystych obudów itp.

    Możliwości technologii bare die

    Wykorzystując opisane powyżej możliwości technologiczne, konstruować można naprawdę złożone konstrukcje. Szereg przykładów zamieszczono na stronie firmy Molex, która oprócz produkcji złącz, gniazd etc. zajmuje się konstrukcją i lutowaniem układów typu bare die. Technologie te wykorzystywane są głównie do produkcji układów w obudowach BGA, gdzie na cienkiej płytce drukowanej, która od spodniej strony ma pola lutowniczę, umieszcza się jedną lub więcej struktur krzemowych. Na swojej stronie projektują oni szereg przykładowych konstrukcji:

    Jak projektować płytki drukowane PCB - część 15 - lutowanie układów bare die

    Typowe zastosowanie montażu bare die w układach scalonych - z wyprowadzeniami drutowymi - wire bonding (po lewej) i lutowaniem na kulkach (po prawej).

    Jak projektować płytki drukowane PCB - część 15 - lutowanie układów bare die

    Układy trójwymiarowe - wiele struktur krzemowych umieszczanych jedna na drugiej, z różnym rozkładem wyprowadzeń.

    Jak projektować płytki drukowane PCB - część 15 - lutowanie układów bare die

    Bardziej zaawansowana metoda montażu 3D, z wykorzystaniem dodatkowych płytek drukowanych, do których montowane są dodatkowe struktury oraz wsporników pomiędzy warstwami PCB.

    Jak projektować płytki drukowane PCB - część 15 - lutowanie układów bare die

    Obudowa hybrydowa, tzn. zawierająca w sobie, na jednym substracie, elementy lutowane bezpośrednio, struktury dołączane z pomocą bondera i dodatkowe elementy pasywne lutowane do płytki.


    Jak projektować płytki drukowane PCB - część 15 - lutowanie układów bare die
    Przykład takiej konstrukcji pokazano po prawej stronie. Jest to hybrydowa konstrukcja 3D, która zawiera stos czterech struktur krzemowych: Procesora, pamięci DDR, pamięci Flash i układu ADC. Obok znajduje się zarówno układ do sterowania zasilaniem wszystkich tych podzespołów, jak i dodatkowe, potrzebne systemowi elementy pasywne.

    Tego rodzaju technologia ma wiele zalet:

    * Zapewnia doskonałe rozwiązanie dla kompaktowych projektów
    * Jest skuteczna w przypadku produktów opartych na przetwarzaniu danych w pobliżu czujnika
    * Redukuje szum elektryczny i opóźnienia w przełączaniu
    * Oferuje elastyczność projektowania, nawet w ekstremalnych temperaturach
    * Zapewnia wysoką wytrzymałość układu
    * Oferuje wysoką niezawodność
    * Zapewnia mały rozmiar i wagę
    * Maksymalizuje sprawność elektryczną układu.

    Więcej informacji na temat możliwości ISI (Molex) związanych z montażem układu w poniższym filmie:



    Źródła:
    https://www.molex.com/molex/capabilities/capabilities.jsp?key=bare_die_assembly
    https://www.vishay.com/docs/84267/handlingbaredie.pdf
    https://en.wikipedia.org/wiki/Wire_bonding
    http://www.dieproducts.org/tutorials/assembly/bare_die_mounting.pdf

    Cool? Ranking DIY
    Can you write similar article? Send message to me and you will get SD card 64GB.
    About Author
    ghost666
    Translator, editor
    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 wrote 11100 posts with rating 9413, helped 157 times. Live in city Warszawa. Been with us since 2003 year.
  • Optex
  • #2
    Owiec_
    Level 8  
    dlaczego zniknęła 16 część artykułu?
  • #3
    ghost666
    Translator, editor
    Owiec_ wrote:
    dlaczego zniknęła 16 część artykułu?


    Wróciła na serwis, ale niebawem wjedzie znowu na forum :)