eng
Выпуск #3/2025
Д. Суханов
ТЕХНОЛОГИИ НАНЕСЕНИЯ ЭКРАНИРУЮЩИХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭМС КОМПОНЕНТОВ В МИКРОСБОРКАХ
ТЕХНОЛОГИИ НАНЕСЕНИЯ ЭКРАНИРУЮЩИХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭМС КОМПОНЕНТОВ В МИКРОСБОРКАХ
Просмотры: 1088
DOI: 10.22184/1992-4178.2025.244.3.224.228
Рассмотрены технологии нанесения экранирующих материалов на компоненты микросборок посредством распыления (в том числе под наклоном) с применением спреевых головок.
Рассмотрены технологии нанесения экранирующих материалов на компоненты микросборок посредством распыления (в том числе под наклоном) с применением спреевых головок.
Технологии нанесения экранирующих материалов для обеспечения
ЭМС компонентов в микросборках
Д. Суханов
Оборудование, в котором используются технологии Bluetooth, Wi-Fi, 3G, LTE и др., может создавать электромагнитные помехи (electromagnetic interference, EMI), нарушающие работу других устройств. Группы компонентов для защиты от помех и обеспечения их электромагнитной совместимости (ЭМС) размещаются в металлических или металлокерамических корпусах. Для экранирования на уровне отдельных компонентов разрабатываются методы нанесения на них тонких проводящих покрытий. В статье рассмотрены технологии нанесения экранирующих материалов на компоненты микросборок посредством распыления (в том числе под наклоном) с применением спреевых головок.
С начала 2000-х годов был изучен ряд технологий для решения проблем экранирования от электромагнитных помех отдельных компонентов в сборке. По мере развития ЭКБ проблемы внутренней ЭМС становятся все более значительными.
Методы дозирования с применением головок с форсунками для спреевого нанесения начали применять для экранирования ЭМС-компонентов из-за низкой себестоимости, высокой производительности, возможности обработки в одном цикле компонентов различных типоразмеров и гибкости в создании моделей покрытия. При всем этом удается сократить расход дорогостоящих материалов, без которых невозможно обойтись в составе покрытий для защиты от электромагнитных помех (рис. 1) [1]. Основной проблемой стало качество покрытия на боковых стенках компонентов. Современные составы материалов для экранирования позволяют снизить толщину наносимого покрытия ниже 25 мкм.
Рассмотрим возможности использования спреевых головок для наклонного распыления экранирующих материалов с охватом боковых стенок компонентов и решение для плотной компоновки элементов в микросборке.
Первый опыт спреевого нанесения экранирующего покрытия
Технология нанесения тонких слоев материала спреем применяется в различных процессах. Формирование экранирующих слоев спреем ожидалось давно, поскольку стоимость оборудования для этой технологии многократно ниже другого, но оно способно обеспечить аналогичную производительность.
При первичных исследованиях было обнаружено, что толщина материала на боковых стенках примерно на 50% меньше, чем на верхних поверхностях, что не удовлетворяет требованиям к ЭМС.
Технология спреевого нанесения приводит к ухудшению электрических характеристик покрытия, поскольку требует нанесения более толстых слоев, нежели при использовании материалов с ковалентной связью, образующейся в процессах вакуумного напыления или гальваники. Разработка новых составов материалов с различными формами частиц и развитие технологии спреевого нанесения покрытий решили ряд проблем за счет уменьшения толщины покрытия и устранения образования точечных отверстий в результате равномерного распределения частиц по поверхности.
Новые материалы
Обратим внимание на материал Tatsuta AE5000A-1.
На рис. 2а показаны результаты испытаний образцов.
На рис. 2б представлен результат сравнения неэкранированного компонента, экранированного методом вакуумного напыления и экранированного спреевым нанесением другого материала.
Целевым показателем для материала является достижение коэффициента экранирования свыше 50 дБ на частоте от 1 ГГц.
Возможность считывания лазерной маркировки на компоненте или микросборке после нанесения экранирующего покрытия также важна. Лазерная маркировка после нанесения покрытия невозможна, так как она нарушит часть экрана и снизит его эффективность.
Технология нанесения покрытий
Самый простой способ нанесения покрытия – это вертикальное распыление (рис. 3а). Оно обеспечивает хорошее качество покрытия верхней поверхности и однородность толщины, но с ограничением экранирования боковых стенок. Чтобы улучшить покрытие боковых стенок компонентов применяется метод наклонного спреевого нанесения (рис. 3б) [2].
Исследования и результаты
Было выбрано два типа массивов разных образцов размером 10 × 10 мм и толщиной 1,25 мм (рис. 4). «Массив 1» – пластинки из FR-4. «Массив 2» – пластиковые пластинки. Для первых тестов образцы были установлены с заданным интервалом 5 мм. Для определения влияния изменения зазора на качество покрытия компоненты были установлены с интервалами 0,5; 1; 2 и 3 мм.
Эксперименты над образцами, установленными с шагом 5 мм, привели к одинаковым результатам по толщине покрытий. В зависимости от линейной скорости перемещения форсунки (скорость «теста 1» была выше скорости «теста 3») толщина покрытия верхнего слоя составляла ~13 мкм, а толщина на боковых стенках варьировалась от 7 до 9 мкм. Отношение толщины боковины к толщине верхнего слоя колебалось от 53% до 71%. Увеличение линейной скорости приводило к лучшему соотношению толщин верхнего и бокового покрытий. Результаты представлены в табл. 1.
На рис. 5 показаны изображения образцов в поперечном сечении. В покрытиях как боковых стенок, так и верхней поверхности отсутствуют разрывы и сквозные дефекты. Защитный материал также в достаточной степени покрывает углы компонентов.
Эффективность защитного экрана можно быстро оценить по шероховатости поверхности материала. Более шероховатые поверхности подвержены образованию сквозных дефектов и визуально выглядят матовыми. Глянцевая поверхность характеризует ровное покрытие с меньшей шероховатостью и лучшей консистенцией.
На рис. 6 покрытие и внешний вид верхнего слоя хорошие, но покрытие боковых стенок для образцов с шагом менее 2 мм – плохое, через него можно увидеть элементы на тестовых образцах (линии медной фольги), что указывает на недостаточное экранирование. Наилучшие результаты достигнуты для образцов, установленных с шагом 3 мм и более.
Методы экранирования ячеек микросборок
В случае плотной компоновки элементов в микросборке было предложено полностью «закорпусировать» полимерным компаундом всю микросборку (рис. 7) [1]. Экранирующий материал должен обеспечивать адгезию к подложке и герметизирующему компаунду. Эта технология проста, высокопроизводительна и обеспечивает гибкость конструкции изделий при небольшой стоимости, по сравнению с вакуумным напылением или гальваникой.
***
На основе проведенных исследований можно сделать следующие выводы:
1. По результатам испытаний толщина экранирующего покрытия составляет менее 15 мкм и характеристики защиты от электромагнитных помех отвечают требованиям на частоте 1 ГГц.
2. При наклонном спреевом нанесении было достигнуто отношение толщины боковых сторон к толщине верхнего слоя более 50%.
3. Рекомендуется, чтобы расстояние между устройствами составляло не менее 2 мм для обеспечения качественного покрытия боковых стенок, шаг ≥3 мм обеспечивает наилучшее качество.
ЛИТЕРАТУРА
EMI Shielding Solutions for Semiconductor Packages. – https://www.henkel-adhesives.com/
Szuch M., Morita A., Wong G., Sakaguchi M., Umeda H. EMI Shielding: Improving Sidewall Coverage with Tilt Spray Coating. IMAPS Device Packaging 2017.
ЭМС компонентов в микросборках
Д. Суханов
Оборудование, в котором используются технологии Bluetooth, Wi-Fi, 3G, LTE и др., может создавать электромагнитные помехи (electromagnetic interference, EMI), нарушающие работу других устройств. Группы компонентов для защиты от помех и обеспечения их электромагнитной совместимости (ЭМС) размещаются в металлических или металлокерамических корпусах. Для экранирования на уровне отдельных компонентов разрабатываются методы нанесения на них тонких проводящих покрытий. В статье рассмотрены технологии нанесения экранирующих материалов на компоненты микросборок посредством распыления (в том числе под наклоном) с применением спреевых головок.
С начала 2000-х годов был изучен ряд технологий для решения проблем экранирования от электромагнитных помех отдельных компонентов в сборке. По мере развития ЭКБ проблемы внутренней ЭМС становятся все более значительными.
Методы дозирования с применением головок с форсунками для спреевого нанесения начали применять для экранирования ЭМС-компонентов из-за низкой себестоимости, высокой производительности, возможности обработки в одном цикле компонентов различных типоразмеров и гибкости в создании моделей покрытия. При всем этом удается сократить расход дорогостоящих материалов, без которых невозможно обойтись в составе покрытий для защиты от электромагнитных помех (рис. 1) [1]. Основной проблемой стало качество покрытия на боковых стенках компонентов. Современные составы материалов для экранирования позволяют снизить толщину наносимого покрытия ниже 25 мкм.
Рассмотрим возможности использования спреевых головок для наклонного распыления экранирующих материалов с охватом боковых стенок компонентов и решение для плотной компоновки элементов в микросборке.
Первый опыт спреевого нанесения экранирующего покрытия
Технология нанесения тонких слоев материала спреем применяется в различных процессах. Формирование экранирующих слоев спреем ожидалось давно, поскольку стоимость оборудования для этой технологии многократно ниже другого, но оно способно обеспечить аналогичную производительность.
При первичных исследованиях было обнаружено, что толщина материала на боковых стенках примерно на 50% меньше, чем на верхних поверхностях, что не удовлетворяет требованиям к ЭМС.
Технология спреевого нанесения приводит к ухудшению электрических характеристик покрытия, поскольку требует нанесения более толстых слоев, нежели при использовании материалов с ковалентной связью, образующейся в процессах вакуумного напыления или гальваники. Разработка новых составов материалов с различными формами частиц и развитие технологии спреевого нанесения покрытий решили ряд проблем за счет уменьшения толщины покрытия и устранения образования точечных отверстий в результате равномерного распределения частиц по поверхности.
Новые материалы
Обратим внимание на материал Tatsuta AE5000A-1.
На рис. 2а показаны результаты испытаний образцов.
На рис. 2б представлен результат сравнения неэкранированного компонента, экранированного методом вакуумного напыления и экранированного спреевым нанесением другого материала.
Целевым показателем для материала является достижение коэффициента экранирования свыше 50 дБ на частоте от 1 ГГц.
Возможность считывания лазерной маркировки на компоненте или микросборке после нанесения экранирующего покрытия также важна. Лазерная маркировка после нанесения покрытия невозможна, так как она нарушит часть экрана и снизит его эффективность.
Технология нанесения покрытий
Самый простой способ нанесения покрытия – это вертикальное распыление (рис. 3а). Оно обеспечивает хорошее качество покрытия верхней поверхности и однородность толщины, но с ограничением экранирования боковых стенок. Чтобы улучшить покрытие боковых стенок компонентов применяется метод наклонного спреевого нанесения (рис. 3б) [2].
Исследования и результаты
Было выбрано два типа массивов разных образцов размером 10 × 10 мм и толщиной 1,25 мм (рис. 4). «Массив 1» – пластинки из FR-4. «Массив 2» – пластиковые пластинки. Для первых тестов образцы были установлены с заданным интервалом 5 мм. Для определения влияния изменения зазора на качество покрытия компоненты были установлены с интервалами 0,5; 1; 2 и 3 мм.
Эксперименты над образцами, установленными с шагом 5 мм, привели к одинаковым результатам по толщине покрытий. В зависимости от линейной скорости перемещения форсунки (скорость «теста 1» была выше скорости «теста 3») толщина покрытия верхнего слоя составляла ~13 мкм, а толщина на боковых стенках варьировалась от 7 до 9 мкм. Отношение толщины боковины к толщине верхнего слоя колебалось от 53% до 71%. Увеличение линейной скорости приводило к лучшему соотношению толщин верхнего и бокового покрытий. Результаты представлены в табл. 1.
На рис. 5 показаны изображения образцов в поперечном сечении. В покрытиях как боковых стенок, так и верхней поверхности отсутствуют разрывы и сквозные дефекты. Защитный материал также в достаточной степени покрывает углы компонентов.
Эффективность защитного экрана можно быстро оценить по шероховатости поверхности материала. Более шероховатые поверхности подвержены образованию сквозных дефектов и визуально выглядят матовыми. Глянцевая поверхность характеризует ровное покрытие с меньшей шероховатостью и лучшей консистенцией.
На рис. 6 покрытие и внешний вид верхнего слоя хорошие, но покрытие боковых стенок для образцов с шагом менее 2 мм – плохое, через него можно увидеть элементы на тестовых образцах (линии медной фольги), что указывает на недостаточное экранирование. Наилучшие результаты достигнуты для образцов, установленных с шагом 3 мм и более.
Методы экранирования ячеек микросборок
В случае плотной компоновки элементов в микросборке было предложено полностью «закорпусировать» полимерным компаундом всю микросборку (рис. 7) [1]. Экранирующий материал должен обеспечивать адгезию к подложке и герметизирующему компаунду. Эта технология проста, высокопроизводительна и обеспечивает гибкость конструкции изделий при небольшой стоимости, по сравнению с вакуумным напылением или гальваникой.
***
На основе проведенных исследований можно сделать следующие выводы:
1. По результатам испытаний толщина экранирующего покрытия составляет менее 15 мкм и характеристики защиты от электромагнитных помех отвечают требованиям на частоте 1 ГГц.
2. При наклонном спреевом нанесении было достигнуто отношение толщины боковых сторон к толщине верхнего слоя более 50%.
3. Рекомендуется, чтобы расстояние между устройствами составляло не менее 2 мм для обеспечения качественного покрытия боковых стенок, шаг ≥3 мм обеспечивает наилучшее качество.
ЛИТЕРАТУРА
EMI Shielding Solutions for Semiconductor Packages. – https://www.henkel-adhesives.com/
Szuch M., Morita A., Wong G., Sakaguchi M., Umeda H. EMI Shielding: Improving Sidewall Coverage with Tilt Spray Coating. IMAPS Device Packaging 2017.
Отзывы читателей
