eng
Выпуск #3/2008
А.Грушевский, Г.Блинов, С.Семенин, П.Жуков.
Трехмерные многокристальные модули на гибком основании
Трехмерные многокристальные модули на гибком основании
Просмотры: 3014
Новое конструктивно-технологическое решение, предназначенное для создания многокристального модуля в трехмерном исполнении на гибком полиимидном основании, повышает быстродействие и улучшает массогабаритные показатели электронных модулей памяти. В современных условиях микроминиатюризации весьма перспективными представляются многокристальные модули (МКМ) в трехмерном (3D) исполнении с использованием бескорпусной элементной базы.
Конструктивно-технические возможности МКМ закладываются на этапе проектирования, проводимого с учетом современных достижений технологии высокоплотного монтажа [1,2].
Конструирование радиоэлектронной аппаратуры с использованием трехмерных многокристальных модулей (МКМ-3D) представляет собой новый этап в развитии способов конструирования и изготовления двумерных многокристальных модулей (МКМ-2D).
Внедрение МКМ-3D в современную аппаратуру позволяет на более высоком качественном уровне решать следующие задачи: увеличение плотности компоновки комплектующих изделий на исходной монтажной подложке; улучшение рабочих характеристик устройства (снижение времени задержки прохождения сигнала по коммутационным связям и, как следствие, значительное увеличение быстродействия); уменьшение стоимости готового изделия [3].
При внедрении способов проектирования радиоэлектронной аппаратуры с использованием МКМ-2D сегодня возникает ряд принципиальных трудностей, преодолеть которые с помощью имеющихся технологий невозможно. В первую очередь эти трудности связаны с дальнейшим повышением коэффициента компоновки комплектующих изделий на монтажной подложке. Этот показатель определяется как отношение суммарной площади комплектующих изделий, размещаемых на монтажной подложке, к площади самой подложки.
Проектирование многокристальных модулей МКМ-2D, а тем более малогабаритных МКМ-3D, к которым предъявляются высокие требования по монтажной плотности, помехозащищенности и быстродействию, технически возможно только при использовании современных САПР.
Наиболее перспективными САПР, отвечающими современным требованиям проектирования высокоплотных систем, таких как МКМ-3D, являются программные пакеты компании Mentor Graphics – мирового лидера в области проектирования электронных средств [4]. Именно использование пакетов DxDesigner, Expedition PCB и Hyper Lynx, а также новые технологические решения позволили успешно освоить предлагаемый конструктивно-технологический вариант МКМ-3D. В разработке применены следующие пакеты и программы:
* программный пакет проектирования принципиальных электрических схем, интегрированный с библиотечным и топологическим пакетами и обеспечивающий единую
* среду создания проекта, возможность многовариантного проектирования, задания электрических и топологических ограничений уже на начальных этапах;
* программный пакет проектирования многоуровневых полиимидных монтажных оснований, включающий интерактивную и автотрассировку, "горячую" (в реальном времени) связь с пакетом электрических схем, индивидуальную настройку цепей и областей с заданными ограничениями, трассировку дифференциальных пар и высокоскоростных сигналов, поддержку технологии микропереходов, удобство в работе с экранными областями, качественную проверку топологии в процессе и по окончании проектирования.
При этом обеспечена возможность генерации необходимых данных для производства (включая получение мультизаготовок), для выпуска конструкторской документации в соответствии с ЕСКД и для связи с машиностроительными САПР (включая трехмерное моделирование);
программный пакет предварительного анализа целостности сигналов, перекрестных наводок, электромагнитной совместимости на уровне принципиальной схемы и полный посттрассировочный анализ с учетом параметров, экстрагированных из топологии. Пакет обеспечивает точное моделирование передающих линий с потерями, включая анализ скин-эффекта и потерь в диэлектрике.
Гибкие полиимидные платы весьма перспективны при создании электронных средств, поскольку с их помощью можно получить прецизионные многослойные структуры, способные свертываться в трех плоскостях и принимать форму корпуса сложной конфигурации при монтаже. При этом гибкие платы характеризуются высокими стойкостью к перегибам и ударопрочностью, а также малыми габаритами и массой [3].
Применение гибких плат сокращает монтаж в несколько раз, удешевляет производство на 40–45%, уменьшает вес и габариты изделия на 30–50%.
Широкому внедрению гибких плат способствовали разработка и использование полиимидной пленки с высокой температурой устойчивой работы (до 570К). Кроме того, полиимидная пленка обладает хорошими электрическими и физико-механическими свойствами. Величина тангенса угла диэлектрических потерь (0,002) и диэлектрическая постоянная (~3,0) отвечают требованиям к материалам, используемым при создании быстродействующих систем. Отсутствие существенных газовыделений при термовакуумном воздействии, наряду с высокой химической (возможностью селективного равномерного травления в сильных щелочных средах) и радиационной устойчивостью, делают полиимидную пленку перспективной для создания многокристальных модулей МКМ на основе многослойных плат и бескорпусных СБИС на гибком носителе.
Выбор материала и конструктивно-технологического варианта исполнения МКМ определяет способ проектирования платы. Таким образом, плата первоначально проектируется, как при двумерном (плоском) варианте исполнения (рис.1а), с последующим анализом помехозащищенности в трехмерном исполнении. На этапе сборочно-монтажных операций полиимидную плату со смонтированными на ней микросхемами сворачивают в трехмерную структуру. Результат свертки представлен на рис.1в. Размер МКМ в свернутом виде по монтажной площади не превышает площади одного из используемых кристаллов (максимального) более чем на 20%, а по высоте определяется числом используемых кристаллов, предварительно утоненных до 200 мкм каждый.
Технологии создания коммутационной полиимидной платы и сборки бескорпусных микросхем на гибких носителях отработаны хорошо [3], однако вопросы монтажа БИС на полиимидную плату и обеспечения устойчивости коммутационных соединений к перегибам при свертывании в 3D-конструкцию требуют решения.
В случае, когда применяется тонкая полиимидная пленка (20–40 мкм), обостряется проблема, связанная с температурой при монтаже, так как в такой конструкции тепловой импульс распространяется только по плоскости, а полиимид характеризуется низкой теплопроводностью.
Поэтому очень важно выбрать параметры для монтажа, чтобы избежать некачественного сварного соединения и отслоения контактных площадок (из-за локальной термодеструкции полиимида) и обеспечить высокопрочные соединения. Были получены оптимальные режимы при монтаже БИС в составе МКМ (см. таблицу и рис.2) [5]. При проектировании МКМ очень важно обеспечить устойчивость плат МКМ к многократным перегибам при свертывании в 3D-конструкцию.
Исследование устойчивости шлейфовых участков плат к перегибам проводилось расчетным и экспериментальным путем с использованием регрессионного анализа. Было доказано, что критическим выходным параметром в данной задаче является минимальный радиус кривизны в месте перегиба. Установлено также, что устойчивость плат во многом зависит от соотношения толщин проводящих и изоляционных слоев в конструктиве. При этом такая зависимость является характерной как в области упругой, так и пластической деформаций проводящих слоев [6].
Чтобы улучшить механические параметры многокристального модуля в трехмерном исполнении, на этапе сборочно-монтажных операций шлейфовые участки покрывают по всей длине полуокружности перегиба жестким полиакриловым клеем. В результате удается уменьшить величину напряженно-деформированного состояния до 32,8 МПа, величина же напряженно-деформированного состояния для модуля без применения защитного покрытия составляет 100 МПа. Для улучшения механической прочности трехмерной конструкции остальные участки гибкой платы покрывают герметиком ВК-9 [7, 8].
На основе изложенных принципов проектирования и технологии изготовлен ряд высокоинтегрированных электронных систем, в том числе многокристальные модули статической памяти в 3D-исполнении (рис.3). Так, на базе кристаллов 1537РУ30 (память 256 Кбит – разработка ОАО "НИИМЭ и завод "Микрон") спроектированы и изготовлены многокристальные модули памяти 1 Мбит. На основе кристаллов 1645РУ1У (память 1 Мбит – разработка ЗАО "НПЦ Миландр") спроектированы и изготовлены МКМ памяти 4 Мбит. В настоящее время на основе кристаллов 4 Мбит разрабатывается МКМ-256 Мбит.
С помощью многокристальных модулей в 3D-исполнении, спроектированных и изготовленных по предложенному конструктивно-технологическому решению, удалось в 1,2 раза повысить быстродействие и в 5,4 раза уменьшить габариты по сравнению с аналогами в двумерном исполнении, изготовленными на основе корпусной элементной базы.
Широкий ассортимент электронных модулей и блоков предназначен для наземной и бортовой аппаратуры. Проектирование, в том числе многоуровневых структур, выполняется как на жестких, так и на гибких платах. Творческий коллектив (МИЭТ, ЗАО "НИИМП-Т" и ОАО "Завод "Компонент") открыт для сотрудничества со всеми заинтересованными сторонами в следующих направлениях: выполнение заказных работ, предоставление в аренду лицензионных пакетов ПО, стажировка и повышение квалификации как по проектированию, так и технологии изготовления высокоинтегрированных структур.
Сегодня ведется сотрудничество с такими предприятиями как ФГУП НПЦ "Спурт", ОАО "Завод "Компонент", ЗАО НТЦ "Элинс", ОАО "Ангстрем", ООО "Юник Ай Сиз", ЗАО НПО "Элак".
Литература
1. Anderson J.B., Anderson P.M., Eden M. et al. Advanced Elektronic Packaging / Editid by William D. Brown. – New York: IEEE Press, Inc., 1999. – 791 p.
2. Грушевский А.М. , Блинов Г.А. , Семенин С.Н., Жуков П.А. Многокристальные модули памяти в трехмерном исполнении на полиимидном основании. – МИЭТ, Электроника и информатика – 2005. V Международная научно-техническая конфе¬ренция. Зеленоград, 23-25 ноября 2005 г. – С. 221-222.
3. Грушевский А.М. Сборка и монтаж многокристальных модулей: Уч. пособие / Под ред. Л.А. Коледова. – М.: МИЭТ, 2003. – 196 с.
4. Грушевский А.М., Лохов А.Л., Тимошенков С.П. Учебно-научный центр проектирования Mentor Graphics – МИЭТ". Настоящее и перспективы. – Производство электроники: технологии, оборудование, материалы электроники, 2008, № 1.
5. Семенин С.Н., Жуков П.А., Карвасарный В.В., Грушевский А.М. Особенности технологии прецизионного монтажа на полиимидных платах. – Электроника. Известия высших учебных заведений, 2005, №6, с. 36–40.
6. Погалов А.И., Грушевский А.М., Семенин С.Н., Блинов Г.А. Моделирование и прочностной анализ гибких шлейфов. – Оборонный комплекс. Научно-техническому прогрессу России, 2006, № 1, с. 49–54.
7. Погалов А.И. , Грушевский А.М. , Блинов Г.А., Жуков П.А. Моделирование и прочностной анализ многокристального модуля в трехмерном исполнении. – Оборонный комплекс. Научно-техническому прогрессу, 2007, №2, с. 46–51.
8. Погалов А.И. , Грушевский А.М. , Блинов Г.А. , Жуков П.А. Исследование напряженно-деформированного состояния материалов гибких шлейфов. – Электроника. Известия высших учебных заведений, 2007, №5, с. 13–17.
Конструирование радиоэлектронной аппаратуры с использованием трехмерных многокристальных модулей (МКМ-3D) представляет собой новый этап в развитии способов конструирования и изготовления двумерных многокристальных модулей (МКМ-2D).
Внедрение МКМ-3D в современную аппаратуру позволяет на более высоком качественном уровне решать следующие задачи: увеличение плотности компоновки комплектующих изделий на исходной монтажной подложке; улучшение рабочих характеристик устройства (снижение времени задержки прохождения сигнала по коммутационным связям и, как следствие, значительное увеличение быстродействия); уменьшение стоимости готового изделия [3].
При внедрении способов проектирования радиоэлектронной аппаратуры с использованием МКМ-2D сегодня возникает ряд принципиальных трудностей, преодолеть которые с помощью имеющихся технологий невозможно. В первую очередь эти трудности связаны с дальнейшим повышением коэффициента компоновки комплектующих изделий на монтажной подложке. Этот показатель определяется как отношение суммарной площади комплектующих изделий, размещаемых на монтажной подложке, к площади самой подложки.
Проектирование многокристальных модулей МКМ-2D, а тем более малогабаритных МКМ-3D, к которым предъявляются высокие требования по монтажной плотности, помехозащищенности и быстродействию, технически возможно только при использовании современных САПР.
Наиболее перспективными САПР, отвечающими современным требованиям проектирования высокоплотных систем, таких как МКМ-3D, являются программные пакеты компании Mentor Graphics – мирового лидера в области проектирования электронных средств [4]. Именно использование пакетов DxDesigner, Expedition PCB и Hyper Lynx, а также новые технологические решения позволили успешно освоить предлагаемый конструктивно-технологический вариант МКМ-3D. В разработке применены следующие пакеты и программы:
* программный пакет проектирования принципиальных электрических схем, интегрированный с библиотечным и топологическим пакетами и обеспечивающий единую
* среду создания проекта, возможность многовариантного проектирования, задания электрических и топологических ограничений уже на начальных этапах;
* программный пакет проектирования многоуровневых полиимидных монтажных оснований, включающий интерактивную и автотрассировку, "горячую" (в реальном времени) связь с пакетом электрических схем, индивидуальную настройку цепей и областей с заданными ограничениями, трассировку дифференциальных пар и высокоскоростных сигналов, поддержку технологии микропереходов, удобство в работе с экранными областями, качественную проверку топологии в процессе и по окончании проектирования.
При этом обеспечена возможность генерации необходимых данных для производства (включая получение мультизаготовок), для выпуска конструкторской документации в соответствии с ЕСКД и для связи с машиностроительными САПР (включая трехмерное моделирование);
программный пакет предварительного анализа целостности сигналов, перекрестных наводок, электромагнитной совместимости на уровне принципиальной схемы и полный посттрассировочный анализ с учетом параметров, экстрагированных из топологии. Пакет обеспечивает точное моделирование передающих линий с потерями, включая анализ скин-эффекта и потерь в диэлектрике.
Гибкие полиимидные платы весьма перспективны при создании электронных средств, поскольку с их помощью можно получить прецизионные многослойные структуры, способные свертываться в трех плоскостях и принимать форму корпуса сложной конфигурации при монтаже. При этом гибкие платы характеризуются высокими стойкостью к перегибам и ударопрочностью, а также малыми габаритами и массой [3].
Применение гибких плат сокращает монтаж в несколько раз, удешевляет производство на 40–45%, уменьшает вес и габариты изделия на 30–50%.
Широкому внедрению гибких плат способствовали разработка и использование полиимидной пленки с высокой температурой устойчивой работы (до 570К). Кроме того, полиимидная пленка обладает хорошими электрическими и физико-механическими свойствами. Величина тангенса угла диэлектрических потерь (0,002) и диэлектрическая постоянная (~3,0) отвечают требованиям к материалам, используемым при создании быстродействующих систем. Отсутствие существенных газовыделений при термовакуумном воздействии, наряду с высокой химической (возможностью селективного равномерного травления в сильных щелочных средах) и радиационной устойчивостью, делают полиимидную пленку перспективной для создания многокристальных модулей МКМ на основе многослойных плат и бескорпусных СБИС на гибком носителе.
Выбор материала и конструктивно-технологического варианта исполнения МКМ определяет способ проектирования платы. Таким образом, плата первоначально проектируется, как при двумерном (плоском) варианте исполнения (рис.1а), с последующим анализом помехозащищенности в трехмерном исполнении. На этапе сборочно-монтажных операций полиимидную плату со смонтированными на ней микросхемами сворачивают в трехмерную структуру. Результат свертки представлен на рис.1в. Размер МКМ в свернутом виде по монтажной площади не превышает площади одного из используемых кристаллов (максимального) более чем на 20%, а по высоте определяется числом используемых кристаллов, предварительно утоненных до 200 мкм каждый.
Технологии создания коммутационной полиимидной платы и сборки бескорпусных микросхем на гибких носителях отработаны хорошо [3], однако вопросы монтажа БИС на полиимидную плату и обеспечения устойчивости коммутационных соединений к перегибам при свертывании в 3D-конструкцию требуют решения.
В случае, когда применяется тонкая полиимидная пленка (20–40 мкм), обостряется проблема, связанная с температурой при монтаже, так как в такой конструкции тепловой импульс распространяется только по плоскости, а полиимид характеризуется низкой теплопроводностью.
Поэтому очень важно выбрать параметры для монтажа, чтобы избежать некачественного сварного соединения и отслоения контактных площадок (из-за локальной термодеструкции полиимида) и обеспечить высокопрочные соединения. Были получены оптимальные режимы при монтаже БИС в составе МКМ (см. таблицу и рис.2) [5]. При проектировании МКМ очень важно обеспечить устойчивость плат МКМ к многократным перегибам при свертывании в 3D-конструкцию.
Исследование устойчивости шлейфовых участков плат к перегибам проводилось расчетным и экспериментальным путем с использованием регрессионного анализа. Было доказано, что критическим выходным параметром в данной задаче является минимальный радиус кривизны в месте перегиба. Установлено также, что устойчивость плат во многом зависит от соотношения толщин проводящих и изоляционных слоев в конструктиве. При этом такая зависимость является характерной как в области упругой, так и пластической деформаций проводящих слоев [6].
Чтобы улучшить механические параметры многокристального модуля в трехмерном исполнении, на этапе сборочно-монтажных операций шлейфовые участки покрывают по всей длине полуокружности перегиба жестким полиакриловым клеем. В результате удается уменьшить величину напряженно-деформированного состояния до 32,8 МПа, величина же напряженно-деформированного состояния для модуля без применения защитного покрытия составляет 100 МПа. Для улучшения механической прочности трехмерной конструкции остальные участки гибкой платы покрывают герметиком ВК-9 [7, 8].
На основе изложенных принципов проектирования и технологии изготовлен ряд высокоинтегрированных электронных систем, в том числе многокристальные модули статической памяти в 3D-исполнении (рис.3). Так, на базе кристаллов 1537РУ30 (память 256 Кбит – разработка ОАО "НИИМЭ и завод "Микрон") спроектированы и изготовлены многокристальные модули памяти 1 Мбит. На основе кристаллов 1645РУ1У (память 1 Мбит – разработка ЗАО "НПЦ Миландр") спроектированы и изготовлены МКМ памяти 4 Мбит. В настоящее время на основе кристаллов 4 Мбит разрабатывается МКМ-256 Мбит.
С помощью многокристальных модулей в 3D-исполнении, спроектированных и изготовленных по предложенному конструктивно-технологическому решению, удалось в 1,2 раза повысить быстродействие и в 5,4 раза уменьшить габариты по сравнению с аналогами в двумерном исполнении, изготовленными на основе корпусной элементной базы.
Широкий ассортимент электронных модулей и блоков предназначен для наземной и бортовой аппаратуры. Проектирование, в том числе многоуровневых структур, выполняется как на жестких, так и на гибких платах. Творческий коллектив (МИЭТ, ЗАО "НИИМП-Т" и ОАО "Завод "Компонент") открыт для сотрудничества со всеми заинтересованными сторонами в следующих направлениях: выполнение заказных работ, предоставление в аренду лицензионных пакетов ПО, стажировка и повышение квалификации как по проектированию, так и технологии изготовления высокоинтегрированных структур.
Сегодня ведется сотрудничество с такими предприятиями как ФГУП НПЦ "Спурт", ОАО "Завод "Компонент", ЗАО НТЦ "Элинс", ОАО "Ангстрем", ООО "Юник Ай Сиз", ЗАО НПО "Элак".
Литература
1. Anderson J.B., Anderson P.M., Eden M. et al. Advanced Elektronic Packaging / Editid by William D. Brown. – New York: IEEE Press, Inc., 1999. – 791 p.
2. Грушевский А.М. , Блинов Г.А. , Семенин С.Н., Жуков П.А. Многокристальные модули памяти в трехмерном исполнении на полиимидном основании. – МИЭТ, Электроника и информатика – 2005. V Международная научно-техническая конфе¬ренция. Зеленоград, 23-25 ноября 2005 г. – С. 221-222.
3. Грушевский А.М. Сборка и монтаж многокристальных модулей: Уч. пособие / Под ред. Л.А. Коледова. – М.: МИЭТ, 2003. – 196 с.
4. Грушевский А.М., Лохов А.Л., Тимошенков С.П. Учебно-научный центр проектирования Mentor Graphics – МИЭТ". Настоящее и перспективы. – Производство электроники: технологии, оборудование, материалы электроники, 2008, № 1.
5. Семенин С.Н., Жуков П.А., Карвасарный В.В., Грушевский А.М. Особенности технологии прецизионного монтажа на полиимидных платах. – Электроника. Известия высших учебных заведений, 2005, №6, с. 36–40.
6. Погалов А.И., Грушевский А.М., Семенин С.Н., Блинов Г.А. Моделирование и прочностной анализ гибких шлейфов. – Оборонный комплекс. Научно-техническому прогрессу России, 2006, № 1, с. 49–54.
7. Погалов А.И. , Грушевский А.М. , Блинов Г.А., Жуков П.А. Моделирование и прочностной анализ многокристального модуля в трехмерном исполнении. – Оборонный комплекс. Научно-техническому прогрессу, 2007, №2, с. 46–51.
8. Погалов А.И. , Грушевский А.М. , Блинов Г.А. , Жуков П.А. Исследование напряженно-деформированного состояния материалов гибких шлейфов. – Электроника. Известия высших учебных заведений, 2007, №5, с. 13–17.
Отзывы читателей
