Примеры узлов (электронных модулей) на печатных платах

С точки зрения технологии формирования коммутационных плат (подложек) микросборки могут быть разделены на 3 больших группы:

- коммутационные платы, изготовленные с использованием тонкоплёночной технологии (технологии напыления металлических слоёв, с изоляцией наносимой напылением или поливом);

- коммутационные платы, изготовленные с использованием толстоплёночной технологии получения проводящего рисунка (технологии «зелёной керамики» - LTCC и технологии вжигания паст металлических и изоляционных - HTCC);

- коммутационные платы, изготовленные с использованием спрессованных через склеивающие прокладки фольгированных материалов (традиционная технология многослойных печатных плат, включая технологию послойного наращивания).

К категории микросборок, при изготовлении которых использовалась тонкоплёночная технология в её классическом варианте, следует отнести бесчисленное разнообразие ГИС на ситаловых подложках (для обеспечения точности встроенных резистивных элементов), микросборки Эльбрус 2 разработки ИТМ иВТ на поликоровых подложках (для обеспечения эффективного теплоотвода), микросборок на кремниевой подложке. Варианты этих конструктивов многообразны, упоминались во множестве статей и для стройности изложения хотелось бы повторить их иллюстрации и основные характеристики( рис. 43.1,43.2 и 43.3.)

Рис.43.1, 43.2. Микросборки Эльбрус-2

Рис. 43.3. МКМ по технологии «кремний на кремнии»(с трехмерным расположением кристаллов)

Все эти конструктивные типы микросборок отличают следующие особенности:

• разводка в 2-3 уровнях;
• тонкоплёночные проводники с достаточно высоким погонным сопротивлением в связи с формированием проводниковых слоёв из напылённого алюминия толщиной 1-2 микрона;
• относительно небольшие габариты 48х48 мм максимум;
• возможность формирования прецизионного рисунка;
• отсутствие волновых сопротивлений;
• относительно низкий процент выхода (в связи с затруднительностью восстановления дефектных связей);
• наличие рельефа напыленных структур, яляющихся слабым местом с точки зрения обеспечения надежности;
• необходимость корпусирования и герметизации (из-за того что тонкие слои коррозионно нестойкого алюминия не работают в атмосфере).

К этим типам можно также отнести микросборки на базе технологии Прима и технологии внутреннего монтажа, так как при их изготовлении используется напыление тонких слоёв меди с последующим гальваническим наращиванием и формирование изоляционных слоёв поливом фотоформируемого диэлектрика с последующим шлифованием (технология Прима) либо с использованием различных видов диэлектрика переходы в котором формируются ионноплазменным травлением через маски. ( рис. 44,45)

Рис.44. Вариант компоновки микросборки по технологии «Прима»

Следует отметить, что эти технологии позволяют формировать структуры с встроенными активными элементами (кристаллами ИС) и беспаянными соединениями, что безусловно является их преимуществом, но при этом обладают и рядом технологических недостатков, к которым следует отнести:

Рис.45. Коммутационная плата по технологии внутреннего монтажа

• необходимость решения вопроса точного совмещения встраиваемых кристаллов с коммутационным рисунком;
• наличие в техпроцессе «Прима» операции прецизионного шлифования медных слоев, требующего нестандартного оборудования и инструмента,
• использование в технологии внутреннего монтажа сложных металлических рамок для ионноплазменного травления и напыления.

К безусловным преимуществам технологии внутреннего монтажа следует отнести большую инвариантность в выборе материала подложки и материала межслойной изоляции.

Но при всех перечисленных выше технологических и конструктивных преимуществах и недостатках перечисленные выше варианты конструктивов микросборок на основе тонкопленочной технологии имеют еще один недостаток существенно снижающий их привлекательность для интегрирования в РЭА.

А именно – отсутствие доступных и универсальных САПРов (САD), позволяющих проектировать и встраивать тонкопленочные микросборки в традиционные электронные модули РЭА, в том числе с использованием устройств моделирования.

В последнее время достаточно интенсивно развивается и внедряется технология и конструкция керамических многослойных коммутационных подложек на основе низкотемпературной (температура спекания до 850 ° С) керамики (LTСС)( рис. 46,47), которая во-первых поддерживается пакетами соответствующих CAD и в отличие от технологии с использованием высокотемпературных ( св. 1000°С) процессов спекания позволяет формировать проводники с низким погонным сопротивлением (на основе серебра, золота, меди), а также с нормированным волновым сопротивлением с учетом диэлектрической постоянной на уровне 6-8.

Рис.46. Технология изготовления LTCC подложек

Рис. 47. Пример многослойной LTCC структуры со смонтированными элементами

В настоящее время за рубежом активно обсуждаются и внедряются технологии встраивания активных компонентов в структуру многослойных печатных плат (как традиционную (рис.49), так и послойного наращивания (рис.48)).

Привлекательность этой технологии состоит в том, что она поддержана всей существующей и довольно развитой инфраструктурой печатных плат (технологиями, материалами, СТО, НТД , САПРами и т.д.).

Обладая возможностью также формировать высоконадежные беспаянные соединения эта технология не лишена недостатков, основным из которых является принципиальная необходимость использовать тонкие (утоненные непосредственно перед встраиванием внутрь многослойных печатных плат до 0,08 -0,1мм)кристаллы ИС.

Рис. 48. Многослойная печатная плата послойного наращивания
с встроенными вертикально собранными ИС

Рис.49. Многослойная печатная плата с встроенными
кристаллами ИС (основные технологические операции).

К микросборкам на базе многослойных печатных плат относятся также системы-в-корпусе. Они широко распространены, особенно в конструктиве BGA. ( Рис.50.) При этом в качестве коммутационной платы (интерпозера по номенклатуре IPC) используется 6-ти – 8-ми слойная сверхпрецизионная многослойная печатная плата на материале с низкими размерными изменениями.

Использование системы-в-корпусе позволяет существенно ускорить разработки реализуя функцию и отрабатывая конструкцию используя элементы с меньшей степенью интеграции, переводя систему-в-корпусе в систему-на-кристалле с высокой степенью интеграции после внесения корректив без изменения конструкции электронного модуля в целом.

Рис. 50. «Система-в- корпусе», скомпонованная в конструктиве BGA.

Израильской фирмой МCL разработана коммутационная плата для системы в корпусе на базе технологии ALOX (Рис.51). Эта коммутационная плата представляет собой 3-х слойную коммутационную высоко теплопроводную плату, разводка которой сформирована путем анодирования алюминиевой подложки на заданную глубину по рисунку, с последующим осаждением меди и фотолитографическим формированием прецизионного рисунка (Рис. 52). Эта технология внедрена на Владимирском заводе Точмаш.

Рис.51 Система-в-корпусе на базе технологии АLOX

Рис.52. Коммутационная плата по технологияи ALOX

Интересным развитием технологии система-в-корпусе является направление формирования трехмерных структур на их основе, позволяющее существенно увеличить удельную плотность оборудования внутри электронного модуля.

На рис.53-1, 53-2 показаны наиболее часто встречающиеся компоновочные 3-х мерные схемы типа корпус-на-корпусе (РоР). В IPC проводится активная работа по стандартизации конфигурации посадочных мест и габаритно присоединительных размеров элементов систем корпус-на-корпусе

Рис.52-1, 52-2. Компоновочные схемы корпус-на-корпусе

Разработка конструктивных вариантов электронных модулей и МСБ перечисленных выше является только надводной частью айсберга. Отсутствие системного исследования и анализа их конструктивных и технологических свойств существенно ограничивает их внедрение в практику отечественной разработки РЭА.

Как уже говорилось вероятность внедрения того или иного конструктива существенно зависит от того насколько он поддержан инфраструктурой:

• имеются ли для его реализации доступные расходные и базовые материалы;
• насколько он вписывается в разработанные типовые и специальные техпроцессы;
• имеются ли оснащённые СТО опытные и производственные участки;
• имеются ли в наличии квалифицированные кадры, способные реализовать техпроцессы в соответствии с требованиями системы менеджмента качества.

Другим существенным фактором влияющим на востребованность той или иной конструкции является глубина опробования и отработка воспроизводимости технологических норм, которые могут быть использованы разработчиком. При этом должен быть обязательно реализован встречный процесс: разработки чётких конструктивных требований и доказательство возможности воспроизводимой реализации предлагаемых техпроцессов.

Сочетание этих встречных задач является проблемой, определяющей фактор эффективности развития (в т.ч. и в рамках мировой индустрии).

В нашей стране, по-видимому, он может быть реализован через создание технологических центров в рамках вертикально интегрированных структур.

В части внедрения микросборок такие технологические центры целесообразно разделить на 3 перечисленных выше направления (тонкоплёночная технология, технология многослойной керамики, технология прецизионных многослойных печатных плат) и реализовать их, обеспечив возможность использовать инфраструктуру соответствующих центров компетенции внутри вертикально интегрированных структур.