Сборка и герметизация микросхем и полупроводниковых приборов включает в себя 3 основные операции: присоединение кристалла к основанию корпуса, присоединение выводов и защиту кристалла от воздействия внешней среды. От качества сборочных операций зависят стабильность электрических параметров и надёжность конечного изделия. кроме того, выбор метода сборки влияет на суммарную стоимость продукта.

Присоединение кристалла к основанию корпуса

Основными требованиями при присоединении полупроводинкового кристалла к основанию корпуса являются высокая надёжность соединения, механическая прочность и в ряде случаев высокий уровень передачи тепла от кристалла к подложке. Операцию присоединения проводят с помощью пайки или приклеивания.

Клеи для монтажа кристаллов могут быть условно разделены на 2 категории: электропроводящие и диэлектрические. Клеи состоят из связующего вещества клеи и наполнителя. Для обеспечения электро- и теплопроводности в состав клея как правило вводят серебро в виде порошка или хлопьев. Для создания теплопроводящих диэлектрических клеев в качестве наполнителя используют стеклянные или ке-рамические порошки.

Пайка осуществляется с помощью проводящих стеклянных или металлических припоев.

Стеклянные припои - это материалы, состоящие из оксидов металлов. Они обладают хорошей адгезией к широкому спектру керамики, оксидов, полупроводниковых материалов, металлов и характеризуются высокой коррозионной стойкостью.

Пайка металлическими припоями осуществляется с помощью навесок или прокладок припоя заданной формы и размеров (пре-форм), помещаемых между кристаллом и подложкой. В массовом производстве применяется специализированная паяльная паста для монтажа кристаллов.

Присоединение выводов

Процесс присоединения выводов кристалла к основанию корпуса осуществляется с помощью про-волоки, ленты или жёстких выводов в виде шариков или балок.

Проволочный монтаж осуществляется термокомпресионной, электроконтактной или ультразвуковой сваркой с помощью золотой, алюминиевой или медной проволоки/лент.

Беспроволочный монтаж осуществляется в технологии «перевёрнутого кристалла» (Flip-Chip). Жёсткие контакты в виде балок или шариков припоя формируются на кристалле в процессе создания металлизации.

Перед нанесением припоя поверхность кристалла пассивируется. После литографии и травления, контактные площадки кристалла дополнительно металлизируются. Эта операция проводится для создания барьерного слоя, предотвращения окисления и для улучшения смачиваемости и адгезии. После этого формируются выводы.

Балки или шарики припоя формируются методами электролитического или вакуумного напыления, заполнения готовыми микросферами или методом трафаретной печати. Кристалл со сформированными выводами переворачивается и монтируется на подложку.

Защита кристалла от воздействия внешней среды

Характеристики полупроводникового прибора в сильной степени определяются состоянием его по-верхности. Внешняя среда оказывает существенное влияние на качество поверхности и, соответствен-но, на стабильность параметров прибора. данное воздействие изменяется в процессе эксплуатации, поэтому очень важно защитить поверхность прибора для увеличения его надёжности и срока службы.

Защита полупроводникового кристалла от воздействия внешней среды осуществляется на заклю-чительном этапе сборки микросхем и полупроводниковых приборов.

Герметизация может быть осуществлена помощью корпуса или в бескорпусном исполнении.

Корпусная герметизация осуществляется путём присоединения крышки корпуса к его основанию с помощью пайки или сварки. Металлические, метало-стеклянные и керамические корпуса обеспечива-ют вакуум-плотную герметизацию.

Крышка в зависимости от типа корпуса может быть припаяна с использованием стеклянных при-поев, металлических припоев или приклеена с помощью клея. Каждый из этих материалов обладает своими преимуществами и выбирается в зависимости от решаемых задач

Для бескорпусной защиты полупроводниковых кристаллов от внешних воздействий используют пластмассы и специальные заливочные компаунды, которые могут быть мягкими или твёрдыми после полимеризации, в зависимости от задач и применяемых материалов.

Современная промышленность предлагает два варианта заливки кристаллов жидкими компаундами:

1. Заливка компаундом средней вязкости (glob-top, Blob-top)
2. Создание рамки из высоковязкого компаунда и заливка кристалла компаундом низкой вязкости (Dam-and-Fill).

Основное преимущество жидких компаундов перед другими способами герметизации кристалла за-ключается в гибкости системы дозирования, которая позволяет использовать одни и те же материалы и оборудование для различных типов и размеров кристаллов.

Полимерные клеи различают по типу связующего вещества и по типу материала наполнителя.

Связующий материал

Органические полимеры, используемые в качестве адгезива, могут быть разделены на две основные категории: реактопласты и термопласты. Все они являются органическими материалами, но

существенно отличаются по химическим и физическим свойствам.

В реактопластах при нагреве полимерные цепи необратимо сшиваются в жёсткую трёхмерную сетчатую структуру. Возникающие при этом связи позволяют получать высокую адгезионную способность материала, но при этом ремонтопригодность ограничена.

В термопластичных полимерах не происходит отверждения. Они сохраняют способность к размягчению и расплавлению при нагреве, создавая прочные эластичные связи. Это свойство позволяет использовать термопласты в задачах, где требуется ремонтопригодность. Адгезионная способность термопластичных пластмасс ниже, чем у реактопластов, но в большинстве случаев вполне достаточна.

Третий тип связующего вещества - смесь термопластов и реактопластов, объединяющая в себе

преимущества двух типов материалов. Их полимерная композиция представляет собой взаимопроникающую сеть термопластичных и реактопластичных структур, что позволяет использовать их для создания высокопрочных ремонтопригодных соединений при относительно низких температурах (150 о С - 200 о С).

Каждая система имеет свои достоинства и недостатки. Одним из ограничений в использовании термопластичных паст является медленное удаление растворителя в процессе оплавления. Раньше для соединения компонентов с использованием термопластичных материалов требовалось провести процесс нанесения пасты (соблюдая плоскостность), сушки для удаления растворителя и только затем установки кристалла на подложку. Такой процесс исключал образование пустот в клеящем материале, но увеличивал стоимость и затруднял использование данной технологии в массовом производстве.

Современные термопластичные пасты обладают способностью очень быстрого испарения растворителя. Это свойство позволяет наносить их методом дозирования, используя стандартное оборудование, и устанавливать кристалл на ещё не высушенную пасту. Далее следует этап быстрого низкотемпературного нагрева, во время которого растворитель удаляется, и после оплавления создаются адгезионные связи.

Долгое время имелись сложности с созданием высоко теплопроводящих клеев на основе термопластов и реактопластов. Данные полимеры не позволяли увеличивать содержание теплопроводящего наполнителя в пасте, поскольку для хорошей адгезии требовался высокий уровень связующего вещества (60-75%). Для сравнения: в неорганических материалах доля связующего вещества могла быть уменьшена до 15-20%. Современные полимерные клеи (Diemat DM4130, DM4030, DM6030) лишены этого недостатка, и содержание теплопроводящего наполнителя достигает 80-90%.

Наполнитель

Основную роль в создании тепло-, электропроводящего адгезива играют тип, форма, размер и количество наполнителя. В качестве наполнителя используется серебро (Ag) как химически стойкий материал с наиболее высоким коэффициентом теплопроводности. Современные пасты содержат в себе

серебро в виде порошка (микросферы) и хлопьев (чешуек). Точный состав, количество и размер частиц экспериментально подбираются каждым производителем и в сильной степени определяют теплопроводящие, электропроводящие и клеящие свойства материалов. В задачах, где требуется диэлектрик с теплопроводящими свойствами, в качестве наполнителя используется керамический порошок.

При выборе электропроводящего клея следует принимать во внимание следующие факторы:

• Тепло-, электропроводность используемого клея или припоя
• Допустимые технологические температуры монтажа
• Температуры последующих технологических операций
• Механическая прочность соединения
• Автоматизация процесса монтажа
• Ремонтопригодность
• Стоимость операции монтажа

Кроме того, при выборе адгезива для монтажа следует обращать внимание на модуль упругости полимера, площадь и разность КТР соединяемых компонентов, а также толщину клеевого шва. Чем ниже модуль упругости (чем мягче материал), тем большие площади компонентов и большая разница КТР соединяемых компонентов и более тонкий клеевой шов допустимы. Высокое значение модуля упругости вносит ограничение в минимальную толщину клеевого шва и размеры соединяемых компонентов из-за возможности возникновения больших термомеханических напряжений.

Принимая решение о применении полимерных клеев, необходимо учитывать некоторые технологические особенности этих материалов и соединяемых компонентов, а именно:

• длина кристалла (или компонента) определяет величину нагрузки на клеевой шов после охлаждения системы. Во время пайки кристалл и подложка расширяются в соответствии со своими КТР. Для кристаллов большого размера необходимо использовать мягкие (с низким модулем упругости) адгезивы или согласованные по КТР материалы кристалла/подложки. Если различие КТР слишком велико для данного размера кристалла, соединение может быть нарушено что приведет к отслаиванию кристалла от подложки. Для каждого типа пасты производитель, как правило, даёт рекомендации по максимальным размерам кристалла для определённых значений разницы КТР кристалла/подложки;

• ширина кристалла (или соединяемых компонентов) определяет расстояние, которое проходит растворитель, содержащийся в адгезиве, до того как покинет клеевой шов. Поэтому размер кристалла должен учитываться и для правильного удаления растворителя;

• металлизация кристалла и подложки (или соединяемых компонентов) не обязательна. Обычно полимерные клеи имеют хорошую адгезию ко многим неметаллизированым поверхностям. Поверхности должны быть очищены от органических загрязнений;

• толщина клеевого шва. Для всех адгезива, содержащих тепло- , электропроводящий наполнитель, существует ограничение по минимальной толщине клеевого шва dx (см. рисунок). Слишком тонкий шов не будет иметь достаточно связующего вещества, чтобы покрыть весь наполнитель и сформировать связи с соединяемыми поверхностями. Кроме того, для материалов с высоким модулем упругости толщина шва может ограничиваться различными КТР для соединяемых материалов. Обычно для клеев с низким модулем упругости рекомендуемая минимальная толщина шва составляет 20-50 мкм, для клеев с высоким модулем упругости 50-100 мкм;

• время жизни адгезива до установки компонента. После нанесения адгезива растворитель из пасты начинает постепенно испаряться. Если клей высыхает, то не происходит смачивания и приклеивания соединяемых материалов. Для компонентов малого размера, где отношение площади поверхности к объёму нанесённого клея велико, растворитель испаряется быстро, и время после нанесения до установки компонента необходимо минимизировать. Как правило, время жизни до установки компонента для различных клеев варьируется от десятков минут до нескольких часов;

• время жизни до термического отверждения клея отсчитывается от момента установки компонента до помещения всей системы в печь. При длительной задержке может происходить расслоение и растекание клея, что негативным образом сказывается на адгезии и теплопроводности материала. Чем меньше размер компонента и количество нанесённого клея, тем быстрее он может высохнуть. Время жизни до термического отверждения клея может варьироваться от десятков минут до нескольких часов.

Выбор проволоки, лент

Надёжность проволочного/ленточного соединения в сильной степени зависит от правильного вы-бора проволоки/ленты. Основными факторами определяющими условия применения того или иного типа проволоки являются:

Тип корпуса . В герметичных корпусах используется только алюминиевая или медная проволока, поскольку золото и алюминий образуют хрупкие интерметаллические соединения при высоких темпе-ратурах герметизации. Однако для негерметичных корпусов используется только золотая проволока/ лента, поскольку данный тип корпуса не обеспечивает полную изоляцию от влаги, что приводит к коррозии алюминиевой и медной проволоки.

Размеры проволоки/лент (диаметр, ширина, толщина) более тонкие проводники требуются для схем с малыми контактными площадками. С другой стороны, чем выше ток, протекающий через соединение, тем большее сечение проводников необходимо обеспечить

Прочность на разрыв . Проволока/ленты подвергаются внешнему механическому воздействию в течение последующих этапов и в процессе эксплуатации, поэтому, чем выше прочность на разрыв, тем лучше.

Относительное удлинение . Важная характеристика при выборе проволоки. Слишком высокие значения относительного удлинения усложняют контроль формирования петли при создании прово-лочного соединения.

Выбор метода защиты кристалла

Герметизация микросхем может быть осуществлена помощью корпуса или в бескорпусном исполнении.

При выборе технологии и материалов, которые будут использоваться на этапе герметизации, следу-ет принимать во внимание следующие факторы:

• Необходимый уровень герметичности корпуса
• Допустимые технологические температуры герметизации
• Рабочие температуры микросхемы
• Наличие металлизации соединяемых поверхностей
• Возможность использования флюса и специальной атмосферы монтажа
• Автоматизация процесса герметизации
• Стоимость операции герметизации

В статье приведён обзор технологий и материалов, применяемых для формирования столбиковых выводов на полупроводниковых пластинах при производстве микросхем.

Утверждено редакционно-издательским советом университета

УДК.621.396.6.001.63

Винников, В.В. Основы проектирования электронных средств: учебное пособие: в 2 кн. Кн. 2 / В. В. Винников. – СПб.: Изд-во СЗТУ, 2009. - 223 с.

Учебное пособие разработано в соответствии с требованиями государ-ственных образовательных стандартов высшего профессионального образова-ния.

Во второй книге пособия рассматриваются вопросы, связанные с конст-рукторским проектированием; защитой конструкций ЭС; конструированием ЭС с учетом требований эргономики и дизайна.

Учебное пособие предназначено для студентов специальности 210201.65 - «Проектирование и технология радиоэлектронных средств» и направления подготовки бакалавра 210200.62 - «Проектирование и технология электронных средств», изучающих дисциплину «Основы проектирования электронных средств».

Р е ц е н з е н т ы: В.И.Соколов – д-р физ.-мат. наук, проф., науч. консультант лаб. Физико-технического института РАН; А. Е. Калмыков, канд. физ.-мат. наук, ст. науч. сотр. Физико-технического института РАН.

Ó Северо-Западный государственный заочный технический университет, 2009

Ó Винников В.В., 2009

ПРЕДИСЛОВИЕ

Данное учебное пособие предназначено для студентов специальности 210201.65 - «Проектирование и технология радиоэлектронных средств» и направления подготовки бакалавра 210200.62 – «Проектирование и технология электронных средств». Оно должно помочь им в изучении дисциплины «Основы проектирования электронных средств» цикла общепрофес-сиональных дисциплин (федеральный компонент). Кроме этого, пособие могут использовать студенты специальности 210302.65 – «Радиотехника» и 230101.65 – «Вычислительные машины, комплексы, системы и сети» при изучении дисциплин «Основы конструирования и технология производства РЭС» и «Конструкторско-технологическое обеспечение производства ЭВМ» соответст-венно.

Целью пособия является обеспечение студентов материалом по следующим разделам рабочей программы дисциплины: конструкторское проектирование (конструирование элементов несущих конструкций ЭС; информационные технологии проектирования ЭС); защита конструкций ЭС; конструирование ЭС с учетом требований эргономики и дизайна. Дисциплина «Основы проектирования электронных средств» является логическим продолжением дисциплины «Основы конструирования и надежности ЭС» и связана с дисциплинами «Основы проектирования РЭС» и «Современные методы конструирования и технологии РЭС».

ВВЕДЕНИЕ

Дисциплина «Основы проектирования электронных средств» является логическим продолжением дисциплины «Основы конструирования и надежности ЭС», и, следовательно, весь изученный материал этой дисциплины должен быть использован для ее изучения и углубления знаний по проектированию ЭС (РЭС). С другой стороны, изучаемая дисциплина является основой для более глубокого изучения ряда методик проектирования, и прежде всего поверочных методик расчета конструкций РЭС на допустимость теплового, электромагнитного, механического и других режимов их функционирования, которые будут изучаться на пятом и шестом курсах в дисциплине «Основы проектирования РЭС». В связи с этим рассмотрение указанных методик в изучаемой дисциплине не проводится, и основное внимание уделено конструкторскому проектированию функциональных узлов и модулей, выполняемых печатным способом.

Данное пособие (книга 2) является логическим продолжением учебного пособия «Основы проектирования электронных средств», книга 1 . Поэтому при изучении дисциплины с него и следует начинать.

В данном пособии имеется предметный указатель, библиографический список использованной литературы, а также вопросы для самоконтроля.

1. Конструирование модулей эс

1.1. Конструирование герметичных ячеек и блоков

Общие принципы компоновки элементов конструкции в герме­тичных блоках аналогичны негерметичным конструкциям . Су­щественным отличием является обеспечение необходимой герме­тичности, а также специфика в отводе тепла для создания нор­мальных тепловых режимов в блоке. Широкое применение для охлаждения герметичных блоков нашел метод кондуктивных теплостоков, обеспечивающий наиболее рациональный отвод тепла от применяемых бескорпусных интегральных схем (ИС), интегральных микросхем (ИМС) и микросборок (МСБ).

Все бескорпусные ИС и МСБ в герметичных блоках устанав­ливаются на индивидуальные или групповые теплоотводящие ши­ны, последние, в свою очередь, контактируют с корпусом блока, что и позволяет передавать тепло с элементов на корпус. Снятие тепла с корпуса блока происходит естественной конвекцией, для чего увеличивают поверхность блока за счет его оребрения или принудительным обдувом воздуха по корпусу блока. Для увели­чения рассеиваемой мощности блока внутрь блока вводят возду­ховоды, не нарушающие герметичность корпуса блока. Для урав­нивания тепловых полей элементов, находящихся внутри корпуса блока, в блоке устанавливают вентилятор, который осуществляет внутреннее перемешивание газа, запол-няющего блок. Индивиду­альные и групповые тепловые шины обеспечивают сглаживание теплового поля на подложках бескорпусных ИС и МСБ. Учиты­вая вышеизложенное и тот факт, что применение бескорпусных НС и МСБ увеличивает плотность упаковки элементов и соответ­ственно мощность рассеивания в блоке, конкретные конструкции герметичных блоков и их ячеек значительно отличаются от кон­струкций негерметичных блоков, хотя общий принцип компонов­ки и варианта конструкций блоков (разъемный и книжный) со­храняется.

Расчет количества бескорпусных ИС и МСБ на печатной пла­те ячейки осуществляется по методике определения количества корпусных элементов. Установка бескорпусной МСБ представле­на на рис. 1 . Шаги установки бескорпусных МСБ рекоменду­ется выбирать по табл. 1.

Шаги установки бескорпусных МСБ в зависимости от среднего числа задействованных выводов, при котором возможно применение двусторонних печатных плат с односторонней установкой бес­корпусных МСБ и много-слойных печатных плат (МПП) с двусто­ронней установкой бескорпусных микросборок при числе слоев не менее четырех (для ручного метода проектирования), приведены в табл. 2. Рекомендуемые шаги даны для случая, когда выход­ные контакты бескорпусных МСБ располагаются с двух сторон подложки МСБ.

Рис. 1. Установка бескорпусной МСБ на металлическое основание: 1 и 2 – платы; 3 – основание металлическое; 4 – проводник; 5 – контактная площадка

На рис. 2 представлена разметка посадочных мест под бес­корпусные МСБ. По аналогии с ячейками, выполненными с при­менением корпусных элементов, введем понятие размеров крае­вых полей на печатной плате. Под размерами краевых полей х 1, х 2, у 1 и у 2;, понимаются расстояния от края печатной платы по осям Х и Y до первого ряда контактных площадок для внешних выводов бескорпусных МСБ. Краевое поле у 2 для всех типоразмеров пленочных плат (подложек) бескорпусных МСБ составляет 12,5 мм при применении контрольных колодок с запайкой штырей в металлизированные отверстия или с использованием печатных контактных площадок и 10 мм при применении в качестве элементов контроля одиночных пистонов и контактов.

Минимальные технологические размеры краевых полей печат­ных плат при установке бескорпусных МСБ, округленных до зна­чений, кратных 2,5мм, без учета трассировки печатных проводни­ков, приведены в табл. 3 . При механизированной сборке ячеек на печатных платах предусматриваются краевые поля ши­риной не менее 5 мм. На рис. 3...6 представлены типовые конструкции ячеек герметичных блоков разъемного и книжных вариантов конструкций.

Таблица 1

Шаги установки бескорпусных микросборок на печатные платы ячеек

Шаг установ-ки бескор-пусной микросборки по осям, мм			Размеры пленочной платы бескорпусной МСБ, мм

Примечание : 1- знак плюс (+) соответствует рекомендуемым шагам установки;

Таблица 2

Шаги установки бескорпусных МСБ (БСМБ) в зависимости от среднего числа задействованных выводов

пленочной	Среднее число задействованных выводов в одной БСМБ, мм не более	Шаг установки БСМБ по осям, мм

Рис. 2. Разметка посадочных мест под бескорпусные МСБ

Таблица 3

Краевые поля х 1, х 2 на ПП при установке БСМБ

Рис. 3. Ячейка герметичного блока разъемной конструкции: 1 - платапечатная;2 - микросборка бескорпусная; 3 - шина металлическая; 4 - контакт электрического соединителя

Рис. 4. Ячейка герметичного блока книжной конструкции: 1 -основание металлическое; 2 - микросборка бескорпусная; 3 - воздуховод: 4 - контакт электрический; 5 - плата печатная

Р
ис. 5. Ячейка герметичного блока книжной конструкции с рамой:1 - плата печатная; 2 - шина металлическая; 3 - микросборка корпусная; 4 - контакт печатный

Рис. 6. Ячейка герметичного блока книжной конструкции:

1 - плата печатная; 2 - шина металлическая; 3 – микросборка

Ячейка, приведенная на рис. 3, состоит из металлических шин, к которым пустотелыми заклепками прикрепляется печатная плата. Бескорпусные МСБ непосредственно установлены на металлические шины с двух сторон печатной платы. К торцу одной из сторон печатной платы через металлические шины крепится прижимная планка, имеющая приливы для крепления ячейки в блоке с помощью невыпадающих винтов. С противоположной стороны установлены контакты с помощью развальцовки и пайки в отверстия печатной платы, пред­назначенные для электрического соединения ячейки с объединительной печатной платой блока.

Для отвода тепла от ячейки прижимная планка имеет хороший тепловой контакт с металлическими шинами ячейки. Ячейка, приведенная на рис. 4, со­стоит из П-образного металлического основания, к которому с помощью сварки присоединен воздуховод прямоугольной формы. Воздуховод имеет приливы для крепления и шарнирного соединения ячеек в блоке. Печатная плата ячейки крепится к основанию пустотелыми заклепками. Бескорпусные МСБ непосред­ственно установлены на основании с двух сторон. Элек-трическое соединение ячей­ки с объединительной печатной платой блока выполнено с помощью гибкого печатного кабеля. Для отвода тепла от ячейки основание обладает хорошим тепловым контактом по всей длине с возду-ховодом.

Ячейка, приведенная на рис. 5, состоит из литой рамы, к которой пусто­телыми заклепками крепится печатная плата с установленными на ней с двух сторон металлическими шинами.

Бескорпусные микросборки помещают непосредственно на метал-лические шины. На раме предусмотрены приливы для шарнирного соединения ячеек в блоке. Для крепления ячейки в блоке сделаны переходные втулки, через кото­рые проходят крепежные винты. Электрическое соединение с объединительной печатной платой блока выполнено с помощью гибкого печатного кабеля. Для отвода тепла от ячейки рама обладает хорошим тепловым контактом с шинами ячейки.

Ячейка, приведенная на рис. 6, состоит из печатной платы с бескорпус­ными МСБ, установленными с двух ее сторон на индивидуальные металлические шины. Ячейки имеют петли для шарнирного соединения ячеек в блоке. На пе­чатной плате предусмотрены отверстии для крепления ячейки в блоке с по­мощью винтов. Электрическое соединение ячейки выполнено с помощью объем­ных проводов, которые для предохранения от слома прошиваются через два ря­да неметаллизированных отверстий, находящихся на печатной плате.

На рис. 7 приведена конструкция герметичной ячейки с эле­ментами коммутации и бескорпусными МСБ. Конструкция состо­ит из прямоугольного корпуса, на дно которого наклеена пленка или установлена коммутационная плата. В отверстия на задней стороне корпуса пластмассой запрессованы два гибких кабеля из фольгированного полиимида, на котором методом химического травления сформированы соединительные проводники и контакт­ные площадки. В контактных площадках закрепляются выводы электрического соединителя СНП34. Гибкий кабель помещен между двумя пластмассовыми прокладками, надетыми на выво­ды электрического соединителя. Сверху корпус закрыт крышкой, которая пайкой герметизируется с корпусом ячейки. По бокам корпуса находятся приливы, используемые для установки ячейки в стандартные направляющие БНК2; ячейки крепят винтами. На нижней стороне корпуса ячейки есть углубление для установки штыревых радиаторов, изготовленных из титановой ленты.

Р
ис. 7. Герметичная ячейка с бескорпусными МСБ

На рис. 8 и 9 приведены типовые конструкции герметич­ных блоков с бескорпусными микросборками. Блок герметичной разъемной конструкции (рис. 9) состоитиз набора ячеек на бескорпусных МСБ (см. рис. 3), установленных параллельно передней панели. Корпус блока литой, выполнен из алюминиево­го сплава Ал9. Герметизация блока осуществлена с помощью резиновых прокладок, установленных в пазы корпуса блока, и крепления болтами боковых крышек блока. Корпус и боковые съемные крышки блока оребрены. Для крепления ячеек в блоке на верхней и нижней стенках корпуса предусмотрены групповые направляющие и приливы с резьбовыми втулками. На передней панели размещен разъем, герметизируемый через уплотнительную прокладку, и трубка для откачки воздуха и заполнения сухим азотом. На задней панели корпуса блока расположены штыри-ловители. Внутриблочное электрическое соединение между ячей­ками осуществляется с помощью накидных перемычек, установ­ленных на штыри объединительной печатной платы.

Для улучшения теплового контакта между прижимными план­ками ячеек и оребренной боковой крышкой блока проложена гоф­рированная алюминиевая прокладка.

Рис. 8. Блок герметичной разъемной конструкции: 1 - ячейка; 2 - панель передняя; 3 - стенка; 4 - панель задняя; 5 - крышка боковая

Рис. 9. Блок герметичный книжной конструкции с воздуховодом:1 - ячейка; 2 - панель передняя; 3 - кожух; 4 - плата; 5 - кабель гибкий печатный; 6 - воздуховод

Блок герметичной книжной конструкции с вертикальной осью раскрытия ячеек, представленный на рис. 9, состоит из набора ячеек на бескорпусных МСБ (см. рис. 4), которые установлены пер­пендикулярно к передней панели блока. Передние и задние панели выполнены литьем под давлением из алюминиевого сплава Ал9 и имеют покрытие. Кожух блока сварной, выполнен из титанового сплава с покрытием с последующим горячим лужением припоем ПОС-61. Боковые стенки кожуха имеют ребра жесткости.

Герметизация блока осуществлена пайкой кожуха с передней и задней панелями блока. На передней панели блока расположе­ны разъем, герме-тизируемый через уплотнительную прокладку, трубка для откачки воздуха и заполнения блока сухим азотом, а также отверстия для подвода и отвода воздуха в коллектор воздуховода. На передней панели блока расположены штыри-ловители.

Внутриблочные электрические соединения выполнены с по­мощью гибких печатных кабелей и объединительной печатной платы. Тепло от блока отводится с помощью воздуха, подаваемо­го принудительным способом по герметичным воздуховодам.

Рис. 10. Блок герметичный книжной конструкции с вентилятором: 1 - вентилятор; 2 - панель передняя; 3 - ячейка; 4 - плата объединительная; 5 - кабель гибкий печатный; 6 - панель задняя; 7 - стенка

Блок герметичный книжной конструкции с вертикальной осью раскрытия ячеек (рис. 10) состоит из набора ячеек на бескорпусных МСБ (см. рис. 5), которые установлены перпендикулярно к пе­редней панели блока. Корпус блока сварной. Детали корпуса блока выполнены из материала АМг, передние и задние панели блока - литьем под давлением из алюминиевого сплава Ал9.

Все детали корпуса и панели имеют покрытие. Гермети­зация блока осуществлена пайкой корпуса и передней панели блока.

Герметичный блок книжной конструкции с горизонтальной осью раскрытия ячеек, представленный на рис. 11, состоит из двух ячеек (см. рис. 6) на бескорпусных МСБ, установленных перпендикулярно к панели блока. Рама блока выполнена литьем под давлением из алюминиевого сплава Ал9. Панель и кожух блока сделаны из титанового сплава и имеют покрытие с последующим горячим лужением припоем. Герметизация блока осу­ществлена пайкой кожуха с панелью. В корпусе для фиксации рамы с ячейками имеются упоры, а для крепления ячеек в панели и раме - приливы. На панели ус­тановлены электрические соединители, полученные с помощью глазковых много-выводных соединений, трубка для откачки возду­ха и заполнения сухим азотом и резьбовые штыри-ловители. Внутриблочные электрические соединения выполнены с помощью объ­емных проводов.

Набор рассмотренных НК блоков позволяет решать конструк­торские задачи для широкого ряда разработок аппаратуры . При этом следует иметь в виду, что блоки с общей герметизацией ха­рактеризуются высокой плотностью упаковки элементов.

Рис. 11. Блок герметичный книжной конструкции: 1 - ячейка; 2 - рама; 3 - панель; 4 - провод объемный; 5 – кожух

Герметизация блоков , содержащих бескорпусные ИС и МСБ, осуществляется с целью предотвращения воздействия внешних климатических факторов на бескорпусные элементы, входящие в состав ИС и МСБ, т. е. герметизируют для установления внутри корпуса блока допустимой относительной влажности и состава газового наполнителя, что определяется техническими условиями на входящие в состав блока бескорпусные элементы.

Для создания наиболее благоприятного микроклимата внут­ри корпуса блока внутренний объем блока через откачную труб­ку заполняется инертной средой в виде различных газов или сме­сей газов. Для того чтобы увеличить срок эксплуатации или хра­нения герметичных блоков до профилактического ремонта, внут­ренний объем блока заполняется инертной средой с избыточным давлением не более 12 10 4 Па через откачные трубки(рис.12, а...д ).

Рис. 12. Конструкции откачных трубок: 1 - корпус; 2 - трубка; 3 - втулка; 4 - компаунд; 5 - стакан; 6 - резиновый уплотнитель; 7 -шарик; 8 - штифт

Для создания инертной среды используют сухой азот, который по своим тепловым характеристикам приравнивается к воздуху. Проводятся также работы по использованию в качестве инертной среды различных жидких нетоксичных раст­воров, обладающих теплопроводностью на порядок выше, чем у сухого азота. Однако не всегда полностью изучено влияние этих жидкостей на электрические параметры бескорпусных элементов и соответственно на их надежность.

Герметичность блоков обеспечивается герметизацией их кор­пусов и внешних электрических соединителей, которые устанав­ливаются на лицевой или задней панелях корпуса. Учитывая специфику герметизации корпусов блоков и электрических со­единителей, эти вопросы необходимо рассматривать отдельно.

Герметизация корпусов блоков может осуществляться следую­щими способами: сваркой основания и корпуса блока; паяным де­монтируемым соединением корпуса (основания) с крышкой (ко­жухом) блока; уплот-нительной прокладкой. Выбор способа гер­метизации определяется требо-ваниями, предъявляемыми к бло­кам в зависимости от условий эксплуатации, габарита (объема) блока, а также материалов, используемых в корпусе и в основа­нии блока.

Герметизация с помощью сварки . Вскрытие таких блоков возможно только с помощью механиче­ского снятия сварного шва, что влечет за собой обязательное по­падание металлической пыли на бескорпусные элементы и соот­ветственно их отказ.

Герметизация с помощью пая­ного демонтируемого соединения . К элементам паяного со­единения конструкции блока предъявляются следующие требо­вания: для устранения перегрева блока в момент пайки в элементах конструкции корпуса крышки (вблизи паяного соединения) необ­ходимо предусмотреть тепловую канавку; прокладку следует вы­полнять прямо-угольного сечения из термостойкой резины; диа­метр проволоки должен быть меньше ширины зазора между крышкой и корпусом на 0,1...0,2 мм.

В паяном соединении проволока над прокладкой укладывает­ся по всему периметру соединения. Один из концов проволоки вы­водится через паз в крышке из зоны соединения и обычно укла­дывается в тепловую канавку. Расстояние по всему периметру соединения заполняется легкоплавким припоем. Данное паяное соединение позволяет демонтировать (вскрывать корпус) блока до трех раз.

В целях предотвращения нарушения герметичности блока на­ружная поверхность паяного соединения не должна быть устано­вочной поверхностью блока и все элементы крепления блоков должны располагаться на максимально возможном расстоянии от паяного соединения.

Герметизация с помощью уплотнительных прокладок . Конструктив­ные элементы герметизации корпусов блоков уплотнительными прокладками приведены на рис. 13.

Герметизация и конструкции специальных электрических со­единителей, герметичность которых осуществляется с помощью металлостеклянных соединений, имеют ряд специфических аспек­тов, поэтому этот вопрос следует рассмотреть подробнее. Все металлостеклянные соединения, которые используются при проекти­ровании микросхем, микросборок и герметичных блоков микро­электронной аппаратуры, можно разделить на следующие типы: глазковые, дисковые, окошечные и плоские.

Глазковые соединения применяются при изготовлении цоколей реле, оснований корпусов ИС и МСБ, гермовводов, металлических ножек электровакуумных приборов, вилок штепсельных электри­ческих соединителей и подобных изделий.

Дисковые соединения используются при изготовлении много­контактных токовых вводов, вилок электрических соединителей, узлов электровакуумных приборов, оснований корпусов.

Окошечные соединения применяются при изготовлении окон резона-торов, высокочастотных фильтров и смотровых окон при­боров, необходимых для визуального контроля.

Плоские соединения используются при изготовлении оснований метало-стеклянных корпусов ИС и МСБ с прямоугольным сече­нием выводов.

Рис. 13. Герметизация корпуса блоков уплотнительной прокладкой: 1 - основание блока; 2 - прокладка уплотнительная; 3 - корпус блока; 4 - болт; 5 – гайка

Металлостеклянные соединения в зависимости от используе­мых матери-алов подразделяются на согласованные и несогласо­ванные (сжатые) спаи. Под согласованными спаями понимаются соединения, в которых коэффициенты температурного расширения (КТР) спаиваемых материалов (стекло-металл обоймы) равны или мало отличаются друг от друга. В свою очередь, под несо­гласованными спаями понимаются соединения, в которых КТР спаиваемых материалов (стекло - металл обоймы) резко отлича­ются друг от друга в интервале температур от комнатной до тем­пературы размягчения стекла. Поэтому при проектировании от­дельных узлов микроэлектронной аппаратуры необходимо боль­шое внимание уделять выбору материалов и соответственно их взаимному сочетанию.

Под глазковыми соединениями следует понимать соединения, в которых один или несколько выводов впаяны (оплавлены) в металлическую обойму через индивидуальный для каждого вывода изолятор. Такие варианты конструкций глазковых соединителей представлены на рис. 14 и 15.

Дисковые соединения выполняются в виде согласованных и несогла-сованных спаев (рис. 16 и 17). В дисковом соединении (рис. 16) стеклянный изолятор располагают симметрично по высоте
. Минимальное расстояние между вы­водами и между выводом и стенкой обоймы должно быть не менее 0,8 от диаметра вывода.

Рис. 14. Глазковые одновыводные соединения:

а - конструкция с отбортовкой (или вытяжкой) глазка в тонколистовом металле; б и в - конструкции с пробивкой (или сверлением) глазка в толстостенном металле; 1 - металли­ческая обойма; 2 - вывод (стержень или трубка); 3 - стеклянный изолятор

Рис. 15. Глазковые многовыводные соединения: а - конструкция с отбортовкой глазка в тонколистовом металле: б - конструкция с про­бивкой или сверлением в толстостенном металле; 1 - металлическая обойма; 2 - вывод (стержень или трубка); 3 - стеклянный изолятор

Окошечные соединения могут быть выполнены методом непо­средственного спаивания стекла с металлом или при помощи легкоплавкой эмали.

Под плоскими соединениями следует понимать соединения, в которых металлические детали спаяны со стеклом по плоской поверхности.

Рис. 16. Дисковые соединения. Рис. 17. Дисковые соединения.

Согласованный спай: 1 - Несогласованный спай: 1 –

металлическая обойма; 2 - вывод; 2 – металлическая обойма;

вывод; 3 – стеклянный изолятор 3 – стеклянный изолятор

Технология монтажа на поверхность не нова, но в отечественной литературе она, к сожалению, освещена недостаточно полно. Предлагаемый ряд статей, посвященный этой тематике, поможет читателям более глубоко разобраться в особенностях технологий монтажа электронных модулей. В данной статье описан ряд конструкций типичных электронных модулей и особенности технологического процесса сборки каждого их типа.

Современные электронные компоненты

Тип монтажа модулей определяется в первую очередь количеством сторон, на которые осуществляется монтаж (одно- или двусторонний), и номенклатурой используемых компонентов. Поэтому описание типов монтажа логично предварить кратким обзором компонентов и корпусов. Основным, наиболее важным для технолога критерием разделения электронных компонентов на группы является метод их монтирования на плату - в отверстия или на поверхность. Именно он в основном и определяет технологические процессы, которые необходимо использовать при монтаже.

В таблице приведена информация по наиболее распространенным корпусам компонентов: названия, изображения, габариты, шаг выводов. Все размеры, за исключением особо оговоренных, приведены в милах (1 mil = 0,0254 мм).

Рис. 1. ТНТ-компоненты

Рис. 2. SMD-компоненты

Таблица

Компоненты, монтируемые в отверстия
Группа	Типы корпусов в группе	Габариты корпусов	Шаг выводов	Рис.
С одним рядом выводов - SIL	TO-92TO-202, TO-220 и др.	380x190, 1120x135,420x185…	100 мил	Рис. 1, а
С двумя рядами выводов - DIL	MDIP, CerDIP	250x381…577x2050	100 мил	Рис. 1, б
С радиальными выводами	TO-3, TO-5, TO-18	-	-	Рис. 1, в
С осевыми выводами		-	-	Рис. 1, г
Решетки - Grid	CPGA, PPGA	286x286…2180x2180 мил	20…100 мил	Рис. 1, д
Компоненты, монтируемые на поверхность
С двумя рядами выводов - DIL	«SOT-23, SSOP, TSOP, SOIC»	55x120…724x315 мил	25…30 мил	Рис. 2, а-б
С выводами по сторонам квадратного корпуса - Quad Package	LCC, CQJB, CQFP, CerQuad, PLCC, PQFP	350х350 мил …20x20 мм	50 мил…0,5 мм	Рис. 2, в
Решетки - Grid	BGA, uBGA	-	0,75 мм (uBGA)	Рис. 3, а-б

Наиболее интересны с практической точки зрения, по мнению автора, корпуса BGA, а точнее mBGA, которые имеют 672 вывода с шагом 0,75 мм. Верхняя часть корпуса BGA не представляет особого интереса, более примечательными являются его нижняя часть и внутреннее устройство этой упаковки компонентов. На рис. 3, а изображена нижняя поверхность корпуса BGA, на которой видны шариковые выводы, а на рис. 3, б - вид этого корпуса в разрезе.

Рис. 3. Корпус BGA

Приведенный выше краткий обзор современных компонентов дает представление о том, насколько велико число возможных вариантов реализации монтажа модулей при различном расположении их на плате. Кроме того, в обзоре не была представлена еще одна группа - группа нестандартных компонентов (odd form components).

Виды монтажа можно разделять по различным параметрам: по количеству используемых для монтажа сторон платы (одно- или двусторонний), по типам используемых компонентов (поверхностный, выводной или смешанный), по их расположению на двустороннем модуле (смешанно-разнесенный или смешанный). Рассмотрим наиболее распространенные из них, а также последовательность технологических операций для каждого вида монтажа.

Виды монтажа

Поверхностный монтаж

Поверхностный монтаж на плате может быть односторонним и двусторонним. Число технологических операций при этом виде монтажа минимально.

При одностороннем монтаже (рис. 4, а) на диэлектрическое основание платы наносят припойную пасту методом трафаретной печати. Количество припоя, наносимое на плату, должно обеспечивать требуемые электрофизические характеристики коммутируемых элементов, что требует соответствующего контроля. После позиционирования и фиксации компонентов выполняют операцию пайки путем оплавления дозированного припоя. В завершение технологического цикла производится контроль паяных соединений, а также функциональный и внутрисхемный контроль. На рис. 4, а изображены поверхностно-монтируемые компоненты различных видов: относительно сложно монтируемые компоненты в корпусах PLCC и SOIC и легко монтируемые чип-компоненты.

Рис. 4. а,б

Для двустороннего поверхностного монтажа (рис. 4, б) возможны различные варианты реализации. Один из них предполагает начало технологического процесса с операции нанесения паяльной пасты на нижнюю сторону платы. Затем в местах установки компонентов наносят расчетную дозу клея и производят установку компонентов. После этого в печи клей полимеризуется и происходит оплавление пасты припоя. Плата переворачивается, наносится паста припоя и устанавливаются компоненты на верхнюю сторону платы, после чего верхняя сторона оплавляется. В этом случае для пайки компонентов используются печи с односторонним нагревом.

При другом варианте реализации двустороннего поверхностного монтажа используются печи с двусторонним нагревом.

Интересен вопрос о необходимости нанесения клея на плату. Эту операцию выполняют с целью предотвращения отделения компонентов от платы при ее переворачивании. Существующие расчеты показывают, что большинство компонентов не упадут с платы даже при ее переворачивании, поскольку будут держаться за счет сил поверхностного натяжения припойной пасты. По этой причине операцию нанесения клея нельзя отнести к обязательным.

Смешанно-разнесенный монтаж

При смешанно-разнесенном монтаже компоненты, устанавливаемые в отверстия (THT-компоненты), располагаются на верхней стороне платы, а компоненты для поверхностного монтажа - на нижней. В этом случае обязательной является операция пайки двойной волной припоя. Смешанно-разнесенный монтаж компонентов показан на рис. 5.

Рис. 5. Смешанно-разнесенный монтаж

Реализация такого вида монтажа предполагает следующую последовательность операций: на поверхность платы наносится дозатором клей, на который устанавливаются SMD-компоненты, клей полимеризуется в печи, после чего производится установка компонентов в отверстия, промывка модуля и выполняются операции контроля.

Возможен альтернативный вариант, при котором сборку начинают с установки компонентов в отверстия платы, после чего размещают поверхностно-монтируемые компоненты. Он применяется тогда, когда формовка и вырубка выводов обычных компонентов осуществляется при помощи специальных приспособлений заранее, иначе компоненты, монтируемые на поверхность, будут затруднять обрезку выводов, проходящих через отверстия платы. Компоненты для поверхностного монтажа при повышенной плотности их размещения целесообразно монтировать в первую очередь, что требует минимального количества переворотов платы в процессе изготовления изделия.

Смешанный монтаж

Примером смешанного монтажа является установка на верхней стороне платы и SMD-, и ТНТ-компонентов (монтируемых в отверстия), а на нижней стороне - только SMD-компонентов. Это самая сложная разновидность монтажа (рис. 6).

Рис. 6. Смешанный монтаж

Возможны различные варианты ее реализации. При одном из них сначала на нижнюю сторону печатной платы методом дозирования наносят клей, а на нанесенный клей устанавливают SMD-компоненты. После проведения контроля установки компонентов проводят отвердение клея в печи. На верхнюю сторону платы наносится паяльная паста, а на нее затем устанавливаются SMD-компоненты. Нанесение паяльной пасты возможно как методом трафаретной печати, так и методом дозирования. В последнем случае операции нанесения клея и паяльной пасты можно проводить на одном оборудовании, что сокращает затраты. Однако нанесение паяльных паст методом дозирования непригодно при промышленном производстве из-за низкой скорости и стабильности процесса по сравнению с трафаретной печатью и оправдано только в условиях отсутствия трафарета на изделие или нецелесообразности его изготовления. Такая ситуация может сложиться, например, при опытном производстве большой номенклатуры электронных модулей, когда из-за большого числа обрабатываемых конструктивов и малых серий затраты на изготовление трафаретов значительны.

После установки SMD-компонентов на верхнюю сторону платы производится их групповая пайка методом оплавления припойной пасты, нанесенной на трафаретном принтере, или методом дозирования. После этой операции технологический цикл, связанный с установкой поверхностно монтируемых компонентов, считается завершенным.

Далее, после ручной установки компонентов в отверстия платы производится совместная пайка всех SMD-компонентов, ранее удерживавшихся на нижней стороне платы при помощи отвержденного адгезива и уже установленных выводных компонентов.

В конце технологического цикла выполняют операции визуальной инспекции пайки и контроля.

При другом варианте реализации смешанного монтажа предполагается иная последовательность выполнения операций. Первым этапом является нанесение припойной пасты через трафарет, установка на верхней стороне платы сложных компонентов для поверхностного монтажа (SO, PLCC, BGA) и пайка расплавлением дозированного припоя. Затем, после установки компонентов в отверстия платы (с соответствующей обрезкой и фиксацией выводов), плата переворачивается, на нее наносится адгезив и устанавливаются компоненты простых форм для поверхностного монтажа (чип-компоненты, компоненты в корпусе SOT). Они и выводы компонентов, установленных в отверстия, одновременно пропаиваются двойной волной припоя. Возможно также использование в составе одной линии оборудования, обеспечивающего эффективную пайку компонентов (с верхней стороны платы) расплавлением дозированного припоя и пайку (с нижней стороны платы) волной припоя.

Необходимо отметить, что в технологическом процессе, реализующем смешанный монтаж, возрастает количество контрольных операций из-за сложности сборки при наличии компонентов на обеих сторонах платы. Неизбежно возрастают также количество паяных соединений и трудность обеспечения их качества.

Односторонний выводной и поверхностный монтаж

Такая технология носит в мировой практике название технологии оплавления припойных паст (reflow) и является одной из стандартных в технологии монтажа на поверхность (рис. 7).

Рис. 7. Односторонний монтаж SMD и ТНТ

Сборка модулей такого типа осуществляется следующим образом: на поверхность платы наносится припойная паста, на которую устанавливают SMD-компоненты; затем паста оплавляется в печи, устанавливаются THT-компоненты, проводится пайка волной припоя, после чего осуществляют промывку и контроль собранного модуля.

Односторонний выводной монтаж

Технология сборки таких печатных плат (рис. 8) является стандартным сборочно-монтажным циклом с применением пайки волной припоя. Этот цикл состоит из операций установки выводных компонентов, их пайки на установке пайки волной и контрольных операций. Установка компонентов может быть как ручной, так и полуавтоматической. Выбор оборудования определяется требуемой производительностью. Автоматизация такого типа монтажа является минимальной, а сама реализация - предельно простой.

Рис. 8. Односсторонний монтаж ТНТ

Данная публикация является первой статьей из цикла, посвященного поверхностному монтажу. Логичным ее продолжением станет освещение вопроса состава производственной линии, на которой реализуется этот вид монтажа: необходимость каждого вида оборудования, его технические характеристики и роль в технологическом процессе, требуемый состав персонала и его квалификация, а также другие вопросы, возникающие при создании сборочно-монтажного производства.

Литература

1. Schmits J., Heiser G., Kukovski J. Взгляд в будущее. Технологические тенденции развития электронных компонентов и сборки электронных модулей на печатных платах. Перевод и адаптация А. Калмыкова. Компоненты и технологии, № 4, 2001.
2. www.pcbfab.ru.

Автор выражает благодарность Р. Тахаутдинову за помощь в подготовке иллюстраций.