1. Technológia povrchovej montáže
Technológia povrchovej montáže ( SMT - Surface Mouting Technology) predstavuje
komplexné riešenie montáže, osadzovania a prepojovania bezvývodových, alebo vývodových
súčiastok na podložke. Pripojovanie súčiastok prebieha technológiou spájkovania vlnou,
pretavením alebo technológiou Flip-Chip. Výhodou tejto technológia je, že súčiastky majú
miniatúrne puzdra, ktoré poskytujú vynikajúcu mechanickú odolnosť a nevyžadujú tvarovanie
vývodov. Navyše je táto technológia primárne určená pre automatizovanú výrobu pomocou
osadzovacej linky.
„Electronic packaging“ predstavuje výrobné technológie nutné k tomu, aby vznikol
funkčný celok s nasledujúcimi postupmi:
• technológia
návrhu
z hľadiska
elektrického,
tepelného,
mechanického,
materiálového a ďalších hľadísk,
• technológia pripevnenia čipu na základňu puzdra,
• technológia elektrického pripojenia čipu k prepájacím dráham na základni puzdra,
• technológia výroby a aplikácia ochranného krytu ako mechanickej ochrany a
ochrany pred vplyvmi okolitého prostredia .
Puzdro zaisťuje
mechanickú pevnosť a ochranu pred vonkajšími vplyvmi. Pre správne
rozhodnutie o materiály ochranného krytu puzdra je potrebné poznať ich vlastnosti v daných
klimatických podmienkach . Puzdrenie do kovových alebo keramických puzdier by vyriešilo
väčšinu problémov spojených s klimatickou odolnosťou puzdier. Pre úspech na trhu nie sú
podstatné len technické parametre, ale i cena a hmotnosť obvodov. Preto sa hľadajú vždy také
riešenia, ktoré vedú k minimálnej cene pri splnení požadovaných technických parametrov
kladených na puzdro. Takéto riešenie vedie k puzdreniu do plastickej hmoty, pretože
puzdrenie do kovových alebo keramických puzdier je výrazne drahšie .
1
2. Pasívne prvky pre technológiu povrchovej montáže
Rezistory - sú pripravované na keramických podložkách ako tenké vrstvy obvykle
naprašovaním, alebo ako hrubé vrstvy pomocou sieťotlače. Nominálna hodnota je nastavená
laserom. Povrch býva pokrytý glazúrou ako ochrana pred okolitou atmosférou.
Kondenzátory keramické – sú najčastejšie zložené z niekoľkých vrstiev kondenzátorovej
keramiky
Kondenzátory elektrolytické – Vždy sa jedná o konštrukciu s tuhým elektrolytom. Prednosť
majú kondenzátory tantalové, pretože majú vyššiu tepelnú odolnosť.
U pasívnych prvkov prevládajú puzdra tvaru kvádra, ktoré sčasti nahradili valcový model
MELF. Tantalové, elektrolytické kondenzátory a iné pasívne súčiastky často majú špeciálne
tvary puzdier. Rezistory a kondenzátory MELF sú lacnejšie než puzdra v tvare kvádra,
vyžadujú však špeciálnu manipuláciu počas montáže. Najväčšou nevýhodou súčiastok MELF
je, že majú sklon schádzať zo svojich spájkovacích plôšiek počas montáže.
Chip
MELF
Tantalový kondenzátor
Obr.1 Typy puzdier pasívnych súčiastok
Vlastný vývoj SMD ( Surface Mouting Devices) rezistorov a kondenzátorov je určovaný
prevažne trendom k miniaturizácií. Modely 1206 a 0805 sú v stále väčšej miere nahradzované
menšími modelmi 0603 a 0402 a v poslednom období 0201. Model 0201 je poslednou
požiadavkou súčastného priemyslu. Extrémny vzrast funkčnosti bez rastúcej veľkosti
vyrábaných finálnych zariadení je hlavným dôvodom miniaturizácie súčiastok. Spektrum
typu puzdier zďaleka nekončí kvádrovými alebo valcovými tvarmi. Podľa druhu elektrických
2
vlastnosti existujú aj ďalšie modely SMD. Dnes je už málo súčiastok, ktoré nemajú svoj
ekvivalent v SMD.
L
W
Označenie
Veľkosť (L x W)
0201
0402
0603
0805
1206
0,6 x 0,3 mm
1,0 x 0,5 mm
1,5 x 0,8 mm
2,0 x 1,2 mm
3,2 x 1,6 mm
L-dĺžka, W-šírka
Tab.1 Rozmery rezistorov pre SMT
3.Polovodičové súčiastky pre technológiu povrchovej montáže
Súčiastky určené pre povrchovú montáž sa dodávajú ako sypaný materiál v tyčových, alebo
pásových zásobníkoch, z ktorých sú odoberané osadzovacím zariadením. V princípe môžeme
puzdra rozdeliť na vývodové a bezvývodové. Do prvej skupiny môžeme zaradiť napr. puzdra
typu SO (Small Outline), FP (Flat Pack), QFP (Quad Flat Pack), PLCC (Plastic Leadless Chip
Carrier), PGA (Pin Grid Array). Druhú kategóriu tvoria puzdra napr. typu MELF, LCCC
(Leadless Ceramic Chip Carier).
MELF (Metal Electrode Face Bonding) — predstavujú valcové, alebo štvorhranné puzdra
vrstvových odporov na korundovom substráte, viacvrstvových kondenzátorov a cievok v
plastickom a diód v sklenenom puzdre.
3
Obr. 2 Príklady niektorých typov puzdier používaných v technológii povrchovej montáže
(nezobrazujú vzájomný pomer veľkostí puzdier)
LCCC (Leadless Ceramic Chip Carrier) — bezvývodové keramické nosiče niekoľkých
čipov určené pre osadenie do objímok, alebo priame prispájkovanie typu reflow.
SO (Small Outline) — ploché plastové puzdra s páskovými vývodmi „L“ pre osadenie čipmi
diód a tranzistorov (SOD (Small Outline Diode), SOT (Small Outline Transistor)), prípadne
integrovaných obvodov (SOIC (Small Outline Integrated Circuit)) , SOJ sú puzdra SO
s vývodmi „J“, TSOP ( Thin Small Outline Package)- tenkovrstvové puzdra.
4
FP (Flat Packs) — puzdra s hustejšie osadenými jemnejšími páskovými vývodmi .
Modifikáciu predstavuje QFP (Quad Flat Packs) čo sú puzdra typu FP s vývodmi po všetkých
štyroch stranách v plastových (PQFP), alebo keramických (CQFP) modifikáciách.
PLCC (Plastic Leaded Chip Carrier) — plastové puzdra s vývodmi tvaru „J“ určené pre
osadenie do objímok alebo priame prispájkovanie typu reflow.
PGA (Pin Grid Array) — ploché keramické puzdra s poľom vertikálnych pinových vývodov
pre zasunutie do objímok s minimálnou zasúvacou silou, alebo do prekovených dier
technológiou THT (Through Hole Technology). Puzdra sú určené pre osadenie VLSI čipmi s
vysokým počtom vývodov.
CSP (Chip Scale Package) – puzdra, ktoré len o málo presahujú rozmery čipu (jeho rozmery
sú maximálne o 20 % väčšie ako rozmery čipu).
Ďalší vývoj technológie puzdrenia sa uberal smerom efektívneho a spoľahlivého puzdrenia
čipov s dôrazom na minimalizáciu rozmerov osadenej súčiastky. Z tejto oblasti je potrebné
spomenúť nasledovné technológie:
BGA (Ball Grid Array) — modi.kácia puzdra PGA s poľom pretavovacích spájkových
kontaktov a jej modifikácia mBGA (mini BGA), čo je kremíkový, niekedy keramický
(CBGA) alebo laminátový nosič (PBGA) jedného alebo niekoľkých čipov s pozlátenými
kontaktami v 0,254, alebo 0,508 mm rozstupe, µBGA – možnosť montáže na úrovni čipu.
DTCP (Dual in line Tape Carrier Package) — 0,5 mm tenké puzdro s čipom osadzovaným
prostredníctvom technológie TAB a klasickými páskovými vývodmi profilu L pre plošnú
montáž. Modi.kácia tohoto puzdra sa označuje ako Ultra Thin TCP, čo je 0,4 mm tenké
puzdro DTCP.
SlimCase (mini Ultra Thin Package) — je najtenším vyrábaným puzdrom s hrúbkou 0,3–
0,5 mm. Jeho veľkosť je redukovaná takmer na veľkosť neseného čipu a vykazuje takmer
minimálne dosiahnuteľné elektrické parazitné parametre.
Najjednoduchšie puzdro integrovaného obvodu klasickej technológie je dvojradové puzdro
DIL s rozostupom 1,27 mm. Toto prevedenie je vhodné do počtu kontaktov 20. Pri väčšom sa
už neúmerne zväčšuje dĺžka puzdra. Ďalšia možnosť je umiestniť vývody na všetky štyri
5
strany. Prvým z SMD , ktoré nahradilo tento typ puzdra je SOIC ( Small Outline Integrated
Circuit ), označovaný ako puzdro SO a majú v porovnaní s DIL asi 1/3 plochy. Do tejto
kategórie je možné zaradiť tzv.VSO (Very Small Outline ), ktoré majú rozostup 0,762 mm,
a SSOP ( Shrink Small Outline Package) s rozostupom 0,65 s hrúbkou 2,4 mm alebo 1,75
mm. TSSOP ( Thin Shrink Small Outline Package )sú v prevedení výšky puzdra do 1 mm
a rozostupom 0,5 mm.
PLCC (Plastic Leaded Chip Carier) sú plastové puzdra s rozostupom 1,27 mm. Sú veľmi
vhodné pre osadzovanie do pätic a sú odolné proti poškodeniu kontaktov. LCCC (Leadless
Ceramic Chip Carrier) sú keramické bezvývodové puzdra. Základňu tvorí keramická doštička
na ktorej je umiestnený vlastný čip. Puzdra FP ( Flat Pack) alebo QFP (Quad Flat Pack) sú pre
vývody L. Medzi poslednú
rodinu puzdier patrí LGA (Land Grid Array ), ktorého
konštrukcia vychádza z vývodových puzdier PG (Pin Grid) u ktorých sú vývody nahradené
výstupkami pokrytými spájkou. Ďalším typom je BGA . Vývody sú tvorené guličkami spájky
na spodnej strane. Spájka má vyššiu teplotu tavenia.
Analýza jednotlivých skupín puzdier ukazuje, že najviac sa najviac sa vytrácajú klasické
puzdra DIP ( Dual In-line Package ) a sú nahradzované predovšetkým puzdrami SO. Okrem
skupín puzdier klasických a SMD existuje tzv.“ metóda
priameho pripojenia , ktorá sa
používa pri spracovaní holých čipov - pripjenie čipu a následne kontaktovanie, napr. TAB (
Tape Automated Bonding) nezapuzdrený čip na filomovom nosiči, montáž lícnych čipov (
Flip- Chip).
Rozsah ich aplikácií sa výrazne zvyšuje. Na druhej strane si je potrebné uvedomiť, že táto
technológia nie je jednoduchá. Ako alternatívu možno použiť napr .tenkovrstvové puzdra typu
TSOP .
Vývojová cesta puzdier s veľkým počtom vývodov začína u puzdier PGA
a pokračuje
u puzdier BGA. Posledný vývoj puzdier ide troma smermi rozvoja. Prvé – puzdra s vysokým
počtom vývodov napr. pre oblasť výpočtovej techniky. Druhé – čipy montované na dosku
plošných spojov, sú určené tam ,kde sa kladie dôraz na výsledný rozmer. Tretie –
tenkovrstvové puzdra -
tie zlučujú výhody oboch vyššie uvedených a sú rozumným
kompromisom.
6
rozostup vývodov integrovaných obvodov
2,54 mm
2
m
7m
PL
CC
1,2
1000
DIP
plocha púzdra/mm
1200
800
600
0,5
0,8
mm
0 ,6
400
m
P
QF
0,4
0, 3
S
1,2O
7
200
5m
mm
mm
mm
TAB,COB,Flip/Chip
0
0
20
40
60
80
100
120
140
160
počet kontaktov
Obr.3 Závislosť medzi počtom kontaktov a plochou puzdra v rôznych skupinách puzdier
Ďalším prvkom porovnania puzdier môže byť vzťah medzi plochou puzdra a počtom vývodov
(obr.3). Vývoj zapuzdrených SMD sa zastavil na hranici rozostupu 0,3 mm a pokračuje
spracovaním nezapuzdrených čipov.
Puzdra integrovaných obvodov sa líšia vývodmi. Tri kategórie vývodov charakterizujú celú
škálu SMD puzdier integrovaných obvodov. Rozdiely sú v počte kontaktov, veľkosti
a materiálu, z ktorého sú vyrobené ( plast alebo keramika ). Vo výrobe sa ustálili
predovšetkým tvary vývodov „J“ a „L“ a ploché vývody.
Ak sa jedná o malé pasívne súčiastky v čipovom prevedení, používajú sa pokovené vývody.
V prípade integrovaných obvodov sa používajú prevažne vývody L a J. Vývody J sú určené
predovšetkým pre obvody do pätice a sú veľmi odolné proti poškodeniu (tab.2)
7
Pokovený vývod
Vývod v tvare „L“
Vývod v tvare „J“
Obr. 4 Niektoré vývody súčiastok pre technológiu povrchovej montáže
4. Kritéria výberu puzdra SMD integrovaného obvodu
Vzhľadom k veľkému počtu prevedení puzdier integrovaných obvodov, ktoré sú na trhu, je
dôležité, aby konštruktéri elektronických zariadení stanovili správnu špecifikáciu puzdra.
Nesprávny výber môže mať za následok zbytočné zvýšenie nákladov, obmedzenú dostupnosť
a zníženú výťažnosť procesu montáže. Podmienkou správneho výberu sú nasledujúce
požiadavky: spoľahlivosť, cena puzdra ( súčiastky ), rozmery puzdra a cena montáže.
5. COB ( Chip on Board ) - technológia pripájania čipov na substrát
Z technológie vyplýva, že nie je možné ručné osadzovanie, ale len špeciálnymi automatmi.
Boli realizované rôzne techniky pre montáž holého polovodičového čipu priamo na organickú
dosku s plošnými spojmi. Patrí sem pripojenie čipu a následne kontaktovanie, technológia
TAB a pripojenie lícneho čipu ( Flip-Chip ). Technológia čipu na doske sa používa
predovšetkým vo veľkosériových aplikáciách, kde je možné uplatniť nákladnú technológiu.
5.1. Kontaktovanie holých čipov.
Holý čip sa pomocou vhodného lepidlá pripevni priamo na substrát a vývody sa
kontaktovaním prepoja s topológiou obvodu. Pripojený čip je potom chránený spravidla
nanesením ochranného povlaku, ak je potrebná hermetičnosť, je možné použiť samostatné
kovové puzdro.
8
Montáž čipu a kontaktovanie na doske plošných spojov sa líši od podobných techník na
hybridných obvodoch v niekoľkých aspektoch. Najdôležitejším je podstatne nižšia teplota,
ktorú podložka znesie. Drôtové spoje na keramických podložkách spravidla používajú zlatý
drôt, pripojený k podložke termokompresným alebo termosonickým procesom pri teplotách
200 – 350 °C. Väčšina organických materiálov takéto vysoké teploty neznáša, takže výber
materiálov a prepojovacej techniky je nesmierne dôležitý.
Všeobecne sa dáva prednosť polyimidovým materiálom, pretože znášajú vyššiu teplotu a je
možné zlatý drôt spoľahlivo pripojiť k spájkovacím plôškám pomocou termosonického
procesu pri teplotách okolo 150 °C. Pri skloepoxidových doskách je možné použiť
kontaktovanie ultrazvukom.
5.2 Technológia TAB ( Tape Automated Bonding )
V technológií TAB sa ako prepojenie medzi polovodičovým čipom a doskou plošných spojov
používajú leptané páskové vodiče. Páskové vodiče spoločne s čipom sú umiestnené na
plastovom nosiči, väčšinou polyimidovom, v tvare pásu s perforáciou ( podobne ako film ).
pokovená kontaktná plôška
kremíkový čip
Umiestnenie čipu na plastový pás
polovodičový čip
kontaktné plôšky
s pretavovacími kontaktami
nástroj na pripájanie
vnútorných vodičov
montážny rámček TAB
zapúzdrenie čipu
vyrezanie čipu z pásu
a tvarovanie vývodov
Umiestnenie čipu na dosku plošného spoja
nástroj na tvarovanie vývodov
doska plošných spojov
pripojenie čipov k doske
plošných spojov
nástroj na pripojenie
vonkajšieho vodiča
pripojenie vonkajšieho vodiča
doska plošných spojov
ť
Postupnos operácií montáže TAB
Obr. 5 Technológia TAB
9
Páskové vodiče sa vytvoria nanesením tenkej vrstvy medi na plastový nosič a jeho odleptaním
do tvarov vývodov. Pripojenie vnútorných vodičov sa vytvorí termokompresným spojením
vývodov s čipom. K vytvoreniu všetkých pripojení súčasne slúži špeciálny nástroj. Po
pripojení vnútorných vodičov sa čipy chránia pred mechanickým poškodením zapuzdrením
do ochranného epoxidového povlaku. Čipy na nosiči sú takto pripravené k montáži na dosku
s plošnými spojmi. Čipy sa pripájajú postupne. Každý čip sa najprv umiestni nad príslušný
obrazec spojov a odreže sa od pásu. . Vlastné pripojenie vonkajšieho vodiča je možné
uskutočniť jedným z niekoľkých spôsobov. U vývodov s rozostupom 0,5 mm alebo väčším je
v praxi bežné použiť štandardnú spájkovaciu pastu a pretavenie. U menších rozostupov už nie
je presnosť nanesenia spájkovacej pasty dostatočná k tomu , aby sa zabránilo vytváraniu
mostíkov spájky v procese pretavenia, takže sa používa iná technika. V jednej metóde sa
spájka nanáša na spájkovacie plôšky , po umiestnení súčiastky sa spájka pretaví pomocou
laserového zariadenia s vysokým výkonom. V ďalšej metóde, vhodnej
pre materiály
podložky , ktoré znášajú vysoké teploty, sa vývody termokompresne kontaktujú k topológií
kontaktov pomocou tvarovacieho nástroja.
5.3. Technológia Flip- Chip
Obrátený ( „lícný“) čip (F-COB) sa vyvinul z myšlienky usporiť priestor a hmotnosť úplným
odstránením puzdra čipu. Obrátený čipy sú vyrábané pridaním
výstupkov spájky na
spájkovacie plôšky čipov vo fáze, keď sú ešte súčasťou kremíkového waferu. Samostatné čipy
sa potom vyberú a položia no podložku obrátene. Alternatívnym riešením je naopak
umiestnenie spájky na podložku namiesto na čip ( obr.5)
10
čip
pretavovacie kontakty
Obrátený ip - Flip - Chip
č
zalisovanie
čip
podložka
č
Geometria guli kových vývodov (BGA)
Obr.6 Technológia Flip-Chip a BGA
Hlavným rozdielom medzi technológiou Flip- Chip a ostatnými technikami priameho
pripojovania čipu , ako je holý čip na doske pripojený drôtom, je zväčšenie využiteľného
priestoru dosky, skrátenia signálovej dráhy a zníženie montážnej výšky súčiastky.
6. Technológia BGA – Ball Grid Array
Technológia povrchovej montáže vyhovuje priestorovým požiadavkám tým, že fyzický
zmenšila veľkosť puzdra a vývodov asi na tretinu až polovicu ekvivalentu puzdra DIL. Určité
tvary s vysokým počtom vývodov využívajú celý obvod pre vývody ( ako je tomu
u štvorhranných plochých puzdier – QFP ) a zmierňujú tak problém zväčšovania veľkosti
puzdra. Akonáhle však počty vývodov stúpnu na 208 a viac, rozostup sa zmenší na 0,4 mm
a menej, nastávajú problémy s manipuláciou a osadzovaním súčiastok. Osadenie je možné
uskutočniť, avšak technológia je neúmerne drahá a vyžaduje presne riadené procesy.
Riešenie je vo forme maticových puzdier, z ktorých najznámejšia sa stala skupina označovaná
ako guličkové vývody v šachovnicovom usporiadaní . BGA využíva k prepojeniu celu spodnú
plochu, takže v prípade puzdra 25x25 mm možno umiestniť 256 vývodov i s pomerne
miernejším rozostupom 1,5 mm. V poslednom dobe boli vyvinuté ešte menšie prvky µBGA,
ktoré je možno aplikovať priamo na čip.
11
K dispozícií sú rôzne typy BGA, najbežnejšia je plastová verzia (PBGA ). Skladá sa z malej
viacvrstvovej podložky plošných spojov, ktorá prepojuje čip umiestnený na hornej ploche
s maticou guličiek eutektickej spájky s priemerom približne 0,9 mm na spodnej strane.
Koeficient tepelnej rozťažnosti sa blíži koeficientu podložky dosiek plošných spojov , na
ktorých je prvok montovaný. Spájkuje sa pretavením pomocou eutektickej spájkovacej pasty,
guličky sa počas tohto procesu tavia a pretavujú.
Keramický BGA (CBGA) používa viacvrstvovú keramickú podložku, k nej je kontaktovaním
pripojený holý kremíkový čip, ktorý je kvôli ochrane zapuzdrený. Matica pozostáva z guličiek
alebo stĺpcov spájky s vysokým bodom tavenia , ktoré sú metódou spájkovania pretavením
pripojené k spájkovacím plôškam dosky plošných spojov pomocou eutektickej spájkovacej
pasty, guličky sa počas tohto procesu neroztavujú. Vzhľadom k nepriaznivej tepelnej
rozťažnosti keramickej a skloepoxidovej dosky plošných spojov sa guličkové spoje používajú
len pre menšie veľkosti puzdier. Väčšina puzdier využíva maticu stĺpcov spájky.
Prvky BGA však majú aj svoje nevýhody. Keramické typy sú stále drahé a plastové typy na
základe viacvstvovej podložky môžu byť hydroskopické.
Hlavnou nevýhodou maticových puzdier sú ťažkosti , ktoré vznikajú pri kontrole
spájkovacích spojov. Spoje na okrajoch puzdra sú kontrolované vizuálne, jedinou možnosťou
ako kontrolovať skryté spoje , je použitie pomerne drahého röntgenového zariadenia. Ručné
opravy nie sú možné. Pri chybnom spájkovaní je nutné celý BGA odspájkovať a celý proces
opakovať.
7. Spájkovanie
7.1 Tekuté spájkovanie (FLOW)
Existujú tri spôsoby tekutého spájkovania: vlnou, vlečením a ponorom . Pre SMT je vhodné
jedine spájkovanie vlnou. Pri tomto druhu spájkovania sa spájka dostáva na miesto spoja až v
samotnom procese spájkovania. Jej teplota je okolo 240–260°C a jednotlivé prvky ňou
prechádzajú po dobu 1–3 sekúnd. Z tohoto titulu sa touto metódou nedajú spájkovať všetky
možné konštrukčné prvky. Je zrejmé, že pre tekuté spájkovanie sú vhodné jedine tie
súčiastky, ktorých puzdro je dimenzované pre takúto vysokú teplotu a počas spájkovania teda
nedôjde k poškodeniu samotného prvku..
12
7.2. Spájkovanie pretavením (REFLOW)
Spájkovanie pretavením
eliminuje možnosť tvorby mostíkov a tým umožňuje dosiahnuť
maximálnu možnú hustotu osadenia. Táto technológia dovoľuje používať aj tie komponenty,
ktoré sa nemôžu používať pri tekutom spájkovaní. Princíp spočíva v nanesení spájkovacej
pasty priamo na miesto spájkovania pred samotným tepelným spracovaním.
Existuje niekoľko spôsobov pretavenia pasty :
• infračerveným žiarením,
• laserom,
• kondenzáciou pár,
• horúcim plynom,
• vedením tepla.
Spájkovacie pasty sa nanášajú sieťotlačou alebo priamo osadzovacím automatom. Ich
hlavnými zložkami sú legované práškové spájky a organické spájky. Okrem týchto zložiek
obsahujú aj rôzne viskózne zmesi a rozpúšťadlá, ktoré zabezpečujú požadovanú viskozitu a
priľnavosť k rôznym typom materiálov.
13
Literatúra:
[1] Abel Martin :“ SMT – Technologie povrchové montáže“, Platan, Pardubice, 2000.
[2] Banský,J.- Slosarčík,S.- Podprocký,T.:“ Hrubovrstvové hybridné senzory“, Royal
Unicorn, s.r.o., košice, 1999.
This Module is part of:
Funded by:
14
Download

1 1. Technológia povrchovej montáže Technológia povrchovej