Специфика техники поверхностного монтажа

Современные темпы развития электроники определяются, прежде всего, достижениями микроэлектроники, которая позволяет решать важнейшие проблемы надежности, стоимости, габаритов и массы радиоэлектронных устройств.

Область использования микроэлектронной аппаратуры (МЭА) необычайно широка и продолжает непрерывно расширяться. Появились устройства функциональной электроники, например, акустоэлектронные, оптоэлектронные, криоэлектронные микросхемы.

Современные электронные вычислительные средства создаются на основе больших и сверхбольших интегральных схем (БИС, СБИС, УБИС) с высокой степенью интеграции (более 2 млн. элементов в кристалле) и плотностью упаковки выше 100 млн. элементов на 1 см³. Однако, соединение таких полупроводниковых БИС в ячейках и блоках ЭВС зачастую осуществляется с применением плат, имеющих невысокую разрешающую способность рисунка коммутации, что снижает общую плотность упаковки элементов изделий.

Для обеспечения необходимой жесткости конструкции ячеек и блоков и (при необходимости) теплоотвода; нередко применяют специальные металлоемкие приспособления, рамы, решетки, а для соединения ячеек и блоков между собой - плетенные проводные "ремни".

Все это значительно снижает достигнутую в кристаллах плотность упаковки, приводя к увеличению массы и габаритов ЭВС.

Высокие темпы развития микроэлектроники породили и свои противоречия, так, например:

- возрастание количества выводов у БИС и СБИС привело к существенному возрастанию монтажной площадки для корпусов, монтируемых в отверстия плат, что стало едва ли не основным препятствием для миниатюризации изделий;

- рост сложности микросхем (МС) привел к потере их универсальности, они стали пригодными только для конкретного типа устройств. В результате увеличилась номенклатура ИС, уменьшилась их тиражность;

- отсутствие завершенных рядов ИС определило различную степень интеграции отдельных функциональных узлов и блоков;

- уровни технологии изготовления сложных конструктивов (ячеек, узлов, блоков) МЭА существенно различаются (например, у МОП БИС разрешающая способность рисунка составляет 100 - 1000 линий/мм, а в печатных платах - 1-2 линии/мм.

Все это обуславливает потери плотности упаковки, ухудшая массогабаритные и функциональные параметры МЭА.

Противоречия современной микроэлектроники определяют и тенденции ее развития:

- комплексное решение проблемы микроминиатюризации, включая идеологию разработки устройства в целом, предельное уменьшение габаритов, разработку новых методов формообразования конструктивов, техники теплообмена и др.;

- создание методов конструирования и базовой технологии для поточного производства полупроводниковых и гибридных ИС частного применения самого различного функционального назначения наряду с использованием крупносерийных универсальных ИС;

- переход к новым конструктивно-технологическим решениям формирования ячеек и блоков МЭА благодаря внедрению методов микроэлектроники.

Один из методов создания МЭА с заданными характеристиками основан на использовании бескорпусных ИС и микросборок (МСБ) частного применения. Известно, что использование бескорпусных полупроводниковых приборов и ИС ведет к существенному улучшению массогабаритных характеристик МЭА. Основной эффект здесь достигается не столько за счет увеличения плотности размещения кристаллов в МСБ и на коммутационных платах (КП) благодаря более высокой плотности выходных контактных площадок на кристалле по сравнению с плотностью выводов корпусированных ИС.

С ростом надежности бескорпусных ИС и ГИС, необходимость в их корпусировании отпадает, если в дальнейшем они герметизируются в корпусе ячейки или блока, т.е. достаточно произвести сборку и регулировку ячейки и блока, а затем осуществить корпусирование ячеек и блока в целом.

Такой подход позволяет существенно уменьшить габариты и массу ЭВС, а также решить вопрос об их ремонтоспособности и снизить трудоемкость изготовления БИС, входящих в состав ЭВС.

Вместе с тем, чрезвычайно важным является уменьшение разрыва между величинами плотности упаковки элементов, достигнутой в БИС, и плотности упаковки конструктивов в ячейках и блоках ЭВС.

Применение бескорпусных МС потребовало дальнейшего совершенствования КП, т.к. их конструкция и плотность проводников были оптимизированы в соответствии с плотностью выводов корпусированных ИС. Новая коммутационная плата выполнена методами тонкопленочной технологии и представляет собой многослойную систему ортогональных проводников на анодированной из алюминиевого сплава подложке и полиимидных пленках. Такая КП со смонтированными на ней навесными компонентами представляет собой сверхбольшую гибридную интегральную МСБ, выполняющую одну или несколько законченных функций; поэтому ее также называют функциональной ячейкой (ФЯ).

Двусторонняя и сдвоенная ФЯ обеспечивает примерно вдвое большую плотность упаковки конструктивов по сравнению с односторонней. Однако, увеличение функциональной сложности ячеек приводит к обострению проблемы создания надежной коммутации в пределах ФЯ и одновременно к обострению проблемы теплоотвода.

Обе эти проблемы успешно решаются применением нового конструкторско-технологического варианта производства ФЯ, в котором функции несущей конструкции теплоотвода и подложки большой гибридной ИМС объединены и выполняются металлической (из алюминиевого сплава) платой, покрытой слоем анодного окисла, а функции коммутационной платы - системой гибких полиимидных пленок с нанесенными на них (с применением тонкопленочной технологии) проводящими дорожками. На анодированной металлической плате создается один слой проводников и резисторов, а два или более числа слоев коммутации могут быть созданы в виде многослойной полиимидной коммутационной платы (МПКП).

Коммутационные переходы с одной стороны единичной гибкой платы на другую осуществляется системой металлизированных отверстий. Единичные гибкие КП набираются в пакет и присоединяются к анодированной металлической плате методом групповой пайки, для чего на последней предварительно формируются контактные площадки, покрытые припоем. На полиимидных гибких платах, в соответствии с контактными площадками подложки, имеются переходные металлизированные отверстия. При подогреве системы подложка - гибкие печатные платы в условиях вакуума припой поднимается по переходным отверстиям, и, застывая, образует прочные коммутационные соединения и одновременно механическое крепление. Для изоляции коммутации между единичными гибкими КП в пакете МПКП используют прокладки из полиимидной пленки с системой отверстий в местах межслойных переходов.

Бескорпусные БИС и другие компоненты могут быть смонтированы как на поверхности МПКП, так и непосредственно на анодированной металлической плате через окна, сформированные в КП. Переходы с одной стороны КП на другую в такой ФЯ могут осуществляется с помощью гибких шлейфов на полиимидной пленке.

Спроектированное на такой конструкторско-технологической базе ОЗУ емкостью 1024 кбит 16-разрядных слов имеет объем 45 см³. Аналогичное ОЗУ на той же элементной базе и традиционных платах занимает объем 135 см³. Выигрыш в объеме в 3 раза достигается за счет сокращения объема несущей конструкции и объема электрических соединений. По сравнению с ФЯ на печатных платах, ФЯ на МПКП достигается 5-20-кратное уменьшение габаритов и массы.

Сравнительная характеристика разводки плат, изготовленных с применением разных материалов и разных технологий металлизации приведена в табл.1.