Flex o montażu ultraprecyzyjnych układów

Metody miniaturyzacji układów

Wraz z nieustającym dążeniem do mniejszych, lżejszych i bardziej zaawansowanych funkcji w produktach przenośnych, możliwość ultraprecyzyjnego montażu staje się kluczową zdolnością na rynku. Jednym z popularnych sposobów zwiększenia funkcjonalności na jednostkę powierzchni płytki jest układanie wielu matryc wewnątrz jednej obudowy, czyli tzw. stacking (jest to popularne rozwiązanie np. w przypadku pamięci). Jednak tworzenie rozwiązania z matrycami ułożonymi w stos ma pewne wady. Po pierwsze, rozwiązanie to jest zawsze tworzone pod bardzo konkretne potrzeby klienta i jeśli którakolwiek z używanych matryc ulegnie zmianie, należy przeprojektować cały stos, aby sprawdzić, czy konieczne są zmiany w jego konstrukcji. Po drugie, jeśli jedna lub więcej matryc wewnątrz pakietu ulegnie awarii, cały zespół musi być zeskrapowany, co wiąże się z wysokimi kosztami (jest to problem określany jako compounded yield). Na koniec, już sama próba skoordynowania wielu dostawców półprzewodników w celu dostarczenia matryc do zakładu pakującego w celu ułożenia ich w stos jest trudnym zadaniem, a odpowiedzialność za końcowe funkcjonowanie pakietu może w niektórych przypadkach być niejasna.

W procesie PoP jeden komponent jest umieszczany na wierzchu innego podczas pojedynczego procesu SMT, co w pełni wykorzystuje trójwymiarowy aspekt produktu. Górna strona dolnego komponentu ma pady podobne do tych występujących na płytce drukowanej, służące do mocowania górnego pakietu. Każdy pakiet jest pojedynczą jednostką, którą można w pełni przetestować, a więc wydajność takiego rozwiązania jest porównywalna ze zwykłym procesem. Kolejną zaletą jest możliwość opcjonalnej zmiany dostawcy, co można dość łatwo wprowadzić do łańcucha dostaw. Układanie komponentów w stos można zrealizować przy pomocy tradycyjnego sprzętu SMT z kilkoma, łatwo dostępnymi ulepszeniami. Z tego powodu, układanie komponentów w stos umożliwia tworzenie konfigurowalnych zespołów i zapewnia większą elastyczność w łańcuchu dostaw. Technika PoP może być używana w aplikacjach pamięci lub zestawach procesorów z pamięcią, umożliwiając ich szybsze wprowadzanie na rynek i lepsze zarządzanie aspektami wydajności i testowania.

Zmniejszony rozstaw wyprowadzeń jest bez wątpienia jednym z większych wyzwań w przypadku komponentów aktywnych, jednak jest to równocześnie bardzo skuteczny sposób na osiągnięcie miniaturyzacji. Obecnie najczęściej stosuje się rozstaw 0,4 mm, ale coraz bardziej popularne staje się 0,3 mm. Przejście z 0,4 mm na 0,3 mm stwarza szereg wyzwań, głównie związanych z projektowaniem PCB, sitodrukiem i produkcją dobrej jakości PCB. Badania przeprowadzone przez Flex pokazują, iż w przypadku rozstawu 0,3 mm, dużym wyzwaniem jest sitodruk, a w niektórych aplikacjach może być konieczny etap topnikowania zanurzeniowego.

W przypadku komponentów pasywnych, dwa bardzo skuteczne sposoby osiągnięcia miniaturyzacji to stosowanie mniejszych komponentów, takich jak 0201 czy 01005 oraz zmniejszanie odstępu między nimi. Obie strategie są łatwe do wdrożenia, jednak każda z nich musi zostać dokładnie rozważona przy pomocy analizy danych procesowych i całkowitych kosztów.

Biorąc pod uwagę obecne wymagania odnośnie miniaturyzacji układów i ich funkcjonalności, coraz częściej stosowane są komponenty 01005 i to pomimo ograniczonego wyboru ich wartości elektrycznych, stosunkowo wysokich kosztów i trudności występujących procesie montażu. Dzięki zmniejszeniu odstępu między komponentami z 0,2 mm do 0,1 mm można zaoszczędzić do 35% powierzchni (Rysunek 1), a przechodząc z 0402 na 01005 z odstępem między komponentami wynoszącym 150 um można zaoszczędzić nawet 74% miejsca (Rysunek 2).

Rysunek 1: Oszczędność miejsca przy zastosowaniu komponentów 01005 i odstępie 100-200um (lewa strona) oraz 0201 i odstępie 100-200 um.

Rysunek 2: Oszczędność miejsca przy zastosowaniu komponentów 01005 versus komponenty 0201/0402.

Żródło: Miniaturization with Help of Reduced Component to Component Spacing Autorzy: Jonas Sjoberg, Shah Alam, Ranilo Aranda, David Geiger, Murad Kurwa Flextronics Advanced Engineering Group 

Wybrane zagadnienia procesowe montażu ultraprecyzyjnych układów

W dalszej części opracowania Flex opisuje eksperyment, polegający na montażu układów z miniaturowymi częściami przy zmianie wybranych parametrów procesu. Szczegółowy opis tego testu możecie znaleźć pod tym linkiem.

Jak wynika z przeprowadzonego eksperymentu, wartości DPMO (Defects Per Million Opportunities) wykazują bardzo wyraźne różnice przy zmianie odstępu między komponentami ze 100 na 125um, a także przy zmianie grubości szablonu (obrazuje to Rysunek 3). Zmiana grubości szablonu z 4 na 3 mile przynosi wyraźną poprawę jakości.

Rysunek 3: Zmiany DPMO przy zminie odstępu pomiędzy komponentami oraz zmianie grubości szablonu.

Żródło: Miniaturization with Help of Reduced Component to Component Spacing Autorzy: Jonas Sjoberg, Shah Alam, Ranilo Aranda, David Geiger, Murad Kurwa Flextronics Advanced Engineering Group 

Wszystkie wykryte defekty polegały na tworzeniu się mostków lutowniczych między komponentami pasywnymi, nie zaobserwowano natomiast żadnych problemów między komponentami pasywnymi a komponentami CSP/PoP.

Po wykonaniu przekrojów poprzecznych i wizualnej kontroli próbek poddanych lutowaniu rozpływowemu bez użycia azotu zauważono, że niektóre komponenty PoP o rozstawie 0,4 mm wykazywały defekt head-in-pillow. Ponadto, zaobserwowano niedostateczne zwilżanie padów. Zbadano także potencjalne różnice przy różnej wartości odstępów przy zastosowaniu atmosfery azotu. Próbki lutowane rozpływowo w atmosferze azotu nie wykazywały żadnych problemów w przypadku komponentów CSP i PoP o skoku 0,3 mm. W przypadku komponentów 01005 zwilżanie polepszało się przy zastosowaniu azotu, chociaż wyniki lutowania w atmosferze powietrza dalej mieściły się w wymaganiach normy IPC-610.

Zapraszamy na TEK.day Wrocław, 6 marca 2025. Zapisz się tutaj!