Сетевой электронный научный журнал "СИСТЕМОТЕХНИКА", № 8, 2010 г.

Перспективы развития корпусов СБИС

 

Серегин В.С.

 

Восстановление и дальнейшее развитие отечественной микроэлектронной техники невозможно без реализации технологических программ по созданию корпусов и корпусной продукции микроэлектроники нового поколения. Разработка и производство корпусов и корпусной продукции для микроэлектроники и полупроводниковой техники в значительной степени свёрнуто, а технологическая база устарела. Из-за отсутствия современных промышленных технологий по созданию корпусов и корпусной продукции выпуск важнейших изделий электронной техники в интересах обороны и народного хозяйства страны
в настоящее время находится в зависимости от их импорта.

 

Особенно остро эта проблема коснулась направления работ по созданию корпусов для новых перспективных СБИС микропроцессоров, памяти, ПЛИС, БМК  и других схем. Эти изделия требуют корпусов с большим количеством выводов (100…600), малым шагом выводов (1,25-0,5 мм) и изолирующими выводными рамками, низким тепловым сопротивлением и должны обеспечивать установку методом поверхностного монтажа.

 

Работы по разработке и производству корпусов и корпусной продукции, проведенные ЗАО «НПО «НИИТАЛ» в 2000-2009 г.г., показали возможность организации в России промышленного выпуска корпусов и корпусной продукции, обеспечивающих требования разработчиков перспективных СБИС и ПП, в том числе многовыводных металлокерамических корпусов.

 

Основные работы были направлены:

 

-  на расширение производства и номенклатуры типов металлокерамических   корпусов, в том числе по конструктивному исполнению, количеству, расположению и шагу выводов;

-  импортозамещение высокотехнологичных компонентов микроэлектроники, развитие новых перспективных конструкций для поверхностного и объемно-поверхностного монтажа радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), развитие корпусов
в интересах работ по созданию многокристальных модулей (МКМ) и сложно-функциональных блоков (СФБ);

- развитие разработки и производства новых материалов для производства корпусов и корпусной продукции.

 

         В течение 2000-2009 г.г. выполнено 6 ОКР, выполняется 1 ОКР и 1 НИР по разработке металлокерамических корпусов различного типа для микросхем, имеющих большие размеры кристаллов и высокую рассеиваемую мощность, в том числе разработаны:

         корпус типа 6 с 240 шариковыми выводами, расположение выводов матричное трёхрядное, теплоотвод на основе алюмонитридной керамики, шаг выводов 1,25 мм, метод герметизации – пайка;

         корпуса типа 4 с планарным расположением выводов, теплоотводом на основе керамики из нитрида алюминия, металлической выводной рамкой, шагом выводов 0,625 мм, количеством выводов 208 и 256, размерами монтажной площадки 11,0х11,0 мм2, 12,0х12,0 мм2, 11,9х13,9 мм2, 16,4х16,4 мм2, герметизацией методом шовной роликовой сварки;

         корпуса типа 4 с планарным расположением выводов, изолирующей выводной рамкой, теплоотводом на основе керамики из нитрида алюминия, шагом выводов 0,625 мм  и количеством выводов 132, шагом выводов 0,5 мм и количеством выводов 256, герметизацией методом шовной роликовой сварки;

         корпуса типа 4 с планарным расположением выводов, изолирующей выводной рамкой, шагом выводов 0,5 мм и количеством выводов 240, герметизацией методом шовной роликовой сварки, а также шагом выводов 0,625 мм  и количеством выводов 176;

         корпус подтипа 51 с планарным расположением выводов, изолирующей выводной рамкой, теплоотводом на основе керамики из нитрида алюминия, шагом выводов 1,0 мм и количеством выводов 64, герметизацией методом шовной роликовой сварки;

         корпус подтипа 62 со 175 штырьковыми выводами, теплоотводом на основе керамики из нитрида алюминия, шагом выводов 2,5 мм
и герметизацией методом пайки;

        Документация на перечисленные корпуса передана (на 2 корпуса передаётся) ОАО «ЗПП» (г. Йошкар-Ола) для организации серийного производства.

 

 Разрабатываются :

 

      корпуса типа 6 с 336 и 432 шариковыми выводами, расположение выводов матричное трёхрядное, теплоотвод на основе алюмонитридной керамики, шаг выводов - 1,25 мм, метод герметизации – пайка;

       Завершена НИР по разработке принципов построения конструкций металлокерамических матричных корпусов с количеством шариковых выводов 400-800, с теплоотводом на основе высокотеплопроводной керамики и без теплоотвода.

        Осуществлена разработка металлокерамического матричного 240-выводного корпуса с золотыми шариковыми выводами и в соответствии с план-графиками проводится работа по разработке корпусов с количеством выводов 336 и 432. Разработано полуавтоматическое оборудование для установки шариковых выводов, проведена отработка технологии  установки выводов на керамическую плату
и исследованы возможности разработки автоматического оборудования. Это позволило накопить опыт по разработке корпусов указанного типа. В процессе разработки определены основные технологические возможности предприятий-изготовителей корпусов по серийному освоению новых конструкций корпусов.

В настоящее время проектируется и готовится производство большого количества сверхбольших интегральных схем микропроцессоров, ПЛИС, БМК, «систем на кристалле», ЦАП и АЦП, имеющих миллионы элементов
с размерами 0,35...0,13 мкм на кристалле, количество выводов 200...1000
и размеры кристаллов от 5х5 до 15х15 мм. Потребность в этих микросхемах оцениваются в сотни и тысячи штук в год. Они имеют, в зависимости от назначения, различные геометрические размеры сторон кристалла, различное количество выводов, расположение контактных площадок, тепловую мощность рассеяния, величину тока потребления и быстродействия.

Разнообразие типов кристаллов приводит к тому, что большинству СБИС необходимы корпуса с индивидуальными характеристиками.

В связи с этим встают два основных вопроса при разработке
и производстве металлокерамических многовыводных матричных корпусов для перспективных СБИС, планируемых к применению в важнейшей аппаратуре, в том числе двойного назначения:

- имеется ли возможность создания унифицированных рядов корпусов для различных типов кристаллов;

- каков должен быть порядок взаимодействия предприятий-разработчиков СБИС и предприятий-разработчиков корпусов при индивидуальном проектировании корпуса.

    Маркетинговые исследования в части металлокерамических матричных корпусов показывают, что для достижения высокой степени унификации, с точки зрения применения в аппаратуре, необходима разработка нескольких (7...10) основных типоразмеров матричных корпусов для шага матрицы 1,25 (1,27) мм и разработка концепции создания и технологии производства отечественного типоразмерного ряда корпусов с уменьшенным шагом выводов - 1,0; 0,8; 0,5 мм. Унифицированные корпуса должны обеспечивать установку в них нескольких типоразмеров кристаллов СБИС имеющих различные габаритные размеры и количество выводов.

     За рубежом выпускается широкий спектр металлокерамических матричных корпусов типов BGA и CSP с шагом выводов 1,27; 1,0; 0,8; 0,5 и 0,4 мм. Производство корпусов имеет высокую степень автоматизации, может гибко перестраиваться в зависимости от потребности рынка и обеспечивает потребности промышленности выпускающей СБИС специального назначения.

   Разработка концепции типоразмерного ряда для корпусов имеющих  матрицу выводов с шагом 1,0; 0,8; 0,5 мм, которые пока в России при сборке аппаратуры не применяются, необходима, в том числе, для того, чтобы определить требования к платам, на основе которых будет разрабатываться аппаратура. Необходима также тщательная проработка технологии производства матричных корпусов с шагом матрицы 1,0; 0,8; 0,5 мм.

   Количество типов СБИС, которые должны герметизироваться в металлокерамические матричные корпуса с шариковыми (столбиковыми) выводами, увеличивается на десятки в год. Возникает необходимость координации действий и определение требований к порядку взаимодействия предприятий-разработчиков корпусов и разработчиков микросхем и аппаратуры при разработке унифицированных типоразмерных рядов корпусов, а также установления порядка заказа разработки корпусов при индивидуальном проектировании.

    Обеспечивающими процедурами по разработке и применению унифицированных рядов металлокерамических матричных корпусов должны быть:

-   разработка и введение в действие требований (рекомендаций) к применению микроэлектронных компонентов в металлокерамических матричных корпусах в аппаратуре (системе);

-   унификация технических характеристик корпусов (габаритные размеры, шаг и количество матричных выводов и другие) в части применения их в аппаратуре (системе);

-                    определение и отработка конструктивно-технологических методов установки кристаллов микросхем с различными техническими характеристиками (количество выводов, расположение выводов, габаритные размеры кристалла)
в матричные корпуса;

-                    разработка базовой технологии производства металлокерамических матричных корпусов, обеспечивающей производство широкой номенклатуры корпусов для перспективных микросхем по заказам предприятий-изготовителей аппаратуры в наиболее короткие сроки. Технология должна предусматривать возможность производства матричных корпусов различного конструктивного исполнения.

        Если первые три процедуры требуют разработки документов обеспечивающих (регламентирующих) формулирование и согласование требований к аппаратуре (системе), к микросхеме, к корпусу; то разработка новой технологии производства корпусов потребует одновременной глубокой проработки технологических аспектов производства корпусов, технологических методов установки кристаллов в корпус и непосредственно технологии сборки микросхем, в том числе в целях получения приемлемых экономических показателей производства и цены корпусов. Кроме того, необходимо иметь в виду, что в настоящее время остро стоит проблема обеспечения материалами производства металлокерамических корпусов.

  В связи с изложенным, при проведении работ по разработке технологии и организации производства корпусов, следует учесть следующие условия:

-                    доступность и наличие производства основных материалов для производства корпусов, в том числе исключение рисков международных эмбарго;

-                    конкурентоспособность стоимости корпусов и короткие сроки разработки и поставки;

-                    соответствие современному техническому уровню на стадиях разработки, изготовления и испытания компонентов и систем;

-   возможность использования результатов разработки в других отраслях промышленности.

       Серегин В.С. является главным конструктором проведенных ОКР, научным руководителем выполненных НИР, автором научно-технических отчетов по результатам выполненных НИОКР, автором патентов на разработанные конструкции планарных и матричных корпусов.

 

 

 

Перечень разработанных металлокерамических корпусов

 

Таблица 1.

 

Тип

корпуса

 

Условное

обозначение

корпуса

 

Габаритные размеры

корпуса,  мм

 

Кол-во

выводов

корпуса.

Шаг

выводов,

мм

 

Гарантир. размеры монтажной

площадки, мм

 

Внутреннее тепловое сопротив-

ление,

 Rt °С/Вт,
не более

 

Метод

 установки

кристалла ИС.

Метод герметизации.

1

2

3

4

5

6

7

 

 

4

 

4236.208-3

 

 

 

 □ 41,0 х 3,4

208,

0,625

 

□ 11,0

(монтажная площадка

 ALN)

1,0

Пайка.

Шовно-роликовая сварка

4242.256-1

 

 

 

 □ 48,6 х 4,0

256,

0,625

□ 12,0

(монтажная площадка

ALN)

1,0

-«-

4236.208-4

 

 

 

□ 41,0  х 3,4

208,

0,625

12,0 х 14,0

(монтажная площадка

ALN)

1,0

-«-

4232.256-2

 

 

 

□ 48,6 х 4,0

256,

0,625

□ 16,4 

(монтажная площадка

ALN)

1,0

-«-

4  (с изоли-рующей рамкой)

4243.132-1

□ 28,0 х 3,85

132,

1,0

□ 10,6

(монтажная площадка

ALN)              

 1,0

Пайка.

Шовно-роликовая сварка

4244.256-1

 □ 38,1 х 4,0

256,

0,5

12,1 х 14,1

(монтажная площадка

ALN)

1,0

-«-

 

 

1

2

3

4

5

6

7

5 (с изоли-рующей рамкой)

 

5141.64-1

 □ 18,3 х3,85

64,

1,0

□ 8,1

(монтажная площадка

ALN)

1,0

-«-

6 (с шари-ковыми выводами)

 

6301.240-1

 □ 30,7 х 3,9

 

240,

1,25

□ 10,9

(монтажная площадка

ALN)

0,5

Пайка.

Пайка

 

 

 

Сетевой электронный научный журнал "СИСТЕМОТЕХНИКА", № 8, 2010 г.