124836 (Элементы конструирования печатных плат)

Элементы конструирования печатных плат

Введение

Конструирование печатных плат – отдельная тема, не раскрываемая полностью в этой книге. Процесс конструирования нормирован всевозможными стандартами настолько, что писать о нем – повторять эти многочисленные стандарты. Поскольку технолог при общении с разработчиком должен представлять интересы производства, ему нужно иметь свою точку зрения на выбор конструктивно-технологических решений при проектировании печатных плат. Конечно, он должен считаться с тем, что выбор решений по конструкциям и методам изготовления печатных плат продиктован функциями, выполняемыми электронной аппаратурой и используемыми в ней компонентами, и такими рабочими характеристиками разрабатываемой системы, как производительность, энергопотребление, методы теплоотвода, характеристики окружающей среды, в которой система будет работать.

С другой стороны, разработчик должен учитывать производственные требования к технологичности конструкции: выбору доступных и опробованных материалов конструкций, серийнопригодности, контролепригодности, себестоимости и т.д., что определяет время и издержки освоения новых изделий в производстве, их производственную надежность и себестоимость. Технолог должен быть вооружен такими аргументами и терминами, которые позволят ему разговаривать на одном языке с конструкторами и с пониманием воспринимать его контраргументы и обоснования выбранных решений.

Этот раздел о выборе конструктивно-технологических решений рассчитан на технологов для общения с конструктором.

1. Корпуса микросхем

Наиболее важными факторами, влияющими на разработку конструкций печатных плат и их топологий, являются конфигурации выводов активных компонентов и шаг между ними, особенно для тех микросхем и их корпусов, конструкция которых определяется необходимой плотностью компоновки и, соответственно, плотностью монтажа. Эти факторы определяют облик конструкции печатной платы и печатного узла.

Развитие микроэлектронных компонентов постоянно идет в направлении увеличения интеграции, производительности и функциональности. Данный процесс характеризуется увеличением плотности активных элементов на кристалле примерно на 75% в год, а это, в свою очередь, вызывает необходимость в увеличении количества их выводов на корпусе на 40% в год. Вышеизложенные факты обуславливают постоянно растущий спрос на новые методы корпусиро-вания, позволяющие увеличить плотность межсоединений на печатной плате.

В результате общих тенденций, площадь монтажных подложек уменьшается примерно на 7%, а физические размеры электронной аппаратуры на 10–20% в год. Эта тенденция поддерживается непрерывным увеличением плотности межсоединений за счет уменьшения элементов печатного монтажа, пространственного распределения межслойных переходов за счет использования сквозных, глухих, слепых отверстий. Все это серьезно влияет на облик производства печатных плат, – увеличивается стоимость основных фондов, объем прямых издержек, цикл производства. В конечном итоге, все это приводит к увеличению себестоимости плат.

1.1 Конструкции корпусов микросхем

С самого начала кристаллы микросхем помешали внутрь керамических или пластмассовых корпусов. Примерно до 1980 г. все корпуса микросхем имели выводы, предназначенные для монтажа в металлизированные отверстия печатной платы и последующей пайки. Позднее, с увеличением интеграции, их выводы стали делать в форме, пригодной для технологии поверхностного монтажа, ставшей преобладающей технологией монтажа электронных компонентов.

На промежуточном этапе развития технологий монтажа, получили распространение корпуса микросхем, пригодные как для монтажа в отверстие, так и для поверхностного монтажа.

Основными типами корпусов микросхем, в зависимости от расположения их выводов, являются:

• корпуса с периферийным расположением выводов, когда выводы расположены по краям кристалла или корпуса микросхемы;

• корпуса с матричным расположением выводов.

Большинство типов микросхем имеют периферийное расположение выводов. Практически, шаг периферийных выводов ограничен 0,3 мм, что позволяет микросхемам с корпусами больших размеров иметь до 500 выводов. Но нужно принять во внимание, что при шаге выводов меньше 0,5 мм выход годных изделий резко снижается.

Компоненты с матричным расположением выводов имеют большое разнообразие:

• CSP,

• PBGA,

• CBGA,

• PPGA,

• CCGA.

Предполагается, что микросхемы с количеством выводов от 150 до 200 будут выполняться в корпусах с периферийным расположением выводов. Для микросхем с количеством выводов более ISO-ZOO предпочтительнее матричная система выводов, так как она делает возможным размещение большого количества выводов на ограниченной площади.

Конструкции выводов в матричной системе:

• столбиковые выводы из припоя, армированного «путанкой» из тонкого провода, для корпусов микросхем и многокристальных модулей МСМ, часто называемых также как матрица контактных площадок, матрица выводов

• матрица шариковых выводов с шагом выводов 1,50 мм, 1,27 мм, 1 мм, 0,8 мм и менее.

Матричная система выводов обеспечивает ряд очевидных преимуществ. Наиболее важными являются:

• минимальная площадь монтажного поля подложки;

• лучшие условия обеспечения функциональной производительности электронных модулей за счет меньших паразитных эффектов на быстродействующих операциях;

• упрощение технологии поверхностного монтажа на печатную плату;

• больший выход готовой продукции вопреки опасениям потери качества, из-за невозможности прямого визуального контроля соединений.

С уменьшением шага выводов особенно важно, чтобы разработчики печатных плат считались с необходимостью обеспечения технологичности их конструкций, правильно с этих позиций оценивали не только сборочные, но и производственные характеристики печатных плат, чтобы разработанные конструкции гарантировали наибольший выход и наименьшую себестоимость готовой продукции.

1.2 Непосредственный монтаж кристаллов на подложку

Потребности в уменьшении массы и габаритов конструкций электронной аппаратуры обусловили интерес к методам непосредственного монтажа кристаллов микросхем на плату: «кристалл на плате» – СОВ или многокристальные модули.

Кристаллы микросхем монтируют на подложку одним из четырех методов:

1. Термокомпрессионная микросварка – наиболее старый, наиболее гибкий и широко применяемый метод. Этим методом до сих пор изготавливают более 96% всех микросхем.

Присоединение кристаллов к выводам ленточного носителя или TAB. Этот метод используется для автоматического монтажа кристаллов с малым шагом выводов на промежуточный носитель. Кроме возможности автоматизации монтажа, он обеспечивает возможность предварительного тестирования кристаллов перед окончательной установкой его на монтажную подложку.

3. Присоединение перевернутого кристалла через шариковые выводы. Компактность и улучшенные электрические характеристики этого метода межсоединений способствуют его расширяющемуся применению.

4. Присоединение кристалла балочными выводами. В этом методе используют технологии термокомпрессионной и ультразвуковой микросварки балочных выводов к периферийным контактным площадкам на кристалле и, затем, – балочных выводов к монтажной подложке.

При оценке возможности использования этих методов, необходимо принимать во внимание разные температурные коэффициенты расширения кристаллов из кремния и монтажной подложки. Кроме прямого решения этой проблемы выбором соответствующего материала подложки, она может быть эффективно решена заливкой эпоксидной смолой, разделяющей кристалл и плату. Подобный прием позволяет выровнять деформации кристалла и подложки и, за счет этого, существенно улучшить надежность таких сборок.

1.3 Микрокорпуса

При непосредственной установке кристаллов на монтажные подложки не всегда представляется возможность предварительно убедиться в их правильной работе до их монтажа на подложку. К настоящему времени существует несколько технологий для решения этой проблемы. В зарубежной терминологии эта проблема имеет название – «заведомо исправный кристалл». Один из путей ее решения – использование микрокорпусов, размеры которых лишь ненамного превышают размеры кристалла, но выполняют функции защиты от внешней среды и перераспределяют выводы кристалла на матрицу выводов микрокорпуса. Применение микрокорпусов позволяет тестировать микросхему до установки ее на монтажную подложку. На микросхемах с программируемой логикой создается возможность программировать их пережиганием перемычек в соответствии с задуманной схемой. Типовой пример микрокорпусов – CSP-корпус.

Поскольку для некоторых CSP-корпусов шаг матричных выводов составляет 0,5 мм и менее, требуется использование специальных технологий производства печатных плат, позволяющих обеспечить разводку сигнальных цепей в узких пространствах между элементами монтажного поля.

Существующие технологии производства печатных плат способны обеспечить монтаж выводов бескорпусных микросхем, если он выполняется по технологии термокомпрессионной сварки или с использованием ленточных носителей. И, хотя такое решение переносит трудности защиты открытых кристаллов микросхем на корпусирование электронных модулей, оно все еще остается одним из наиболее эффективных методов монтажа бескорпусных микросхем.

При использовании корпусов с малым шагом матричных выводов ситуация усложняется тем, что сигнальные связи от внутренних выводов матрицы необходимо вывести между контактными площадками матрицы. При этом имеется возможность провести между контактными площадками один, максимум, два проводника. Поэтому, в большинстве случаев, проводники от внутренних выводов матрицы выводятся по внутренним слоям многослойных печатных плат.

Многослойные печатные платы, изготовленные традиционным методами маталлизиции сквозных отверстий, плохо приспособлены к монтажу микросхем с матричными выводами с шагом менее 8,0 мм. И, в то же время, уже созданы корпуса микросхем типа CSP с шагом матричных выводов 0,508 мм и 0,254 мм. Для монтажа таких компонентов к МПП добавляются специальные слои с глухими металлизированными отверстиями, на которых реализуется разводка цепей из-под микрокорпусов или из-под бескорпусных кристаллов микросхем.

Такие тонкие дополнительные специализированные слои, напрессовываются на МПП, после чего в них выполняются глухие металлизированные отверстия. Поэтому этот метод за рубежом получил названием «напрессованная на поверхность схема». И, хотя в России для этого метода пока нет установившегося термина, можно видеть, что в нем соединены метод металлизации сквозных отверстий и метод послойного наращивания. Значит, ему можно присвоить длинное название – «МПП с послойным наращиванием внешних слоев» или «МПП с глухими отверстиями», пока в русской среде специалистов не установится более лаконичное название.

1.4 Количество выводов и степень интеграции микросхем

При монтаже кристаллов на подложку корпуса и корпуса на монтажную подложку или при непосредственном монтаже кристалла на плату неизбежно увеличиваются используемые для этого площади. Это вызвано необходимостью выделения определенного физического пространства для размещения выводов. А число выводов подчиняется общей тенденцией их увеличения с увеличением интеграции микросхем:

где я – количество выводов, q – коэффициент связности микроэлементов в структуре микросхемы, N – степень интеграции микросхемы, R – показатель Рента.

В противоположность степени интеграции, этот эффект называют степенью дезинтеграции, которая оценивается отношением плотности микроэлементов, отнесенной к монтажной площади на плате с их плотностью размещения на кристалле. Например, если кристалл процессора имеет размер 10x10 мм, а монтажное поле его корпуса на плате занимает площадь 4000 мм, такое конструктивное исполнение системы межсоединений характеризуется дезинтеграцией с числом 10. Эта цифрой оценивается матрица из 800 выводов. Периферийное расположение такого количества выводов с шагом 0,4 мм занимает монтажное поле площадью 8000 мм, значит степень дезинтеграции такого конструктивного исполнения – 100.

Нужно заметить, что степень дезинтеграции растет по мере возрастания иерархического уровня конструкции: кристалл – микросхема – печатный узел – модуль – блок – … Например, дезинтеграция в блоке может достигать цифры 100 тыс.

Очевидно, что степени интеграции и дезинтеграции должны соответствовать техническому уровню развития производства. При стремлении выполнить конструкцию на предельных возможностях производства, стоимость изделия станет неоправданно высокой из-за большого объема отходов на брак. Надежность таких конструкций также не будет гарантирована. Если же в производство поступит изделие, спроектированное по низким проектным нормам, т.е. с большой степенью дезинтеграции, его большая материалоемкость, низкая фондоотдача также пагубно скажется на его себестоимости.

2. Координатная сетка

Положение печатного рисунка на плате регламентируется условной координатной сеткой – ортогональной сеткой, состоящей из параллельных осям X-Y линий, условно или фактически нанесенных на чертеж печатной платы. Расстояние между двумя ближайшими параллельными линиями называют шагом координатной сетки. Точки пересечения линий координатной сетки называют узлами. Узлы координатной сетки предназначены для определения местоположения монтажных и переходных отверстий, контактных площадок для монтажа поверхностно-монтируемых компонентов. Поэтому шаг координатной сетки печатной платы должен строго соответствовать шагу выводов радиоэлементов.

В отечественной практике используют шаг основной координатной сетки 2,5 мм. По мере уплотнения печатного монтажа используют вспомогательные координатные сетки, шаг которых получают делением или умножением шага основной координатной сетки на 2 ». Таким образом, получают ряд мелких шагов вспомогательных сеток: 0,625; 0,3125 мм и дополнительных шагов, получаемых путем сложения разных шагов, например: 2,5+0,625=3,125 или 0,625+0,31,25=0,9375 мм.