Book3 (Конструирование РЭС - ред. А.С. Назаров), страница 11

Технику монтажа электронных компонентов на плоскую поверхность
считают четвертой революцией в электронике (после появления лампы,
транзистора и интегральной схемы). Этот метод стал известен с начала 60-х
годов в Японии и США, а с начала 70-х годов в Японии был применен для
автоматизированного изготовления толстопленочных гибридных ИС. В
основу техники поверхностного монтажа положено применение новых ми-
ниатюрных корпусов ИС и микрокомпонентов, печатных плат с высокой
разрешающей способностью и новой технологии сборки, пайки и контро-
ля. Достоинствами метода являются уменьшение размеров печатных плат
на 70% и уменьшение длины сигнальных проводников, что увеличивает
быстродействие и помехозащищенность; рост процента выхода годных за
счет простоты ремонта и замены неправильно ориентированных компо-
нентов; применение автоматизированных технологий; повышение надеж-
ности и снижение стоимости.

Вместе с тем внедрение этой техники сдерживается рядом факто-
ров, таких как большая стоимость автоматизированного оборудования
(полностью укомплектованная линия по сборке, пайке, испытаниям и
ремонту оценивается в несколько сотен тысяч долларов), трудности
совмещения компонентов с посадочными местами и контроля после
пайки из-за весьма малых габаритов и шага координатной сетки.

Дадим вначале некоторый краткий обзор [4] элементной базы РЭС
для техники поверхностного монтажа. Как известно, основу элемент-
ной базы микроэлектронной аппаратуры всегда составляли интеграль-
ные схемы. В настоящее время за рубежом разработаны микрокорпуса
для ИС широкого применения типа SO (small outline), имеющие число
выводов от 4 до 28 типа «крыло чайки» или/-образные (рис. 3.27). Фирма
Philips выпускает корпуса SO с 40 и 56 выводами с шагом 0,762 мм при га-
баритах корпуса 15,5x7,6x2,7 мм, которые по сравнению с отечественным
корпусом типа 4104.14-2 имеют в четыре раза больше выводов при тех же

107

Рис. 3.27. Варианты установки корпусированных ИС и навесных ЭРЭ

на печатные платы:

а — по традиционной технологии; б — по технологии поверхностного монтажа;

1 — ИС с J-образными выводами; 2 — ИС с выводами типа «крыло чайки»;

3 — микрокомпонент с торцевыми залуженными выводами

Таблица 3.7

габаритах. В табл. 3.7 даны сравнительные характеристики корпусов SO
и DEP (аналога отечественного корпуса второго типа 2102).

Выпускаются также кристаллодержатели с /-образными выводами
или безвыводные кристаллодержатели, в которых выводы армированы
в теле корпуса или выполнены в виде залуженных пазов по четырем
сторонам корпуса с внешней стороны. Кристаллодержатель с /-образ-
ными выводами, выполненный в пластмассовом квадратном (или кера-
мическом) корпусе при 44 выводах и шаге 1,27 мм-имеет габариты
17,5x17,5x3,5 мм, а безвыводный Кристаллодержатель с 84 выводами и
при шаге 1,27 мм имеет сторону квадрата 29 мм и высоту корпуса 2 мм.
Это в шесть раз меньше по площади и в десять раз меньше по массе,
чем корпус типа DIP. Еще более впечатляет корпус фирмы Exacta, име-
ющий сравнительно миниатюрные размеры (27x27 мм) при огромном
числе выводов (320) и шаге всего лишь 0,3 мм.

Отечественной промышленностью также выпускаются микрокорпу-
са (рис. 3.28) типа Н, например корпус Н 104.16 с размерами 7,5x7,5 мм
при числе выводов 16 (УФ 0.481.005 ТУ). По ОСТ 11.073.924-81
разработаны микрокорпуса, характеристики которых представле-
ны в табл. 3.8.

Шаг между залуженными пазами выводов равен 1 мм, высота выво-
дов 0,4 мм, ширина 0,5 мм.

Вполне очевидно, что при таких малых значениях шага между выво-
дами (до 0,3 мм) и большом их количестве (свыше 84) применение
обычных методов установки и пайки на печатных платах просто невоз-
можно. Поэтому для микрокорпусов предусмотрена автоматизирован -

108

Таблица 3.8

Рис. 3.28. Микрокорпуса: а — Н02.16-1В, б — Н04.16-1В, в — Н06.24-2В,г _ Н14.42-2В, д — Н16.48, Н18.64 и Н20.84

ная установка на посадочные площади с высокой точностью. Среди ре-
комендуемых методов пайки наиболее приемлемым считается метод
расплавленного дозированного припоя (РДП). Плата с приклеенными
компонентами помещается в рабочую зону контейнера и предваритель-
но нагревается, затем при подаче насыщенного пара фторосодержащей
жидкости плата нагревается до 215°С, пар конденсируется на ее повер-
хности, отдает тепло, припой расплавляется и образует паяное соеди-
нение. За один цикл можно припаять одновременно до тысячи и более
ИС на платах, причем качество пайки будет намного выше качества
ручной пайки. Другой, менее распространенный, метод расплавленного

109

дозированного припоя излучением (РДПИ) осуществляется с по-
мощью ламп с вольфрамовой нитью накала (λ, = 1,2 — 2,5 мм) в инерт-
ной среде во избежание окисления.

Наряду с микрокорпусами ИС применяют микрокомпоненты, такие
как непроволочные резисторы с торцевыми площадками для пайки
(размеры резисторов 2,06x1,35x0,38 мм); проволочные трехваттные ре-
зисторы с j-образными выводами (размеры 21x8,4x6,5 мм); переменные
резисторы массой всего лишь 0,14 г и размерами 5,2x5,2x2,15 мм; моно-
литные керамические конденсаторы (аналоги отечественных типов
К10-9 и К10-17); многослойные катушки индуктивности из чередую-
щихся слоев магнита и электропроводящих паст с L = 0,05...220 мкГ и
Q = 25...45; а также сверхминиатюрные соединители, трансформаторы,
четырехзнаковые индикаторы, линии задержки, переключатели и т.д.

Рассмотрим далее, какие же коммутационные платы применимы
для поверхностного монтажа и в чем их новизна. К таким платам
предъявляются следующие требования: повышенная плотность мон-
тажа (до 8 эл/см² ), минимальная длина межсоединений, отсутствие
навесных перемычек, высокая разрешающая способность печати (не ху-
же 0,2 мм), более интенсивный теплоотвод, автоматизация сборки, мон-
тажа и контроля.

Из применяемых материалов для таких плат используют стекло-
эпоксидные, бумажноэпоксидные и бумажнофенольные слоистые ма-
териалы. Среди первых наиболее распространены сочетания «эпоксид-
ная смола-стекловолокно»(ε=4,5...5;ТКР=(14...18)•10^-6К^-1 λ, = 0,16 Вт/(м • К) и «эпоксидная смола—кварц» (ε = 3,6; ТКР == 5 • 10^-6 К^-1 ; λ, = 0,17 Вт/(м • К). Они обычно применяются как для бытовой техники, так и для микроэлектронных устройств повышенной мощности.

Ко второй и третьей группам материалов относят термопластики (поли-
су льфон, полиэфиримид ε = 3; ТКР=20•10 ^-6 К^-1 ; λ = 0,16 Вт/(м • К) и
материалы на основе полиимида со стекловолокном ε = 3,5; ТКР=
= (15 ... 18) 10^-6 К^-1 ; λ, = 0,38 Вт/(м • К). Термопластики чаще при-
меняют как прозрачные платы для дисплеев, устройств цветного коди-
рования, а материалы на основе полиимида — для цифровых устройств
с повышенной плотностью монтажа и высоким быстродействием.

Получение рисунка печатных проводников на полиимидных пленках
может быть выполнено с шириной проводника 25 мкм и расстоянием
между ними 75 мкм полуаддитивным фотографическим методом
Photoforming. Другой, не менее интересный, метод называется лазерным
экспонированием. В этом случае при нагреве лучом органические смо-

110

лы с диспергированными частицами меди размягчаются, частицы
сплавляются и образуют проводник шириной 120...140 мм. Третий ме-
тод, который разработан и в отечественной промышленности, состоит в
изготовлении «рельефных плат» («рельефное тиснение»). Рисунок
коммутации наносят через трафарет на проявляющую бумагу и покры-
вают сверху адгезивом, потом бумагу переворачивают, накладывают на
плату и проводят горячую штамповку.

Разновидностью конструктивов с микрокорпусами ИС и микроэле-
ментами являются крупноформатные подложки (КФП), или гигантские
микросборки. Их особенность заключается в том, что вместо печатных
плат в качестве несущих оснований в них применяют металлические
основания (стальные либо алюминиевые размером до 300x400 мм и тол-
щиной 0,5 ...1 мм), на которые в первом случае вжигают многослойную
(порядка шести слоев) толстопленочную керамику, а во втором случае
наклеивают трассировочную полиимидную пленку (при этом кроме
микрокорпусов могут использоваться и бескорпусные БИС на ленте-
носителе). Плата также может быть выполнена целиком из керамики
А1₂О₃ , но при этом меньших размеров (140x120 мм, толщиной 5 мм и

массой порядка 350 г). Применение металлических оснований позволяет обеспечить требуемые вибро- и ударопрочность, теплоотвод и осуществить общую земляную шину.

Однако при разработке КФП встречаются следующие трудности
конструкторско- технологического характера, а именно:

необходимость совместимости материалов держателей ИС и под-
ложки по коэффициенту температурного расширения;

необходимость согласования плотности межсоединений, в частно-
сти контактных площадок с плотностью расположения площадок вво-
да-вывода на кристаллодержателях и лентах-носителях (шагом их вы-
водов);

требование надежного теплоотвода от кристаллодержателей и
лент-носителей с большим числом активных компонентов (элементов).

В качестве примера решения этих задач и обеспечения высоких тех-
нических показателей можно привести конструкцию КФП фирмы
Exacta (Шотландия), получившую название Chipstrate [9]. Основной несущей конструкцией этих КФП является пластина, выполненная из алюминия. На ней крепится шестислойная с эластомером подложка толщиной 0,25 мм с шириной проводников 0,1 мм, на которой монтируются БИС в кристаллодержателях или на лентах-носителях. Амортизирующее свойство верхнего слоя (эластомера) сводит к минимуму риск повреждения паяных соединений, которые могут возникнуть из-за различных КТР материалов подложки и кристаллодержателей. Платы

Chipstrate во многом превосходят гибридные толстопленочные схемы,
размер которых ограничен. Первые же могут по своим размерам при-
ближаться к обычным печатным платам. Основные технические харак-
теристики плат Chipstrate в сравнении с обычными печатными платами
даны в табл. 3.9.

Таблица 3.9

В конструкциях крупноформатных подложек принят шаг сетки, рав-
ный 0,63 мм и менее вместо 1,27 мм для обычных печатных плат, номи-
нальный диаметр отверстий 0,3 мм вместо 0,8 мм, что позволило увели-
чить плотность межсоединений на 75%. В дальнейших разработках до-
стигнута сверхвысокая плотность межсоединений еще и за счет устра-
нения межслойных отверстий и замены их на сплошные стерженьки пу-
тем электролитического осаждения меди. Минимальный диаметр меж-
соединения при этом равен 0,13 мм. Наличие таких стержневых межсо-
единений (сплошных и в большом количестве) позволило обеспечить
лучший теплоотвод, чем в случае металлизированных отверстий.