Book3 (Учебник Конструирование РЭС), страница 11

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.

В других разработках крупноформатных подложек проблема терми-
ческого согласования кристаллодержателей и подложки решена за
счет применения корпусов кристаллодержателей, выполненных не из
керамики, а из стеклоэпоксидных слоистых материалов с малым значе-
нием диэлектрической постоянной. Это обеспечивает не только терми-
ческое согласование, но и достаточно хорошее быстродействие за счет
уменьшения паразитной емкости между выводами и низкую стоимость
корпуса. Метод конструирования МЭА высокой интеграции на крупно-
форматных подложках осваивается и у нас, но не так широко как за ру-
бежом из-за малого числа серий БИС в кристаллодеражателях и на
лентах-носителях.

Конструктивы, выполненные на мини-МСБ, внешне мало отличают-
ся от аналогов на микросборках, за исключением их малых масс и объе-
мов и повышенных требований к устойчивой работе.

112

Мини-МСБ, как известно [9],
сочетает в себе все преимущест-
ва полупроводниковой и гиб-
ридной технологий.

Примером мини-МСБ может
служить конструкция схемы уп-
равления двигателями в кассет-
ных видеомагнитофонах, разра-
ботанной фирмой NEC Corp.
(Япония) (рис. 3.29).

В прототипе ранее была одна
линейная ИС (ЛИС), три тол-
стопленочных резистора, шесть
мощных транзисторов и один
диод, собранные на керамиче-
ской толстопленочной гибрид-
ной плате. Плата корпусирова-
лась, и корпус герметизировал-
ся фенольной смолой.

Рис. 3.29. Мини-микросборка
фирмы NEC (Япония)

В новом варианте мини-МСБ
схема содержит одну ЛИС, три
кристалла (с резистором и
мощный транзистором каж-
дый) и четвертый кристалл с тремя транзисторами и одним диодом.
Кристаллы и ЛИС развариваются на трассировочной полиимидной пла-
те, укрепленной на выводной рамке. В подобных конструкциях мини-
МСБ могут использоваться транзисторные, диодные матрицы, мини-
конденсаторы и пленочные резисторы, изготовленные с высокой разре-
шающей способностью. Причем перенос пассивных элементов с тонко-
пленочной подложки на кристалл и их изготовление по технологии,
близкой к полупроводниковой, уменьшает как число самих кристаллов,
так и число операций изготовления, что на 20...30% снижает стоимость
изделий.

Для приближения конструкций аналоговых МЭА к идеальным кон-
структивам в аналоговых ФЯ на мини-МСБ необходимо:

применять мини-МСБ с ЛИС повышенной интеграции;

компоновать мини-МСБ по принципу непрерывной микросхемы;

в качестве частотно-избирательных узлов применять приборы фун-
кциональной электроники (фильтры упругих волн и фильтры ПАВ);

общую трассировочную плату выполнять на-гибком печатном осно-
вании — полиимидной пленке, приклеенной непосредственно к дну
корпуса-экрана;

113

корпус-экран выполнять из тонкостенных (не более 0,5 мм) метал-
лов (алюминия с добавками лития, бериллия, реже латуни) или компо-
зиционных материалов (фольгированных стеклопластиков) для умень-
шения доли несущих конструкций в общем балансе масс и объемов
конструктива аналоговой МЭА. Подобные принципы построения ФЯ на
мини-МСБ могут быть использованы и при разработке цифровой МЭА
высокой интеграции.

Принцип конструирования устройств сверхвысокой интеграции
(ИЦП) основан на использовании суперкомпонентов. С развитием мик-
роэлектронной техники уровень интеграции и функциональная слож-
ность ИС стремительно растут, в результате чего эти компоненты на-
чинают выполнять функции блоков и даже подсистем, определяющих в
целом функционирование всего устройства. Так появляются компонен-
ты более высокого иерархического уровня, или суперкомпоненты. В
связи с этим сам процесс конструирования современной и перспектив-
ной МЭА высокой интеграции уже не может рассматриваться как соче-
тание простых задач компоновки и монтажа компонентов, а должен
рассматриваться как разработка самих суперкомпонентов, а в дальней-
шем как компоновка и монтаж, причем более сложный, чем в конструк-
циях предыдущих поколений.

Примером такой разработки конструктива на суперкомпонентах мо-
жет служить суперинтегральный кристалл фирмы Toshiba (Япония),
содержащий микропроцессор Z80, программируемый периферийный
интерфейс, программируемый блок ввода-вывода, счетчик (таймер) и
логические схемы для тестовой проверки ИС (рис. 3.30). В этой разра-
ботке ускорение процесса проектирования мини-блоков достигнуто пу-
тем применения стандартных КМОП-кристаллов, которые используют
как суперкомпоненты большой гибридной ИС. Для этого берут фото-
шаблоны уже готовых КМОП БИС и размещают их на одном кристалле,
а затем соединяют их электрически между собой вторым слоем метал-
лизации. Для такого суперкомпонента все межсоединения обычно на-
ходятся в самих стандартных КМОП БИС, поэтому во втором слое чис-
ло межсоединений сравнительно невелико. Однако поскольку эти раз-
работки технологически еще недостаточно отработаны, процент выхо-
да годных низок, гибкость автоматизации невелика и стоимость высока.
Несмотря на эти недостатки, такой конструктив позволяет сократить
срок разработки с 12...16 месяцев для полузаказных ИС до 5...6 месяцев,
т.е. более чем вдвое. То же самое происходит со стоимостью: микро-
сборка, в которой применяется суперкристалл, стоит в два раза меньше,
чем набор стандартных БИС и логических ИС контроля. Размеры же
печатной схемной платы с таким набором при переводе ее на МСБ с су-
перкристаллом уменьшаются в 5...6 раз. Аналогичный пример можно

114

Рис. 3.30. Конструктив на суперкомпонентах: 1 — контактные площадки;