Tecnologie per il Packaging Elettronico

Transcript

1 Sistemi Microelettromeccanici Università degli studi di Roma La Sapienza Tecnologie per il Packaging Elettronico Michele Marino A.A

2 Sistemi Microelettromeccanici

3 Introduzione al packaging Le utilità di un package elettronico sono essenzialmente quattro: Fornire l alimentazione ai vari componenti Distribuire i segnali tra i vari componenti al fine di formare una unità funzionale Dissipazione del calore Supporto meccanico e protezione

4 Introduzione al packaging Sono richiesti almeno due livelli di package Il conteggio dei livelli inizia dal die in silicio

5 Sfide del packaging microelettronico Problema delle interconnessioni: riguarda il ritardo delle connessioni all interno del chip, all interno del package (wire bonding), nonché sul PCB Tale ritardo è dovuto essenzialmente a due fattori: Capacità parassite Resistenze delle linee di collegamento Un modello semplificato L: lunghezza W: larghezza H: altezza SH: spaziatura orizzontale SV: spaziatura verticale Resistenza linea Capacità parassita L R = ρ C WH t d R C = 2ε H L W L 2ε 0 ε + S H SV = r Ritardo sul segnale 2 0ε rρl 1 W S H 1 + H S Dipende dalla geometria e dal materiale utilizzato V

6 Passi di processo per la realizzazione di un chip/dispositivo MEMS Molti passi di processo vengono ripetuti più volte Per un chip di DRAM da 256 MB sono necessari circa 400 passi di processo!

7 Passi di processo per la realizzazione di un chip/dispositivo MEMS - Fotolitografia I wafer ricoperti di photoresist vengono esposti alla luce La maschera definisce le aree da esporre

8 Passi di processo per la realizzazione di un chip/dispositivo MEMS - Pulitura Prima della deposizione di metalli o altri materiali sul wafer, deve essere rimosso il photoresist non necessario Generalmente viene utilizzato l etching al plasma Processo molto selettivo

9 Passi di processo per la realizzazione di un chip/dispositivo MEMS - Pulitura Deposizione i del layer mediante evaporazione a fascio elettronico Processa circa 32 wafer per ciclo

10 Taglio del wafer in silicio - Dicing Alla fine tutti i chip si trovano sul wafer in silicio Prima del packaging devono essere separati Per evitare che durante il taglio i chip si sovrappongano, si utilizza uno strato adesivo a sua volta fissato su un supporto meccanico La profondità del taglio viene selezionata in modo tale da non raggiungere g lo strato adesivo

11 Taglio del wafer in silicio - Dicing La sega usa un controllo numerico nel taglio dei wafer Il riferimento i del taglio è costituito i dalle scribe lines Il controllo consente di muovere il wafer in una posizione precisa per il taglio

12 Package di primo livello L utilità del package consiste nel collegare elettricamente il circuito integrato all interno dell ambiente nel quale deve lavorare, consentendo: di essere maneggiato con facilità (piazzamento automatico sul PCB) di eseguire test Caratteristiche richieste per i package: Fornire caratteristiche elettriche accettabili Basso costo Alti volumi di produzione Alta affidabilità Opzioni per la riparazione o sostituzione La geometria dei contatti (pin) dipende dalla tecnologia utilizzata nel package di 2 livello

13 Lead frame Il lead frame costituisce la struttura centrale di supporto del package, dal quale partono tutti i collegamenti Il lead frame porta il chip attraverso i vari processi di assemblaggio e, alla fine, rimane all interno del corpo in plastica I lead frame vengono ricavati da striscie di metallo (rame o leghe ferro-nichel in filigrana sparati attraverso raggi irradiati da una piattaforma centrale, che supporta il die)

14 Posizionamento die Il posizionamento i del die (detto anche die bond) è il processo attraverso il quale il chip viene incollato, dalla faccia inferiore, sulla superficie di supporto del package, ovvero il lead frame Il die viene sollevato dal wafer (dopo il dicing) attraverso un estrattore a punta A questo punto un beccuccio a vuoto esegue la presa del chip, che lo stacca dallo strato adesivo, e lo posiziona i sul lead frame con molta precisione Tutti i passi vengono eseguiti da una macchina chiamata die bonder Ci sono essenzialmente due tecniche di posizionamento del die: Attraverso sostanze adesive Attraverso saldatura soft Attraverso sostanze eutettiche

15 Posizionamento die mediante sostanze adesive La giunzione tra il die e il paddle è realizzata mediante adesivi come poliammidi o epossidi. In molti casi gli adesivi vengono riempiti con particelle di argento al fine di creare giunzioni conduttive e per migliorare la conducibilità termica per la dissipazione del calore attraverso il lead frame. Le giunzioni conduttive sono utili in molti chip in quanto il corpo in silicio, di solito, è al potenziale di massa e quindi deve essere collegato elettricamente al potenziale di massa del circuito nel quale viene inserito. Prima di posare il die, l adesivo viene disperso in quantità controllate sul supporto (die paddle). La quantità di adesivo costituisce un parametro critico ed è dato dallo spessore desiderato dell interfaccia di adesione (bond interface 25um tipicamente). Questo non dovrebbe eccedere una quantità, relativa ad un riempimento di altezza h, pari a metà dello spessore del die. Oltre questo limite, l adesivo potrebbe contaminare i pad relativi al bonding durante la fase di pressione del die sul die paddle. E chiaro che una scarsa quantità di adesivo può portare allo spostamento del die dalla posizione desiderata. Una volta posato il die, l adesivo deve essere portato a temperatura elevata al fine di ottenere una adesione ottimale (circa 150 C per 60 minuti). Figure di merito degli adesivi per il die attach: Cicli di tempo molto ridotti durante il die bonding (2s) Scarsa o meglio, nessuna conducibilità elettrica Scarsa conducibilità termica

16 Posizionamento die mediante saldatura soft o sostanze eutettiche Questo processo consente di posare il die sul lead frame mediante l utilizzo di un materiale saldante. La tecnica ha caratteristiche meccaniche eccellenti e una conducibilità termica ed elettrica superiore rispetto alla tecnica mediante l uso di adesivi. Il primo passo consiste nella metallizzazione della superficie inferiore del die al fine di creare un legame tra il chip e la sostanza saldante. La sostanza saldante viene introdotta in forma liquida sul lead frame riscaldato opportunamente. Il die viene posato sul liquido fuso e, man mano che il liquido si raffredda, viene creata l adesione tra il die e il lead frame. Il processo di saldatura richiede un ambiente a gas inerte che impedisce l ossidazione del lead frame. Questo tipo di posa viene utilizzato tipicamente nei dispositivi per l automotive e ad alta potenza. Un meccanismo simile viene realizzato con materiali eutettici come l Au-Si (temperatura lead frame di 420 C) Un alto grado di Si diffonde d dal die verso la lega Au-Si creando così il legame Il tempo di ciclo per il bonding eutettico è di circa 6/8 secondi

17 Posizionamento automatico del die La selezione e il piazzamento del die viene eseguito atomaticamente da apposite macchine Le macchine sono in grado di piazzare circa 2000 dispositivi per ora

18 Wire bonding Il wire bonding riguarda il collegamento elettrico dal chip verso il lead frame. E una tecnica di interconnessione che fa uso di oro o alluminio, sorgenti di calore, energia ad ultrasuoni e pressione. Durante il processo di saldatura, la superficie metallica del filo e del pad vengono portate a stretto contatto tra loro, dopodichè avviene uno scambio di elettroni e una interdiffusione di atomi di metallo che risulta nella formazione di una forte connessione Esistono diverse tecniche di wire bonding: Wire bonding ad ultrasuoni Wire bonding a termocompressione Connessioni leggere: 17μm < diametro filo < 100μm Wire bonding a termosuoni Connessioni spesse: 100μm < diametro filo < 500μm Le connessioni vengono eseguite singolarmente da appositi macchinari

19 Wire bonding Bonding ad ultrasuoni Il filo viene guidato verso il bond pad e poi pressato sulla superficie dalla sonda ad ultrasuoni. Mentre il filo viene pressato tra l estremità della sonda e il pad, viene applicato un treno di vibrazioni ad ultrasuoni nel punto estremo della sonda. La combinazione della pressione e delle vibrazioni consente la creazione di una saldatura a freddo tra il filo e il pad.

20 Wire bonding Bonding ad ultrasuoni Il wire bonding ad ultrasuoni viene utilizzato prevalentemente per connessioni in alluminio con 25 μm < < 625μm Anello di connessione Connessione in alluminio (25μm), con pitch da 70μm Lunghezza anello: da 0.5mm a 2mm Altezza anello: da 0.2mm a 0.4mm Parametri tipici di processo: Forza: N Frequenza: 60 KHz Ampiezza: 1-2 μm Durata: 5-60 ms Pitch: 100 μm

21 Wire bonding Bonding ad ultrasuoni

22 Wire bonding Bonding a termocompressione Si ottiene pressando il filo sul pad ad elevata temperatura Utilizzato in genere con fili di Au e Cu con un diametro compreso tra 17 e 31 μm Il filo viene reso disponibile da un capillare in ceramica. Prima di fare il collegamento viene creata una bolla alla fine del filo. Questo viene fatto mediante una torcia ad idrogeno o tramite scarica elettrostatica. La bolla viene portata a contatto diretto col pad, che si trova a circa 350 C. La saldatura avviene applicando una forza verticale verso il pad, in modo da schiacciare la bolla. Viene poi formato un anello fino a raggiungere il bond pad del lead frame. Sotto l azione del calore e della pressione l altra l estremità del filo risulta di forma appuntita. Sollevando il capillare il filo viene interrotto. La seconda saldatura rappresenta il punto debole dell intera operazione Termocompressione + Ultrasuoni Termosuoni

23 Wire bonding Bonding a termocompressione Anello di connessione Prima saldatura Pitch 50 μm prima saldatura seconda saldatura Lunghezza anello: da 0.8mm a 1.5mm Altezza anello: da 0.3mm a 0.5mm Grazie alla particolare forma della prima saldatura, il filo può essere portato in qualsiasi direzione. Questo consente di accelerare drasticamente i tempi di wire bonding. Parametri tipici per un filo da 25μm: Forza: 6000 N Temperatura chip: 350 C Durata: 60 ms Pitch: >150 μm

24 Wire bonding Bonding termosonico Da 10 a 14 collegamenti al secondo

25 Wire bonding Bonding a termocompressione Collegamento elettrico tra i pad del die e i pad dei pin esterni

26 Wire bonding Prestazioni elettriche Le prestazioni elettriche del wire bonding dipendono dalla resistenza, dall induttanza del collegamento stesso, e dalle capacità dei pad E evidente che con il progredire della tecnologia il numero di linee di I/O tende ad aumentare per cui è necessario ottimizzare il wire bonding La resistenza tende ad aumentare, mentre la corrente di fusione tende a diminuire Valori tipici: C pad =400fF ; C bond =0.12pF/mm ; L=1nH/mm La diminuzione della corrente di fusione limita la densità di corrente e quindi la distribuzione di potenza all interno del package Questo ostacolo può essere superato raggruppando più fili insieme i per lo stesso segnale La resistenza e le capacità introducono un ritardo Accoppiamenti induttivi e capacitivi tra collegamenti adiacenti generano disturbi

27 Wire bonding Figure di merito Tecnica wire bonding Ultrasuoni Termocompressione Termosonica Diametro collegamenti μm μm μm Tipo collegamento Metallo pad Velocità Temperatura Pressione Au, Cu Al, Au Au Al, Au Au Al, Au 6 collegamenti/sec collegamenti/sec collegamenti/sec temperatura ambiente C C bassa alta Bassa Eccitazione ad ultrasuoni KHz nessuna KHz Pitch minimo 50 μm 35 μm 35 μm Vantaggi del wire bonding: Alta flessibilità Alta affidabilità Alto rendimento Rara presenza di difetti Svantaggi del wire bonding: Processo seriale, un collegamento alla volta Collegamenti lunghi degradano le performance elettriche Pad per bonding ggrandi Pericolo di rimozione dei collegamenti durante l incapsulamento Complessità elevata all aumentare delle linee di I/O Numero massimo di linee di I/O su un chip quadrato 6x6mm, con pitch da 50μm: 5 mm n = 4 = μm Per consentire il wire bonding, i pad devono essere disposti alla periferia del chip ad una distanza minima stabilità dalla tecnologia del wire bonding stesso

28 TAB Tape Automated Bonding Sostituzione del processo di connessione seriale del wire bonding con un processo di collegamento parallelo Il TAB utilizza lead frame più sottili posti su un film dielettrico al fine di rendere più accurato il pitch delle interconnesioni dal chip al lead frame In genere è il lead frame stesso che non permette di raggiungere dimensioni piccole del pitch Quindi il TAB consiste nell interfacciamento del chip mediante una serie di collegamenti già modellati, presenti su un nastro in polimero Il cuore del TAB è costituito dal nastro Il cuore del TAB è costituito dal nastro contenente i vari siti, nei quali verranno posizionati i chip

29 TAB Flusso di realizzazione

30 TAB Preparazione die Normalmente, per i collegamenti interni viene utilizzato un processo di termocompressione, in cui un tool caldo (da 300 a 600 C) applica una pressione tra i contatti interni del TAB e i contatti del chip. In ogni caso, un contatto diretto tra i contatti interni presenti sul nastro e i pad in Al del chip standard non è realizzabile per le seguenti ragioni: Il contatto potrebbe essere chiuso verso la massa del silicio sulle estremità del chip a causa della scarsa distanza tra i collegamenti e la superficie i del chip A causa della passivazione, i pad in Al sono immersi nella superficie del die, quindi i contatti planari avranno accesso limitato alla superficie del pad Al fine di ottenere una buona interconnessione i è necessario applicare forze consistenti ti La superficie dei pad è ricoperta da un ossido naturale che impedisce la saldatura tramite termocompressione

31 TAB Preparazione die E necessario quindi una metallizzazione che sollevi l interfaccia di collegamento tra i contatti interni del lead frame e i contatti del chip. Tale contatto sarà costituito da un materiale che permette il bonding tramite termocompressione La base del contatto è costituita da uno strato di titanio che presenta buona caratteristiche di adesione sia verso il pad in alluminio che verso lo strato passivante Il layer di adesione viene depositato mediante evaporazione previa rimozione del passivante sul pad in Al Sul layer di adesione, viene depositata una metallizzazione in rame realizzata mediante tecnica di electroplating Infine si ha una copertura con un metallo nobile onde evitare l ossidazione del contatto stesso Il processo viene eseguito Il processo viene eseguito direttamente a livello di wafer prima della separazione dei chip

32 TAB Realizzazione dei collegamenti interni I collegamenti interni vengono realizzati sul nastro in poliammide, tutti nello stesso istante mediante termocompressione Il collegamento avviene tra lo strato in oro esterno del pad rialzato e il collegamento del lead frame Il livello di pressione richiesto deforma considerevolmente il contatto creato. Temperatura sonda 450 C < T < 550 C Forza applicata Tempo richiesto 4500N < F < 12000N 0.3 s

33 TAB Realizzazione dei collegamenti esterni Anche i contatti esterni vengono realizzati tutti contemporaneamente Realizzati mediante un processo di saldatura I punti di collegamento devono essere ricoperti da un fissante prima dll della saldatura Una volta piazzato il componente la sonda termica esegue tutte le saldature contemporaneamente esercitando, allo stesso tempo anche una pressione sui punti di saldatura Il calore viene trasferito dalla sonda alla sostanza saldante che forma il contatto Una volta eseguita la saldatura, la sonda viene raffreddata, mantenendo la pressione costante sul contatto Creati i collegamenti, la sonda viene sollevata Il processo avviene tra i 10 e i 20 secondi

34 TAB Figure di merito Vantaggi del TAB: Adatto per pad di collegamento piccoli e pitch ridotto Adatto per un numero elevato di linee di I/O Il collegamento simultaneo consente di ridurre notevolmente i tempi Package a basso profilo Miglioramento delle prestazioni elettriche (eliminazione di collegamenti lunghi) Possibilità di eseguire test direttamente sul nastro in poliammide prima dell assemblaggio Migliore conduzione termica Modulo a 84 I/O Wire bonding TAB Svantaggi del TAB: Lunghezza collegamento [mm] Induttanza collegamento [nh] da 12.5 a 17.7 da 6.5 a 9 da 16 a 23 da 5 a 7.2 Nessuna opzione di inserimento di parti attive sotto i pad (a causa della termocompressione) Le dimensioni del package aumenta con l aumentare delle linee di I/O Processo poco flessibile a causa dei tool utilizzati (nastro, sonde) Costo addizionale dovuto al rialzo del contatto del pad sul chip

35 Packaging plastico Dopo aver effettuato le connessioni il chip viene incapsulato nel package: Protezione del chip dall ambiente ambiente esterno Assemblaggio del chip su PCB Il processo tipico riguarda il riempimento di una forma prestabilita Tre passi di processo essenziali: Posizionamento del chip, con i relativi collegamenti al lead frame all interno della forma Trasferimento del liquido fuso all interno della cavità Espulsione del componente ricoperto Il composto di riempimento è costituito da un materiale resistente alle alte temperature costituito da resine epossidiche La resina è composta da due componenti: la resina base e un indurente che da inizio alla reazione incrociata del polimero nella resina base (catalisi) Prima di trasferire il composto nella forma, viene riscaldato al fine di abbassarne la viscosità e per accelerare la catalisi. Subito dopo il trasferimento all interno della cavità, avviene la catalisi e la resina si indurisce.

36 Packaging plastico Processo di trasferimento dell infuso Posizionamento dei chip all interno delle cavità Disposizione ii delle dll cavità in prossimità ità dll delle pompe per il trasferimento t dll della resina fusa dl dal contenitore dl del liquido verso le cavità. La cavità definisce la dimensione, la forma e la superficie del dispositivo finale

37 Packaging plastico Processo di trasferimento dell infuso Flusso della resina di riempimento: I due involucri vengono pressati al fine di costituire la cavità per l iniezione della resina La resina pre-riscaldata e liquefatta, viene compressa dallo stantuffo e trasferita nelle cavità in pochi secondi. La pressione viene esercitata per circa 30 secondi, fino a quando la resina si indurisce.

38 Packaging plastico Processo di trasferimento dell infuso I ponti sono utili al fine di creare la cavità quando i due involucri vengono pressati Inoltre, costituiscono il riferimento per il taglio laterale finale Quando viene aperta la cavità, si ottiene il chip completo di package con i pin in direzione orizzontale

39 Packaging plastico Tipi di package

40 Packaging plastico Gestione termica Il silicio i e le resine epossidiche hanno coefficienti i i di dilatazione i termica differenti i Questo causa differenze significative nelle dimensioni tra il die e l incapsulamento, quando la resina viene portata sotto i 180 C. Le frecce nelle figure rappresentano due marker alla distanza di 2 mm dal centro del die, i quali si trovano, a 180 C, esattamente uno in posizione opposta dell altro. Man mano che la temperatura scende, i marker verranno shiftati ulteriormente data la differente contrazione termica dei materiali Poiché i materiali vengono messi a stretto contatto all interfaccia, queste differenze geometriche inducono uno stress meccanico sulla superficie del chip, che può causarne il mal funzionamento

41 Packaging plastico Comportamento termico Misure per la riduzione del mismatch tra i coefficienti di dilatazione termica: Adattamento del coefficiente di dilatazione termica della resina epossidica a quello del Si mediante l aggiunta di sostanze quali SiO 2 cristallino (CTE=15*10-6 K -1 ), SiO 2 fuso (CTE=0.5*10-6 K -1 ) o AlN (CTE=4.4*10-6 K -1 ) Introduzione di uno strato anti-stress tra la superficie in silicio e la sostanza di riempimento L aggiunta di sostanze addizionali riduce il coefficiente di dilatazione termina della resina epossidica Lo strato è composto principalmente da polimeri che presentano caratteristiche elastiche e assorbono lo stress imposto dalla resina epossidica. In particolare, l uso di poliammidi fotosensibili rende ancora più comoda l operazione, in quanto le aperture dei pad vengono realizzate mediante esposizione e successivo sviluppo senza PR addizionale.

42 Packaging plastico Test finale Tutti i dispositivi vengono testati elettricamente Eseguito automaticamente da macchine capaci di testare oltre componenti per ora

43 Package ad array superficiali L incremento delle funzionalità dei chip comporta un incremento delle linee di I/O In realtà il pitch tra i pin nonché il numero determina le dimensioni del package L incremento del numero dei pin richiede la riduzione del pitch al fine di ridurre le dimensioni del package e seguire il trend della miniaturizzazione. La tecnologia SMD è passata da 1.27mm a 0.5mm e ultimamente a 0.4mm. L assemblaggio di tali package richiede l utilizzo di tecniche molto precise e affidabili. Una configurazione molto vantaggiosa dei pin di I/O è quella ad array superficiale La distribuzione degli I/O su tutta la superficie del package consente di ridurre notevolmente il pitch dei contatti

44 Package ad array superficiali La nuova distribuzione dei pin porta ad avere contatti verticali verso il PCB e non più orizzontali Per questo motivo, durante la saldatura vengono utilizzate delle sfere di materiale saldante Chip Size Package (CSP): Ball Grid Array (BGA): Pitch 1mm Chip con wire bonding oppure flip chip con ridistribuzione dei pad Possibilità di integrare più di un chip (package multi-chip, MCM) Contenitore plastico Pitch < 1mm (tipicamente da 0.8mm a 0.5mm) Chip montato con la faccia rivolta verso il basso su un layer per la ridistribuzione dei collegamenti Incapsulamento parziale in plastica Wafer Scale Chip Size Package (WS-CSP): Il layer di ridistribuzione viene aggiunto direttamente sul die mediante un processo a livello di wafer Pitch 0.5mm Incapsulamento parziale in plastica Flip chip (simile al WSCSP): Senza incapsulamento plastico Non è definito un pitch standard Possono essere inclusi anche nei package BGA e CSP

45 BGA (Ball Grid Arrays) La distribuzione dei pin su tutta la superficie del package richiede collegamenti anche inferiori ai 100μm. Il processo di distribuzione delle linee di I/O e il wire bonding viene eseguito direttamente dal produttore del package. Il package ottenuto è completamente compatibile con l assemblaggio SMD. I vantaggi principali i dei BGA sono: Minore consumo di area per IC con elevato numero di I/O Rilassamento del pitch tra i contatti sul PCB Tecnologia di assemblaggio simile a quella SMD

46 BGA (Ball Grid Arrays) La costruzione del BGA avviene su un supporto organico, sul quale vengono applicati i processi simili ili a quelli utilizzati per i PCB. Una volta realizzato il supporto con i vari collegamenti viene eseguito il die bond e infine il wire bonding Il chip finale viene ricoperto e vengono formate le sfere saldanti sui pad tipicamente con diametro di 750μm (per pitch di 1.27mm o 1.5mm) Le sfere saldanti vengono preparate e posizionate automaticamente da un robot. Queste vengono preparate tutte insieme e disposte su un supporto a matrice seguendo la geometria del BGA. Successivamente vengono depositate mediante uno strato fissante (previo allineamento della matrice di bolle) Infine, il BGA viene trasportato in un forno dove viene eseguito un reflow standard, durante il quale le saldature si assestano e creano i punti di giunzione.

47 BGA (Ball Grid Arrays) L allineamento del package e il relativo piazzamento delle sfere saldanti viene eseguito automaticamente

48 Tecnologia flipchip Le sfere saldanti vengono piazzate sul lato attivo del dispositivo, direttamente sui pad di connessione. Il processo di formazione delle sfere saldanti è molto sofisticato per due ragioni: Le dimensioni sono molto ridotte I pad in alluminio non possono essere saldati direttamente E necessaria una metallizzazione dei pad prima della saldatura al fine di permettere l adesione del liquido saldante. Tipicamente realizzata in nichel depositato sull alluminio e un leggero strato di oro per proteggere il nickel dall ossidazione ossidazione. Creazione della metallizzazione mediante evaporazione oppure elettrodeposizione: Applicazione del PR Sviluppo del PR in corrispondenza dei pad Elettro-deposizione del composto saldante Rimozione del PR Tipicamente le sfere saldanti hanno un diametro compreso tra 100 e 500μm. E evidente che la tolleranza di queste dimensioni è molto ridotta onde evitare di mancare collegamenti durante il processo di saldatura.

49 Tecnologia flipchip Se il chip non è disegnato per l assemblaggio mediante tecnica del flip chip, la configurazione dei pad deve essere modificata. E necessario aggiungere un layer sul chip per ridistribuire i pad Implementato mediante il processo thin film Mediante un routing addizionale si ottiene la distribuzione originaria dei pad verso una distribuzione ad array Tipicamente i flip chip vengono assemblati insieme ai componenti SMD A differenza di questi ultimi, i flip chip non richiedono la presenza di pasta saldante prima della saldatura I flip chip sono molto sensibili a shock meccanici Generalmente sono gli ultimi componenti ad essere montati sul PCB Entro certi limiti, i flip chip possiedono la caratteristica di auto-allinearsi durante il flusso di saldatura a causa della superficie tensoriale creata dal composto saldante

50 Tecnologia flipchip La forte differenza tra il coefficiente di dilatazione termica del silicio e quello del materiale che costituisce il PCB comporta stress considerevoli nel montaggio dei flip chip, che può portare alla rottura dei punti di saldatura Per evitare danneggiamenti di questo tipo, viene applicato un riempimento stabilizzante, costituito da polimeri a Per evitare danneggiamenti di questo tipo, viene applicato un riempimento stabilizzante, costituito da polimeri a bassa viscosità, in prossimità del flip chip. Questo consente di ridurre notevolmente lo stress meccanico sulle saldature del flip chip.

51 Testing finale Prima di metterli in commercio, tutti i dispositivi vengono testati Le macchine eseguono test ad alta frequenza e test ad alta potenza

52 Tecnologia a montaggio superficiale (SMT) La tecnologia SMT (Surface Mount Technology) consiste nel saldare il componente direttamente sui pad del PCB invece di inserirlo in appositi fori di passaggio (THT Through Hole Technology). Consente di risparmiare spazio e costi rispetto alla tecnologia THT Il pitch tra i pin passa da 2.54mm a 1.27mm e anche sotto 1.27mm

53 Tecnologia a montaggio superficiale (SMT) Flusso di processo Prima del piazzamento del componente, sui pad viene depositata la sostanza saldante Questo avviene mediante una maschera il cui spessore ( 200μm) stabilisce la quantità di saldante depositato sul pad Quindi una certa quantità di saldante viene posto sulla maschera, allineata col PCB Un puntale viene poi utilizzato per spargere il saldante uniformemente sulla maschera, al fine di ricoprire i pad del PCB.

54 Tecnologia a montaggio superficiale (SMT) Flusso del processo Applicata la pasta saldante, avviene il piazzamento automatico dei componenti mediante pinze a vuoto Per il piazzamento dei componenti esistono tre metodi base: Piazzamento simultaneo Tutti i compenti del circuito vengono posizionati nello stesso istante (da 30 a 200 componenti) +) Tempi di posizionamento i molto ridotti i ) Ristretto a tipi di package delle stesse dimensioni Piazzamento in linea Ogni tool di piazzamento è associato ad un componente e i tool vengono arrangiati in linea retta. Il PCB viene trasportato tra i diversi i tool di piazzamento: +) Adatto per produzioni di massa con un numero limitato di componenti +) Consente una grande varietà di package ) Alti investimenti Piazzamento sequenziale Ogni tool di piazzamento posiziona un componente +) Adatto per piccoli e medi volumi di produzione +) Altamente flessibile +) Piazzamento più preciso ) Tempi di piazzamento lunghi La tecnologia SMT non costituisce un fissaggio meccanico fino a quando viene eseguita la saldatura vera a propria. Infatti la pasta saldante serve solo per fissare i componenti sul PCB al fine di eseguire la saldatura meccanica

55 Tecnologia a montaggio superficiale (SMT) Flusso del processo Piazzamento SMD a due stadi componenti per ora

56 Tecnologia a montaggio superficiale (SMT) Flusso del processo Il processo tipico di saldatura è quello noto come reflow soldering. Durante il processo di reflow tutto il PCB con i componenti viene portato ad una temperatura tale da fondere la pasta saldante presente sui pad. Il processo di reflow è un processo termico dinamico, che consiste in più fasi: Evaporazione i ingredienti i organici i presenti nella pasta saldante Fusione del saldante Espansione sulla superficie dei pad del saldante fuso Solidificazione del saldante per la formazione di un collegamento elettrico e meccanico rigido id Quindi il PCB viene esposto a diversi profili di temperatura il base al processo coinvolto nella rispettiva fase di saldatura. Al fine di permettere di raggiungere la temperatura appropriata il PCB viene spostato all interno di un forno con zone a temperatura diversa. Ogni zona viene riscaldata mediante convezione forzata di aria calda o gas inerte.

57 COB Chip On Board Nel caso dei COB, il package viene realizzato direttamente sul PCB L incapsulamento viene realizzato da macchine specializzate La stessa tecnica viene utilizzata anche per i MCM

58 PCB Printed Circuit Board Costituito da un supporto in sostanza organica non conduttiva, con una ricopertura in rame su una oppure entrambe le facciate Gli strati in rame costituisco la base sul quale verranno costituite le linee di connessione tra i vari componenti presenti sul PCB La modellazione degli strati in rame può essere realizzata mediante fresatura per bassi volumi di produzione o per prototipazione i Le linee di connessione vengono ricavate dal rame e isolate elettricamente dal resto La larghezza minima delle piste va da 0.2mm a 0.1mm

59 PCB Printed Circuit Board L approccio tipico per la realizzazione delle piste sul PCB è il processo litografico, che presenta due vantaggi principali: Connessione con larghezza inferiore ai 50 μm Adatto per alti volumi di produzione Il primo passo del processo litografico consiste nella ricopertura del rame con photoresist, disponibile in forma liquida o sotto forma di film secco. In generale il secondo tipo viene preferito al primo. Il film di photoresist viene laminato sullo strato in rame mediante pressione ed elevata temperatura Il processo viene eseguito in una stanza chiusa onde evitare che eventuali particelle di polvere possano depositarsi tra il rame e il photoresist, che potrebbero causare difetti nei passi di processo successivi All interno della stanza è presente una illuminazione a luce gialla per evitare esposizioni non controllate del photoresist Dopo l applicazione del PR, vengono realizzati quattro fori in ogni angolo del PCB Questi costituiscono un allineamento meccanico per i passi di processo successivi

60 PCB Printed Circuit Board Un requisito essenziale per il processo litografico è la generazione della maschera per il trasferimento del modello delle piste sul PR Il circuito viene prima disegnato attraverso un sistema CAD, e poi passato ad un sistema di processamento al fine di convertire il circuito in un layout fisico che rispetti le specifiche di progetto definite per la tecnologia realizzativa del PCB Il layout fisico viene scritto direttamente su un film fotografico in scala 1:1, mediante un raggio laser controllato da un sistema CAD Le varie connessioni appaiono sul film in modalità negativa: le connessioni sono trasparenti e l area rimanente tutta opaca Se il PCB è a doppia faccia, le maschere relative alle due facciate devono essere allineate mediante i fori di registrazione Le maschere vengono poggiate direttamente sul PR Il film di PR tipicamente è a reazione negativa, in modo tale che le parti esposte polimerizzano per lo sviluppo successivo

61 PCB Printed Circuit Board Le parti di PR non esposte vengono rimosse completamente mediante un lavaggio in soluzione alcalina Le parti esposte risultano polimerizzate e quindi non subiscono variazioni Il passo successivo riguarda il processo di etching che riguarda il trasferimento del routing delle piste sul rame L attacco rimuove il rame non ricoperto da PR e si arresta automaticamente quando il rame viene rimosso fino al supporto in resina epossidica del PCB Poiché l attacco è isotropico, anche le piste ricoperte da PR vengono attaccate da entrambi i lati in piccole percentuali (under etching) L ff tt di d t hi d id t l l l d ll i t d ll L effetto di under etching deve essere considerato nel calcolo della resistenza delle linee e quindi nella creazione delle maschere

62 PCB Printed Circuit Board E necessario rimuovere il PR ancora presente sulle tracce in rame Possibilità di utilizzare più di due layer per il routing (circuiti complessi) I layer addizionali i possono essere aggiunti i rivestendo il PCB a doppia faccia con altri strati di resina epossidica e relativi i strati di rame. La struttura così ottenuta viene unita mediante un trattamento a pressione ed elevata temperatura Nessuna connessione tra i diversi layer. Per realizzare connessioni verticali è necessario forare il PCB fino a raggiungere i diversi layer ed eseguire una metallizzazione dei fori (drill via) Realizzazione via: Meccanica (diam > 0.1mm) Laser (diam 90μm) Attacco al plasma Sezione trasversale di un via con diametro di 120μm

63 PCB Printed Circuit Board Alla fine il PCB viene ricoperto da una maschera al fine di evitare di collegare accidentalmente le piste tra loro durante il processo di saldatura Durante la saldatura sorgono alcuni problemi: La lega saldante può spargersi lungo la traccia e lasciare il pad con una saldatura debole Tracce adiacenti potrebbero essere cortocircuitate La lega potrebbe non aderire nelle aree coperte da maschere saldanti organiche Generalmente la maschera saldante è un tipo di liquido fotosensibile che ricopre tutta la superficie Durante il processo litografico, vengono aperte delle finestre in corrispondenza dei punti di contatto

64 PCB Controllo dell impedenza In genere esistono dei transitori che vengono trasmessi lungo le tracce. Per evitare riflessioni lungo le tracce, è necessario che queste presentino una impedenza costante. L impedenza caratteristica di una linea, assumendo una linea senza perdite, è : Z = L C L C Questo significa che è necessario mantenere costante lungo la linea sia la capacità che l induttanza D altra parte, l impedenza caratteristica di una linea di trasmissione è legata alla sua geometria e alle proprietà del materiale L approccio tipico per il controllo dell impedenza è costituito dalle configurazioni a microstriscia e stripline, ognuna delle quali costituisce il riferimento o il piano di massa. L impedenza caratteristica di una microstriscia può essere calcolata, approssimativamente, mediante la formula: Z = 87Ω k h ln 0.8 w + t L impedenza di una linea, dato un set tipico di parametri, risulta: Z = 90. 2Ω k 4.5 t [μm] 40 h [mm] 0.25 w [μm] 100 Uno svantaggio della configurazione a microstriscia è la sensibilità dell impedenza rispetto a layer addizionali quali la maschera per la saldatura, che ha un impatto considerevole sulla struttura del flusso del campo elettrico.

65 PCB Controllo dell impedenza La configurazione a microstriscia tiene conto anche di eventuali layer di copertura Z = 60Ω 6.8 h ln k 0. w + t eff 8 Il calcolo dell impedenza deve tenere conto anche delle proprietà dielettriche del materiale di cui è fatta la maschera per le saldature Il calcolo del coefficiente k eff non è difficile da calcolare, ma richiede l utilizzo di simulatori di flusso elettromagnetico sofisticati Se per il layer principale del PCB k=4.5, segue che keff=3.66, tenendo conto anche della maschera saldante. Se tutti gli altri parametri vengono mantenuti costanti, l impedenza dovuta alla presenza della maschera à data da: Z = 83. 1Ω Per PCB con più di due layer, le linee di trasmissione nei layer interni possono essere configurate come stripline Comparata con la microsctriscia, la stripline presenta alcuni benefici: La presenza della schermatura superiore ed inferiore fornisce un buon isolamento dagli altri segnali sul PCB, il quale riduce gli accoppiamenti dovuti ai flussi dei campi elettrici simmetrici Nessuna sensibilità nei confronti di coperture superficiali addizionali Se una stripline deve essere progettata al fine di presentare la stessa impedenza di una microstriscia senza variazione degli altri parametri, ti lo spessore del dl diltti dielettrico aumenta. Il calcolo l con la formula riportata tt sopra, risulta: Z 60Ω 1.9 d 0.8 w + t 60 = ln d = e = 1.53mm k 0.8 w + t 1.9 Z k