Развитие технологии в микроэлектронике, эволюция

Развитие технологии в микроэлектронике,
эволюция корпусировки,
законодательство и нормы Евросоюза
Ivan Szendiuch, Assoc. Prof., MSc., PhD
Технологический Университет г. Брно
Кафедра Микроэлектроники,
Факультет Электротехники и Коммуникационных Технологий,
e-mail: [email protected]
Содержание
• Современная электроника
– Развитие полупроводниковых чипов
– Корпусировка и соединение
– Технологическийe процессы в микроэлектронике
• Бессвинцовая пайка
– Бессвинцовые припои
– Требования к термической обработке
– Селективная пайка
• Законодательство и нормы Евросоюза
Полупроводниковые чипыкорпусировка и соединение- пайка
Современная электроника
• Современные требования к электронным системам:
–
–
–
–
Модернизация изделия,
Малые размеры и вес изделия,
Модный дизайн,
Разумная цена.
Современная электроника
Развитие современных электронных систем определено некоторыми
совместными трендами:
•
Полупроводниковые чипы будут базовым элементом электронных систем и
CMOS останется в течении следующих 10 лет основной и, вероятно,
лидирующей технологией в их реализации.
•
Главная технологическая цель – увеличение плотности интегрирования и
уменьшение затрат энергии так, чтобы параметры системы наиболее
приблизились к параметрам чипов (корпусировка).
•
Новые материалы и инновации в науках о материалах неизменно будут
важнейшей областью и будут иметь большее значение, возникнут новые
структуры и принципы схем.
•
Центр тяжести в рыночных механизмах будет все больше заключаться в
информационных системах.
•
Обработка будет иметь все более межотраслевой характер, и будет требовать
новых методов.
Эволюция чипов
В настоящее время в развитии полупроводниковых чипов
можно принимать за лимитирующие некоторые истины:
– Уменьшение размеров имеющихся полупроводниковых
структур не будет доведено до размеров величины атома, за
реальные размеры чипов в ближайшем будущем принимают
размер 32 нм, который будет достигнут благодаря
использованию ультрафиолетовой литографии,
– Скорость сигнала не превзойдет 20 см·нс-1, т.е. 2·108 m·с-1,
– Для электрической изоляции между элементами будет нужно
рассчитывать толщину около нескольких нм.
Полупроводниковые чипыкорпусировка и соединение- пайка
Оптическая
литография
Уменьшение размеров
чипов с 250 нм до 180 и
130 нм было возможно
благодаря постоянно
совершенствующимся
лазерам и линзам.
Например для
изготовления процессора
Intel Pentium 4 и AMD
Athlon используется
литография
ультрафиолетового
излучения с длиной волны
248 нм, что дает
возможность делать
ширину130 нм (90 нм).
Полупроводниковые чипыкорпусировка и соединение- пайка
Ультрафиолетовая литография
Дальнейшее уменьшение длины волны проблематично для Оптическoй техники.
Поэтому был выбран путь развития ультрафиолетовой литографии, в которой
источником излучения является электрическое возбуждение газообразного ксенона.
Для направления излучения используются специальные зеркала вместо линз, что
делает возможным уменьшение ширины линии примерно до 32 нм (в которых
используется излучение с длиной волны 193 нм).
Полупроводниковые чипыкорпусировка и соединение- пайка
Эволюция увеличения количества
деталей на чипе
Полупроводниковые чипыкорпусировка и соединение- пайка
Корпусировка
Корпусировка - ключевая область для дальнейшей
интеграции. Постоянно усложняющиеся интегральные
схемы требуют индивидуального подхода, чтобы были
выполнены требования как технические так и
экономические. В большинстве электронных установок
можем различить 4 основных вида полупроводниковых
деталей в форме интегральных схем:
– для микропроцессоров требуются корпуса с числом выводов до
нескольких тысяч, которые должны выдерживать наибольшие
рабочие частоты, на порядок ГГц,
– Кэш будет работать на тех же частотах, что и микропроцессоры,
– Чипы излучения ASIC работают с частотами в несколько сотен
МГц, причем требуемое количество выводов обычно несколько
сотен,
– Также к памяти ROM и DRAM предьявляют все более высокие
требования.
Полупроводниковые чипыкорпусировка и соединение- пайка
Корпусировка
Эволюция корпусировки
Полупроводниковые чипыкорпусировка и соединение- пайка
Эффективность корпусировки
У всех типов корпусов общим требованием является достижение
наибольшей эффективности корпусировки, чтобы могли быть в
максимальной мере выполнены требования к миниатюризации.
Путь к этому – развитие в области мультичиповых модулей и
конструкция новых трехмерных корпусов (3D).
Полупроводниковые чипыкорпусировка и соединение- пайка
Изготовление 3D структур
a)
Создан соединением керамических AlN субстратов, где каждый модуль
герметично закрыт в корпус и соединение проведено несколькими
внешними шариковыми выводами через дистанцию пайкой в
плавильной печи.
b)
Используется краевое соединение на боковых узких сторонах.
Одиночные субстраты могут использовать обе стороны и электрически
соединены боковым проводящим полем при помощи паяных
соединений. Такой модуль может быть дальше припоен как пайкой, так
и проволочным соединением (wire bonding).
Полупроводниковые чипыкорпусировка и соединение- пайка
Использование краевого соединения
В первом случае (влево) идет речь о соединении двух субстратов FR-4,
затем во втором (вправо) показано соединение FR-4 с керамикой. Для
выравнивания разницы между температурными коэффициентами
расширения FR-4 использован между рамок с краевым соединением.
Полупроводниковые чипыкорпусировка и соединение- пайка
Poverchnostnyj montazh
Technology (production) process:
•
nanesenije pajek a kleja,
•
prazmezhenije komponentov,
•
pajenie v plavelnoj pechi.
Gibridnije schemy
• Tolstyje plenki - serigrafija
• Tonkije plenki – vakumnyje procesy
(Kombinirujet sa plenochnaja technologija
s poluprovodnikovimi chipami)
SiP vs. SOP vs. SOC
System Integration (SoC or SiP or SoP)
Cost / Function
SoC
- Complex
- Expensive
- CMOS Limited
- Subsystems
SiP
- CMOS Limited
- Subsystems
SoC
Bio-Interface
SiP + SoP
MEMS
System Complexity
SoP
- Multi-functional
- Single System
SiP korpusirovka
CSP, SOP
Elastichnyje substraty
Montazhnyje technologii
Substrat s komponentami „embeded“
Kontaktirovanije chipov
Kontaktirovanije chipov
Chip Stacking
Flip Chip
Fan-in stacked die SiP Structure
Need for Co-Design in SiP
Integrated Analysis in Design
• Integration taking place
– EDA tools now addressing Packaging
– IC, RF, PCB Designs
– Integrated Analysis Tools
Thermo-mechanical
EMC
Functional
Source: Flomerics Limited
Integrated Analysis in Design
(Cadence + Flomerics + ANSYS)
Бессвинцовая пайка
Для бессвинцовой пайки в подавляющем большинстве
сплавов необходимо наличие минимально 60% Sn, а
остаток дополняется в большинстве случаев дорогими
металлами или медью.
Сегодня встречается целый ряд бессвинцовых паек,
однако их способ использования не совпадает с Sn/Pb
пайками, также и различаются между собой и их
свойства. Основное различие различная температура
плавления, которая достигается у бессвинцовых паек
как правило при высоких значениях. В то время как
Sn/Pb пайки достигают жидкого состояния при
температуре 179°C (Sn62Pb38), у подавляющего
большинства бессвинцовых паек это состояние
наступает в диапазоне температур 195°C–230°C,
в зависимости от их состава.
Полупроводниковые чипыкорпусировка и соединение- пайка
Периодическая система Менделеева
Полупроводниковые чипыкорпусировка и соединение- пайка
Температура плавления (0С)
Пайка
Соединения с высокой температурой плавления (>2100 С)
227
Sn/Cu
221
217
217
199
Компания
Потребительский рынок
Panasonic
Телекоммуникации
Nortel
Автомобили
Panasoniс
Телекоммуникации
Nokia, Nortel, Panasonic,
Toshiba
Военная/Летная
Потребительский рынок
Panasonic
Sony
Потребительский рынок
Panasonic
Sn/Ag/Bi
Потребительский рынок
Pana
Sn/Zn
Военная/Летная
Потребительский рынок
Hitachi
NEC, Pan., Toshiba
Sn/Ag*
Sn/Ag/Cu
Sn/Ag/Cu/Sb*
Sn/In/Ag*
Sn/Ag/Cu/Zn*
Sn/Ag/Bi/Cu
Sn/Ag/Bi/Cu/Ge
Соединения с температурой плавления в диапазоне 180-2100 С
206-213
Sn/Ag/Bi/X
206-213
Использование в
промышленности
Соединения с низкой температурой плавления (<1800 С)
Sn/Bi/Zn*
138
Sn/Bi
Полупроводниковые чипыкорпусировка и соединение- пайка
Panasonic
3)
2)
1)
4)
Требования к температурной обработке
бессвинцовых паек
Процесс переплавки бессвинцовой пайки проходит в более узком
диапазоне температур, чем у классических свинцовых паек,
поэтому должен быть постоянно под контролем. Это требует,
чтобы паяльные волны или печи для пайки в плавильной печи
давали возможность более точной установки температуры, чем у
свинцовых паек. Это можно достичь тремя способами:
– Использованием печи с точной и безупречной системой
регулирования температуры,
– Использованием защитной (азотной) атмосферы,
– Использованием новых методов
a) пайка в парах,
б) селективная пайка.
Полупроводниковые чипыкорпусировка и соединение- пайка
Полупроводниковые чипыкорпусировка и соединение- пайка
Распределение температур при pájení přetavením
SnPb
240°C надежное
паяное
соединение
** ΔT
компоненты
210°C
*ΔT Прибор
SnAgCu
** компонентыΔT
Окно
наблюдения
за процессом*Прибор ΔT
230°C
260°C
хорошее
соединение
компонентыΔT
Прибор ΔT
230°C
непропаянноеЖидкое
непропаянное
соединениеЖидкое состояние соединение состояние
217°C
217°C
------------Твердое состояние
------------Твердое
состояние
* ΔT оборудование: линейная и поперечная температурная
нестабильность
непропаянное
**ΔT деталь: ΔT между наибольшим и наименьшим компонентом,
соединение
Жидкое состояние между компонентами с высшей и низшей величиной
температуры или разными цветами
179°C
------------Твердое состояние
Полупроводниковые чипыкорпусировка и соединение- пайка
Причины, по которым должна использоваться охранная атмосфера:
–
–
–
–
Снижение числа образования оксидов в паяном соединении,
Улучшение смачиваемости поверхности пайки,
Снижение объема используемого флюса,
Повышение качества паяного соединения.
Пайка в плавильной печи находится в непрерывном развитии,
модернизация которого заключается не только в системе убыстрения
движения, но и в улучшениях конструкции, которые включают:
–
–
–
–
Увеличение числа зон плавления и смену в их конфигурациях,
Уменьшение размеров печи,
Улучшение возможности центрирования платы,
Селективная пайка.
Полупроводниковые чипыкорпусировка и соединение- пайка
О свойствах бессвинцовых паек
Как уже было сказано в предыдущих главах, при пайке начинается
относительно сильное взаимодействие припоя с прочими материалами. При
печатном монтаже - прежде всего с медью, в гибридных интегральных схемах
это явление для материалов PdAg незначительно. Сопутствующим риском
возникновения интерметаллических слоев является диффузия, заключающаяся
во взаимном проникновение атомов Cu и Sn. Этот слой создает барьер между
пайкой с одной стороны и контактной площадкой с другой (рис.1,2).
a)
b)
c)
Sn
Cu
Cu6Sn5
CuAg3
подложк
а
Виды соединений:
Крупный план соединения
BGA, THT, SMD
SMT info 20.10.2004
39
О свойствах бессвинцовых паек
Возникновение диффузионного слоя является неизбежным явлением,
сопутствующим возникновению соединения, которое снижает прочность соединения
при увеличении толщины . Чрезмерный рост толщины этого слоя может быть
вызван возникновением диффузионного слоя в процессе работы:
¾
При пайке:
•
Слишком долгое время пайки
•
Очень высокая температура
¾
Тепловое напряжение в работе
Увеличение толщины диффузионного слоя происходит прежде всего за счет
олова, что приводит к постепенному уменьшению толщины самого паяного
соединения. Это способствует значительному ухудшению электрических и
механических свойств соединения, ведет с течением времени к его выходу из строя.
Sn, Ag
Sn, Ag
Sn, Ag
Cu
Cu
Cu
a)
b)
c)
Рисунок 3: влияние процесса старения и напряжения
в интерметаллическом слое Cu6Sn5 , CuAg3
SMT info 20.10.2004
40
О свойствах бессвинцовых паек
Температурное циклирование – эффективный метод для определения процесса
старения соединения. При дополнительном измерении механической прочности,
можно получить новые сведения, провести сравнение
свойств свинцовых и
бессвинцовых паек.
Cycle
A
B
C
D
E
F
Low temp High temp Ramp
[°C]
[°C]
[°C/min]
-55
125
10
-55
125
18
-20
125
10
-12
125
65
-20
80
10
-55
125
55
Dwell
min
5
10
5
5
5
0
Period
min
45
40
40
11
30
6.6
120
Temperature [°C]
100
80
60
40
20
E
0
-20
F
-40
A
D
C
B
-60
0
5
10
15
20
25
Tim e [m in]
30
35
40
45
50
41
О свойствах бессвинцовых паек
Срез нарушенного соединения после
нагрузки в 1200 циклов режима A
(от -55° до +125°C, скорость роста
10°/мин)
Срез нарушенного соединения
после нагрузки в 1200 циклов
режима D (от -12° до +125°C,
скорость роста 65°/мин)
Срез нарушенного соединения
после нагрузки в 1200 циклов
режима B (от -55° до +125°C,
скорость роста 18°/мин)
Срез нарушенного соединения
после нагрузки в 1200 циклов
режима E (от -20° до +80°C,
скорость роста 10°/мин)
SMT info 20.10.2004
Срез нарушенного соединения
после нагрузки в 1200 циклов
режима C (от -20° до +125°C,
скорость роста 18°/мин)
Срез нарушенного соединения
после нагрузки в 1200 циклов
режима F (от -55° до +125°C,
скорость роста 55°/мин)
42
О свойствах бессвинцовых паек
Два вероятных пути возникновения трещин представлены на рис.
11. Полученные данные вносят некоторые новые сведения в
изучение бессвинцовых паек. Температурные шоки нагружают
преимущественно материал пайки, следовательно, ее состав
обладает оконечными, исходными свойствами. Поэтому можно
этот способ нагрузки рекомендовать для проверки свойств паек, но
для проверки других воздействий, например испытание на
воздействие климата, более подходящий способ – температурные
циклы.
e
Вероятная трещина
из-за
температурного
цикла
Вероятная трещина
из-за
температурног
о шока
SMT info 20.10.2004
43
Селективная пайка
Селективная пайка это сравнительно новый
способ пайки. Принцип можно свести до
нескольких основных шагов:
– Очень точное селективное нанесение флюса,
– Локальный (глобальный) предварительный
обогрев,
– Локальный обогрев места, где должно возникнуть
паяное соединение
Перенос тепла по выбранной схеме:
– селективно,
– параллельно.
Полупроводниковые чипыкорпусировка и соединение- пайка
Пример: дополнительная пайка деталей с
выводами на двухсторонних печатных платах:
–
–
–
–
PGA,
клеммы, разъемы, перемычки,
Силовые детали,
Высокочастотные экраны и тд.
Полупроводниковые чипыкорпусировка и соединение- пайка
Преимущества:
– Уменьшение опасности возникновения замыкания на малых
расстояниях,
– Меньшая температурная нагрузка на деталиÆ легкая
аппликация бессвинцовой пайки с более высокой теплотой
плавления,
– Возможность регулировки температурной энергии с
изменением размеров детали
Требования к изготовлению
Высокая электроемкость
Высокая гибкость
Низкая гибкость
Низкая электроемкость
+
параллельная пайка
+
последовательная пайка
Полупроводниковые чипыкорпусировка и соединение- пайка
Законодательство и
нормы Евросоюза
§
WEEE
Полупроводниковые чипыкорпусировка и соединение- пайка
RoHS
Законодательство Евросоюза
Экологические службы жизни
неотъемлемая часть нашей современной
В последние годы произошло сильное развитие
технологического аспекта электротехнической и электронной
областей, как, впрочем, и в остальных промышленных
отраслях. Некоторые материалы и технологические процессы
могут влиять, а в ряде случаев уже влияют на здоровье
человека и окружающую среду. Поэтому нужно с помощью
закона взять под контроль всю деятельность, связанную с
разработкой новых процессов, уже ведущих к непредвиденным
химическим реакциям и процессам и влияющих на
окружающую среду – как на литосферу, так и атмосферу.
48
Законодательство Евросоюза
• В областях электротехнической и электронной
промышленности прежде всего следует обратить
внимание на следующие вещества:
• Хлорфлюоркарбоны (CFC´s) влияют на озоновый
слой
• Свинец (Pb) оказывает прямое негативное влияние
на здоровье людей
• Органические соединения, обладающие свойством
фотопроводимости участвуют в атмосферных
фотохимических реакциях
• Небезопасные отходы электротехники, негативный
результат – загрязнение земли и воды
(использованные телевизоры, мониторы,
аккумуляторы и т.д.).
Нормы, выданные Европейским парламентом
WEEE 2002/96/EC
RoHS 2002/95/EC
Обязательны для всех стран, входящих в состав Евросоюза,
известны с момента их утверждения - января 2003 года.
В настоящее время нормы представлены к утверждению в
парламент, также можно в ближайшее время ожидать их
официальный выход. Согласно этим нормам осуществляется
охрана окружающей среды, что обеспечивает ее чистоту, а
следовательно, здоровье будущих поколений людей (tzv. Green
Future), что выражается, среди прочего, и в освоении
бессвинцовой пайки.
Полупроводниковые чипыкорпусировка и соединение- пайка
Законодательство Евросоюза
Что такое WEEE и RoHS?
Европейские нормы WEEE 2002/96/EC и RoHS 2002/95/EC
обязательны для всех стран, входящих в состав Евросоюза, и известны со
времени их утверждения в 2002–2003 годах. В настоящее время чешский
вариант этих норм передан к утверждению в парламент, и в ближайшее время
можно ожидать их официального появления. Согласно этим нормам
осуществляется охрана окружающей среды, что обеспечивает ее чистоту, а
следовательно, здоровье будущих поколений людей (tzv. Green Future), что
выражается, среди прочего, и в освоении бессвинцовой пайки. В
действительности, так как, WEEE и RoHS были утверждены и изданы
Европейским парламентом, они обязательны для всех стран, входящих в
состав Евросоюза, а значит и для Чешской Республики.
51
Норма WEEE
WEEE – Waste Electrical and Electronic Equipment.
– Переработка и экологическая утилизация электрического и
электронного оборудования
– WEEE 202/96/EC
– переработка отходов с этих изделий
Некоторые риски, исходящие из этой нормы:
– Затраты на переработку и утилизацию отходов несет
производитель,
– Изготовитель обязан при введении новых изделий в
производство предоставлять финансовую гарантию на их
обратное возвращение и утилизацию,
– Изготовитель будет должен сопроводить каждое изделие
информацией oб утилизации и o месте приема,
– Пользователь будет передавать неработающее изделие в
указанное место приема бесплатно
Полупроводниковые чипыкорпусировка и соединение- пайка
Норма WEEE означает “Waste of Electrical and Electronic Equipment”, что
можно интерпретировать как “Отходы электрического и электронного
оборудования”. Цель нормы – сократить растущее количество отходов этих
изделий в окружающей среде с помощью переработки и повторного
использования. Этим можно снизить негативное влияние на окружающую
среду. Характерные сопутствующие риски исходящие из этой нормы:
•
•
•
•
•
•
Все расходы на сбор и переработку отходов электрических и электронных
изделий берет на себя изготовитель
Изготовитель обязан при введении новых изделий в производство
предоставлять финансовую гарантию на их обратное возвращение и
утилизацию
Изготовитель электрического и электронного оборудования должен
гарантировать переработку как можно большего объема своих изделий
Каждая страна, входящая в состав Евросоюза, должна создать систему для
отслеживания и подстраховки обратного возвращения электрического и
электронного оборудования и должна гарантировать переработку минимум
4кг отходов на человека до конца 2008 года
Изготовитель будет должен сопроводить каждое изделие информацией oб
утилизации и o месте приема
Пользователь будет передавать неработающее изделие в указанное место
53
приема бесплатно
Норма RoHS
Норма RoHS создана с целью сокращения использования опасных
веществ в электрическом и электронном оборудовании. Цель этой
нормы:
•Объединение уже существующих норм и правил об использовании
различных веществ в производстве и эксплуатации электронных и
электротехнических изделий
•Поддержка рационального использования сырья
•Уменьшение объема опасных веществ и материалов в отходах
•Улучшение качества процессов переработки
•Дальнейшая поддержка и развитие предписаний WEEE
54
Норма RoHS
RoHS – Risk of Hazardous Substances in electrical and
electronic equipment.
– Сокращение использования небезопасных материалов
в электротехнике
– RoHS 2002/95/EC
Целью нормы является:
– Объединение уже существующих норм и правил об использовании
различных веществ в производстве и эксплуатации электронных и
электротехнических изделий,
– Рациональное использование сырья,
– Уменьшение объема опасных веществ и материалов в отходах
– Улучшение качества процессов переработки.
Полупроводниковые чипыкорпусировка и соединение- пайка
Норма RoHS
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Речь идет о 17 химических веществах, которые оказывают очевидное вредное
воздействие на здоровье людей:
- Свинец
- Никель и его соединения
- Кадмий и его соединения
- Ртуть и ее соединения
- Полибромбифенил (PBB) a полибромдифенилэтен (PBDE),
- Хром и его соединения
- Хлороформ
- Цианиды
- Дихлорметан
- Карбона Тетрахлорид
- Метилэтилкетон
- Бензол
- Тетрахлорэтилен
- Толуол
- 1,1,1-трихлорэтилен
- Трихлорэтилен
- Метил-изобутил-кетон
Было решено, что страны Евросоюза сократят использование свинца, ртути,
кадмия, шестивалентного хрома, PBB и PBDE, и, предположительно к 1.07.2007
эти вещества в производстве электротехнических изделий должны заменить
на более безопасные.
WEEE
Меры для сбора и переработки изделий
сбор≥ 4 кг на жителя в год
Большое домашнее
оборудование,
автоматизированная техника
≥ 80 hm.-% переработанных
≥ 75 hm.-% повторно исп-х
ICT, потребительская
электроника
остальные
≥ 75 hm.-% переработанных
≥ 65 hm.-% повторно исп-х *,
recyklace
Малое домашнее оборудование, осветительное оборудование, электрическое и
электронное оборудование (без непереносного промышленного оборудования), игры,
оснастка для спорта, системы мониторингa и системы управления
≥ 70 hm.-%обновленных
≥ 50 hm.-% повторно
использованных*/переработанных
*K 31.12. 2008 не будет считаться повторно использованное эл. оборудование
Законодательство Евросоюза
Что делать и как начать
В первую очередь возникает вопрос: „Как начать реализацию норм WEEE и RoHS?“
Процедура, подобная тому, как была введена в действие система TQM во многих фирмах,
должна быть проделана и в этом случае. Необходимо совершить действия в различных
направлениях, прежде чем мы ощутим изменения
во множестве отраслей
соответствующих фирм, таких как: технической отрасли, отрасли контроля качества и
безопасности.
Процесс
реализации
экологического
законодательства
59
Спасибо за внимание!
Boпpocы ?
Полупроводниковые чипыкорпусировка и соединение- пайка