Космонавтика  Конструирование интегральных микросхем 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 [ 159 ] 160 161 162 163 164 165

платы с внутренними металлическими слоями для компенсации различного линейного расширения материалов. Платы такого типа ие отвечают концепции дешевой конструкции сборочных единиц аппаратуры.

Микросхемы в корпусах четвертого типа соответствуют условиям поверхностного монтажа, но так же, как выводные корпуса типа Н, требуют дополнительной операции - формовки выводов. Эти мшс-росхе.чы.давно применяются в аппаратуре.

Эффективность использования площади ком.\!утацнонных плат при монтаже иа них микросхем в корпусах различных типов иллюстрирует рнс. 6.13. В качестве критерия выбрана площадь платы, приходящаяся на один вывод микросхемы. Видно, что микросхемы в корпусе подтипа г.! (см. табл. 1.3), не предназначенного дтя поверхностного монтажа, имеют худшие характеристики. При числе выводов от 16 до 28 микросхемы в корпусе Ф незначительно уступают микросхемам в корпусах И и ]-образном типа Е.

С увеличением числа выводов корпуса заметное влияние на характеристики микросхемы оказывают межвыводная этектрическая емкость, омические и индивидуальные сопротивления внутренних металлизированных дорожек от кристалла к внешним выводам корпуса [13], В корпусах подтипа 2,1 (см. табл. 1.3) длина дорожек от криста.тла к крайним выводам гсорпуса в 5.,.6 раз бо.тьше, чем к средним. Малогабаритные корпуса для поверхностного монтажа обладают лучшими электрическими характеристиками, так как более короткие и лучше согласующиеся связи приводят к уменьшению пх сопротивления и межвыводной емкости (рис, 6.14). Создание надежного паяного соединения при изготовлении узлов РЭА с использованигм микросхем со штырьковыми выводами (типы 1, 2 и 3) не представляет технической проблемы: выводы микросхем облужены, зажаты в металлизированных отверстиях коммутационной платы, площадь паяного соединения относительно большая, пайки осуществляются волной припоя. При поверхностно.м монтаже все обстоит иначе: небольшая часть вывода свободно лежит на контактной площадке ком-Ьутационной платы, а соединение осуществляется оплавтением припоя. К то.му же механическая прочность паяного соединения становится критичной к термическим напряжениям, возникающим в соединении из-за различных ТКР материалов вывода и коммутационно!! платы. Качество паяного соединения определяется формой и размерами монтажных площадок коммутационных плат, размерами выводных площадок и выводов корпусов микросхем, их материалами, П.то-шадь монтажной площадки платы должна быть достаточной для размещения на ней вывода или выводной площадки микросхемы и занесения дозированного количества припойной пасты. Рекомендуемый ртзмер монтажной илощадки (1,6..,1,8) Х0,6±0,1 мм. При шаге вы-BJдoв 1,25 мм, ширине и интервалах металлизнроваиных дорожек 0,2 ,0,25 мм расстояние между монтажными плотцадками должно быть 0,635 мм. Это дает возможность выполнить разводку между монтажными площадками и исключить случаи образования перемычек из припоя между соседними участками металлизащщ. Размеры выводов и выводных площадок корпусов приведены в ГОСТ 17467-79

Паяное соединение заливной формы с образованием галтели припоя определяется зазором в месте пайки вывода или выводной площадки корпуса и монтажной площадкой коммутационной платы. Величины зазора зависят от плоскостности выводов и выводных



площадок корпуса по отпощснню к установочной плоскости и плос-косгиости монтажных глошадок коммутационной платы. Хорощне результаты пайки достигаются при зазоре 0,05,.,0,15 мм и планарио-стн части вынода 50 мкм.

Качество монтажа во много.м о:1реде.1яется качеством и свойствами коммутационных плат, которые зависят от множества факторов, таких как состояние noBepxHocTii, плоскостности и параллельности, толигпны припоя на \;онтажных площадках, сов.мсстимости ма1ериала плагы с материало.м корпуса и выводов микросхем. В настоящее вре\я щцроко используются стеклоэпоксидные плагы (СФ-2Н-50, СФ-1) и начали применяться платы пз керамики (ВК-94). Одним из достоинств керамических плат являются примерное равенство ТКР керамики ВК-94 и ковара, хорошая теплопроводность и технологичность керамики. Температурный коэффициент расширения ВК-94 равен (6,5...8) 10-< 1/град, а для СФ-2Н-50 он составляет (15...18) 10-S 1/град. Керамические корпуса типа Н рекомендуется устанавливать на керамические платы.

Технологический процесс поверхностного монтажа состоит из трех основных операций:

1. Нанесение припойноп пасты на монтажные площадки коммутационной таты.

2. Установка микросхем на монтажные площадки.

3. Групповая пайка методом оплавления припоя.

Прнпояная паста представляет суспензию металлического при-пойного сплава в связующем веществе флюса. Сплав удерживается во флюсе в виде частиц металла. Форма и размер частиц определяются в зависимости от способа нанесения пасты иа монтажные площадки коммутационной платы. Сплав состоит из 37...40 % свинца и 60.,.63 % олова Масса сплава составляет 85...90 % массы пасты. Флюс образован из смолы (60 %) и смеси инградиентов типа активаторов, растворителей, сгустителей и смазочного масла. Припойную пасту необходимо предохранять от окисления. Если припойный сплав в пасте окислен, то при расплавлении на соединяемых поверхностях образуются отдельные шарики припоя. Напротив, неокислен-ная паста образует единую сферическую поверхность. Хранить пасгу рекомендуется при те\шературе 2...5 °С в среде азота.

Припойная паста выполняет несколько функций. Консистенция пасты такова, что она удерживает микросхемы на ком.чутационной плате и в процессе пайки. Когда паста расплавляется, силы поверхностного натяжения совмещают выводы микросхемы с монтажными площадками. Одновременно создается электрическое и механическое соединение поверхностен.

Нанесение припойноп пасты на коммутационную плату рекомендуется производить через маску. Маска представляет собой металлическую фольгу, на которой протравлен нужный рисунок. Через полностью Открытые окна припойная паста свободно и равномерно растекается по поверхности коммутационной платы. Количество наносимой прнпойнон пасты регулируется толщиной фольги. Качественные паяные соединения обеспечиваются при толщине слоя припойной пасты от 127 до 254 мкм.

После нанесения пасты следует немедленно установить микросхемы на монтажные площадки. Установка производится вручную или автоматическим укладчиком. Точность установки должна обеспечить совмещение 60...70 % ширины вывода микросхемы с монтажной площадкой. После установки микросхем коммутационную плату



следует подвергнуть сушке при температуре 50...80 С с целью выпа-риванпя влаги из припойной пасты для исключения кцпе!И!Я флюса и растворителя при пайке оплавтением и уменьшения потенциального образования пор и пустот в полном соединении.

Существует несколько методов ои.швления заранее ианесеииого припоя, конденсационный (в паровой фазе); электроиагревом (контактное и бесконтактное); инфракрасны.м нагрево.м; лазерной пайкой: пайкой нагретым газом.

Метод оплавления припоя в паровой фазе заключается в передаче скрытого тепла конденсации коммутационной плате с усгановлен-ными на ней микросхемами. Геплонесущей средой является фтороуг-леродистое соединение в стадии насыщенного пара при температуре 215 °С. Технология пайки предусматривает предварительный нагрев коммуташюнной платы до 100 °С перед вводом ее в камеру с фторо-углеродом. В камере происходят быстрый я равномерный нагрев платы и оплавление припоя. Метод - высокопроизводительный, с высокой точностью поддержания темиературы. Недостаток метода заключается в высокой стоимости оборудования и теплоносителя.

Пайка ИК-оплавлением осуществляется за счет энергии инфракрасного излучения. Источниками излучения являются вольфрамовые или йоднокварцевые лампы с фокусирующими рефлектора.ми и излучающими панелями, создающими равномерный направленный поток излучения в диапазоне длин волн 4.,.6,24 мкм. После предварительного нагрева и стабилизации температуры подается импульс ИК-нзлучения и происходит оплавление припоя. Установки ИК-сис-темы обеспечивают меньшую скорость роста температуры (5°С/с), чем установки конденсационной пайки (50°С,/с). Это снижает вероятность возникновения энергетических напряжений в паяных соединениях. К достоинствам метода .можно отнести высокую производительность, возможность осуществления автоматизированного контроля и управления процессом. Процесс может производиться в среде азота или инертных газов.

Лазерная пайка применяется в тех случаях, когда требуются высокая локальность и быстрота процесса нагрева. Точная фокусировка излучения позволяет проводить оплавление припоя в непосредственной близости От термочувствительных материалов.

Пайка нагретым газом заключается в нагреве соединяемых элементов потоками нагретых газов до температуры плавления. Метод является универсальны.м и может быть использован для демонтажа микросхем. Недостатком является низкая производите тьность

6.8. Защита микросхем от электрических воздействий

С течетшем времени степень интеграции микросхем увеличивается, что связано с развитием технологии, позволяющей уменьшить как сами размеры элементов, так и размеры тех областей, с помощькт которых элементы электрически изолируются друг от друга на кри сталле. Такое увеличение плотности компоновки элементов позволяет улучшить электрические и функциональные параметры микросхем, но сопровождается снижением допустимых электрических нагрузо:; и увеличением чувствительности микросхем к разрядам статического э.тектричесгва.

Действительно, анализ микросхем, вышедших из строя в процессе производства и испытаний аппаратуры, показывает, что причи-



1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 [ 159 ] 160 161 162 163 164 165