NAGYINTEGRÁLTSÁGÚ MODULÁRAMKÖRÖK

NAGY INTEGRÁLTSÁGÚ MODULÁRAMKÖRÖK Előadók Dr. Berényi Richárd Célkitűzés a nagy alkatrész sűrűségű moduláramkörök alapvető típusainak bemutatása, a szerelőlemezek technológiai és konstrukciós elveinek ismertetése, a kettő és háromdimenziós összekötési rendszerek, a nagy integráltság szerelés-technológiai, tokozási és minőségbiztosítási elvei. Oktatás rendje: Előadások: Hétfő 12:15 – 14.00 (E.401) Gyakorlatok: 4*3 óra: Szerda 12:15 –15:00 (V1 CAD labor) , 1. gyak: 2015 szeptember 30.

MULTICHIP MODULOK (ISM.) Elnevezésük alapján multichip moduloknak a több chipet tartalmazó, szerelt áramköröket nevezzük. Pontosabb értelmezés szerint a MCM-ok legfontosabb tulajdonságai: legalább két tokozatlan vagy chipméretű tokozott alkatrész, nagy vezetéksűrűségű (HDI = High Density Interconnect) hordozó, hatékony hűtési módszer. A MCM-okat a - rendszerint többrétegű - hordozó szigetelő rétegének készítéséhez alkalmazott technológia alapján csoportosítjuk: a laminált multichip modulok (MCM-L) hordozója többrétegű, laminált nyomtatott huzalozású lemez, a többrétegű kerámia hordozójú modulok neve MCM-C (ceramic), a vékonyrétegtechnológiai vákuumeljárásokkal felépített (leválasz-tott) rétegszerkezetű hordozóra szerelt modulokat MCM-D-nek (deposited) nevezzük.

NAGYINTEGRÁLTSÁGÚ MODULÁRAMKÖRÖK Legfontosabb ismérvek: Alkatrészek: Nagy komplexitású integrált áramkörök, elektronikai funkciók kibővülése: érzékelők, beavatkozók, kijelzők, mechanikai, optikai, fluidikai funkciók (MEMS, MOEMS, mikrofluidika), nagyfelbontású lineáris ill. mátrix elrendezésű kivezető rendszerrel. Miniatürizált tokozott ill. tokozatlan diszkrét alkatrészek. Nagy vezetéksűrűségű, nagyfelbontású, többrétegű szerelőlemez hordozó, villamos összeköttetés rendszeren kívül tartalmazhat passzív (RLC), optikai hullámvezető, fluidikai, hőmérséklet-menedzsment, ill. 3D összeköttetési elemeket (tágabb értelemben HDI = High Density Interconnect - MCM-C, D, L hordozók) , Szűkebb értelmezésben: HDI – nagyfelbontású mikroviás NYHL típus

HDI DEFINÍCIÓ (HIGH DENSITY INTERCONNECT) (Nagyfelbontású nyomtatott huzalozású lemezek) a szerelőlemez nagyon finom rajzolatú, többrétegű (3D) huzalozási pályákat tartalmaz, a huzalozási pályaszintek között a villamos összekötést mikro-viák (d < 150 µm) létesítik, a mikroviák típusai: átmenő, eltemetett, vakvia. a szerelőlemezek általában szekvenciális build-up (rétegenként felépített) technológiával készülnek.

A HDI technológiai előzményei Első áramkör, 1850 Réteges struktúra szabadalma, 1903 Szigetelt felületre vezető csíkok elkészítése, 1925 „nyomtatott áramkör” szóösszetétel kezdete Nyomtatott huzalozású lemez megjelenése, 1943 Paul Eisler, vezető sávok kialakítása üvegszálas szigetelő hordozón Tranzisztor szabadalma, 1947. dec. 16. Többrétegű hordozók megjelenése vezető falú furatokkal, 1961 A furatszerelési technológia elterjedése, 1960-70-es évek COB (Chip on Board), 1970-80 A felületi szereléstechnológia elterjedése, 1980-as évek, Multichip modulok (MCM-C,L,D) 1985 BGA tokozás megjelenése, 1989 Többrétegű vezetékezés szükségessége a nagyszámú kivezetéshez Nagy Integráltságú Hordozók kialakításának szükségessége Kialakulásának története [szerkesztés] Az első áramköröket a 19. század közepén, az 1850-es években készítették. Ezek még igen egyszerű szerkezetek voltak. Fa házba vagy lemezre rögzítették az áramköri elemeket, amelyeket fémszalagokkal vagy rudakkal kapcsoltak össze. A ház biztosította a mechanikus rögzítést, míg a fémszalagok a villamos kapcsolatot. Idővel a szalagokat és rudakat felváltották a kábelek, amelyeket csavarokkal rögzítettek az alkatrészekre. A fa házak helyett pedig fém szekrényeket kezdtek el alkalmazni. Technológiai korlátok miatt ezek még igen nagy áramkörök voltak. Legfőbb alkalmazási területük a távírótechnika, a telefontechnika és a rádiótechnika voltak. A bonyolultság és funkcionalitás növekedése ill. a telefonok és a rádiók széleskörű elterjedése a 20. század elején újabb igényeket vetett fel: méretcsökkentés, automatizált tömegtermelés. Fontos mérföldkő volt Albert Parker Hanson szabadalma, amelyet 1903-ban nyújtott be. Szabadalmában kidolgozta többrétegű áramkör koncepcióját, rájött arra is, hogy a vezető sávok minél sűrűbb elhelyezése a hordozó rétegen rendkívül fontos. Gyakorlati megvalósításában paraffinnal átitatott papírra ragasztotta fel a rézből készült vezetőket. Ezeket az ősi áramköröket telefonközpontokba szánta, mert meg akarta oldani a telefonvonalak kézi kapcsolgatásának a problémáját. Fontos megjegyezni, hogy ezek a lapok alkatrészeket még nem tartalmaztak. Kialakítás szempontjából elődjének tekinthető a forrszemes szerelés, ahol a szigetelő lapon fúrt lyukakba, forrasztható (réz) csőszegecseket ütöttek, és ezekbe a furatokba ültették az alkatrészeket. A huzalozás ugyanúgy a hátoldalon történt, igaz szigetelt vezetékekkel, így itt a keresztezések is lehetségesek. Az amerikai Charles Ducas szabadalmaztatta 1925-ben az első olyan módszert, amivel szigetelt felületre vezető csíkokat lehetett felvinni. Módszerében a vezető anyagot (réz, ezüst vagy arany) maszk segítségével nyomtatással vitte fel az azt hordozó rétegre, majd galvanizálással rögzítette. Ebben a szabadalomban szerepelt először a nyomtatott áramkör kifejezés. A második világháború alatt titkos kutatások során fejlesztették ki a kerámia hordozókat és az ezekre felvitt áramköröket. A kerámia hordozóra tintát vittek fel, amelyet előzőleg fém hozzáadásával vezetővé tettek. Ezeket ma hibrid áramköröknek nevezzük. A háború után a felvitel technológiáját szabványosították. A több tucat lehetséges módszerből végül hatot hagytak meg, melyből a vákumos üledékesítést még ma is használják.[2] Paul Eisler 1943-ban szabadalmaztatta módszerét, amellyel lehetővé vált vezető sávok kialakítása üvegszálas erősítésű nem-vezető alapanyagra felvitt rézfólián. Emiatt sokan a nyomtatott áramkör atyjának is tartják. A módszer széleskürű elterjedésére a tranzisztor feltalálásáig kellett várni. Az addig használt elektroncsövek és más alkatrészek ugyanis annyira nagyok voltak, hogy az addig széles körben alkalmazott csavaros kötések megfelelőek voltak. A tranzisztor megjelenése azonban lehetővé tette az áramkörök funkcióinak növelését a méretek drasztikus csökkentése mellett. Az alkatrészek méretének csökkenése arra késztette a gyártókat, hogy az elektromos készülékek méretét csökkentsék. Ezután kezdték el széles körben bevezetni és használni a nyomtatott áramköröket. Ezek az áramkörök még egyrétegűek voltak. A többrétegű áramköröket és a rétegeket villamosan összekötő furatokat 1961-ben vezették be. Hatására a villamos vezető nyomvonalak egészen közel kerültek egymáshoz és az alkatrészek sűrűsége is megnőtt, új korszakot nyitva az áramkör tervezésben. Az integrált áramkörök megjelenése tovább csökkentette a méreteket. A méretek csökkentése és egyben a funkcionalitás növekedése jellemezte trend napjainkig tart.[

ÚT A HDI FELÉ Szereléstechnológia szerint az alkatrészek megoszlása. Furatszerelhető (THT) Felületre-szerelhető (SMD) Tokozatlan Si chip BGA/CSP év 2000

Az IC chipek műszaki jellemzői: A 60-as évektől az alábbi főbb változások: CMOS kapu méret csökkenése (14nm , 2014), Ultrabook laptop ,14 nm Broadwell CPU Si Chip felülete növekedett (1 mm2 – 900 mm2), míg a vastagságuk csökkent (600 µm – 50 µm), feszültség csökkenés (0.9V), az egy chipen megvalósított tranzisztorok darabszáma rohamosan növekedett (>10 mrd), gyorsabb jelfelfutási idő, nagyobb frekvencia.

Tranzisztor szám alalkulása Quad-Core + GPU Core i7 1,160,000,000 2011 Intel 32 nm 216 mm² Six-Core Core i7 (Gulftown) 1,170,000,000 2010 240 mm² 8-core POWER7 32M L3 1,200,000,000 IBM 45 nm 567 mm² 8-Core AMD Bulldozer 2012 AMD 315 mm² Quad-Core + GPU AMD Trinity 1,303,000,000 246 mm² Quad-core z196[15] 1,400,000,000 512 mm² Quad-Core + GPU Core i7 22 nm 160 mm² Dual-Core Itanium 2 1,700,000,000 2006 90 nm 596 mm² Six-Core Xeon 7400 1,900,000,000 2008 503 mm² Quad-Core Itanium Tukwila 2,000,000,000 65 nm 699 mm² 8-core POWER7+ 80M L3 2,100,000,000 Six-Core Core i7/8-Core Xeon E5 2,270,000,000  434 mm² 8-Core Xeon Nehalem-EX 2,300,000,000 684 mm² 10-Core Xeon Westmere-EX 2,600,000,000 Six-core zEC12 2,750,000,000 597 mm² 8-Core Itanium Poulson 3,100,000,000 544 mm² 12-Core POWER8 4,200,000,000 2013 650 mm² 15-Core Xeon Ivy Bridge-EX 4,310,000,000 2014 541 mm² 62-Core Xeon Phi 5,000,000,000 Xbox One Main SoC Microsoft/AMD 28 nm 363 mm² SPARC M7 >10,000,000,000 Oracle 20 nm ?

IC TECHNOLÓGIAI ALAKULÁSA Si chip alkatrészeinek méret- csökkentése Feszültség csökkentés Nagyobb integráció Gyorsabb órajel Több I/O Nagyobb sávszélesség Kisebb zajsáv Nagyobb áramfelvétel Felületi lábkiosztás Több PWR/GND pin Komplexebb IC tokok

Tokféleségek chipek részére A kivezetők elhelyezkedése szerint négy alapvető típus: Kerületen elhelyezkedő; furatszerelhető: Dual In-line Package (DIP), Kerületen elhelyezkedő; felületszerelhető: SO (Small Outline), QFP (Quad Flat Pack), QFN (Quad Flat No-lead) Felületen, rácsháló metszéspontjaiban helyezkednek el: BGA (Ball Grid Array) CSP (Chip Size Package) tok TQFP – Sűrű lábkiosztásű C-BGA kera’mia BGA (magasabb üzemi hőm.) for high-end microprocessor devices

A különböző IC tokokkal megvalósítható kivezető darabszám 1960-’80 1980-’90 1990 – napjainkig Gyorsabb Könnyebb Kisebb Olcsóbb Nagyobb I/O A tok mérete A kivezetők darabszáma

IC LÁBTÁVOLSÁGOK (PITCH) QFP (Quad Flat Pack, TQFP-Thin Quad Flat Pack) 2,54…1,27 mm, 1.0 mm, 0.8 mm, 0.65 mm, 0.5 mm BGA (Ball Grid Array) 0,8 mm CSP (Chip Size Package) 0,65 – 0,25 mm DCA (Direct Chip Attach) 0,25 mm alatt

Kicsi kivezető raszterosztás távolságú BGA tokok Hagyományos PWB szerelőlemezeknél: 1 mm. Chip gyártók ösztönzik a HDI használatát IBM, MOTOROLA,INTEL,TEXAS, AMD, SUN,HP….. HDI lehőségek: 0.8 mm , 0.65 mm, 0.5 mm, 0.4 mm raszter Zsák furatok a közbülső rétegekhez Via a kontaktus felületen (via-on pad) lehetőség a méretcsökkentéshez

RENDSZERSZINTŰ TOKOZÁSOK Hybrid áramkörök, 1950 IC-ket, SM alkatrészeket,integrált passzív alkatrészeket tartalmaz: TFC (Thick Film Circuits), LTCC, HTCC technológia, MCM (Multi Chip Module) chipek integrálása többrétegű hordozón, 1980 MCM-L, MCM-C, MCM-D, SoC (System on a Chip), SiP (System-in-Package) Több Si chip + diszkrét passzív alkatrészek SoP (System-on-Package), Build-up hordozó. Több Si chip + diszkrét és integrált passzív alkatrészek. PoP, Package-on-Package Egymásra rétegesen felépített struktúra

A HDI szerelőlemezekre szerelhető tokozatlan chipek stacked Chip and Wire TAB IC Egymásra épített chipek Az HDI szerelőlemez huzalozására ültetik be a tokozatlan chipeket (dies). A chipeket mikrohuzalozási technológiával vagy reflow forrasztással kötik be. Chip a Si szeleten keresztül kialakított bumpokkal (TSV= Through Silicon Via) Flip chip (alulnézet) Az elektronikai szereléstechnológia fejlődése

RENDSZERSZINTŰ TOKOZÁSOK TSV (Through Silicon Via) Szilícium hordozón átmenő via kivezetők. Rétegelés és 3D összeköttetések létesítése. WLP (Wafer Level Package) Si szeleten BGA kivezetések készítése. A szelet darabolása előtt már kivezetővel ellátott IC-k. CSP (Chip scale Package) IPC, J-STD-012 szabvány szerinti értelmezés Ha a végleges tokozott méret kisebb mint a chip 1,2-szerese. Under bump metallization & wiring

EGYÜTTLAMINÁLT TÖBBRÉTEGŰ LEMEZEK PROBLÉMÁI A MINIATÜRIZÁLÁSBAN Az együttlaminálási techn. méretkorlátokat állít. Továbbra is „Jel”, „PWR”, „GND” rétegek vannak. A vezetékek, hidtávolságok, viák méretcsökkentése jelentősen elmaradt az alkatrészekétól. Még minding az FR4 az alaphordozó (nagy dielektromos áll., nagy hőtágulási tényező, rossz hővezetés, stb.). A működési frekvenciákon nem elhanyagolható az átmenő furatok kapacitása. Korlátozott funkcionalitás. Rétegszám emelkedésével magasabb ár jellemzi.  Az új típusú IC-khez HDI kell.

TÖBBRÉTEGŰ ÉS HDI PANELEK ELTERJEDÉSE *2009

HDI ALAP STRUKTÚRÁI Build-Up Alaphordozóra Szekvenciális felépítésű

HDI BEÁGYAZOTT PASSZÍV ELEMEKKEL Mikro-via kondenzátorhoz Mikro-via kondenzátorhoz Beágyazott kondenzátor Kondenzátor elektróda Ellenállás réteg Mikro-via ellenálláshoz Hozzávezetés átmenő viához

HDI TÖBBRÉTEGŰ IRÁNYZATOK Négy fő típus létezik: Hordozó és elosztó rétegek. Modulok. Hordozható elektronika Magas minőség jellemzők.

HDI TÖBBRÉTEGŰ IRÁNYZATOK Hordozó és elosztó réteg technológia: Flip-chip, vagy mikro huzal bekötésekhez Mikrovia lehetőségek sűrű I/O chip-ekhez (flip-chip) 2 mil (50 µm) vezeték, 3 mil (75 µm) távolság Modulok: Szekvenciálisan felépítet többrétegű poliimid hordozó. 3 mil (75 µm) vezeték, 3 mil (75 µm) távolság, 10 mil-es (254 µm x254 µm) kontaktus felület (pad) méret. Viák az alkatrészek kontaktus felületein helyezkednek el. Flip-Chip, CSP, Mikro huzal bekötések Diszkrét alkatrészek (esetleg beágyazott), 0201, 0101

HDI TÖBBRÉTEGŰ IRÁNYZATOK Hordozható elektronikai alkalmazásokhoz: Vezető szerep a HDI fejlesztésekben. µBGA, flip-chip alkatrészek Magas minőségi jellemzők: nagy rétegszámú panelekhez, sok kivezető, kis raszter távolságú alkatrészek, µBGA alkatrészek, pl. repülőgép vezérlő

HDI ANYAGVÁLASZTÉK ABFilm (Ajinomoto Build-up Film) Aramid BT (Bismaleimide/Triazine) Hagyományos Pre-preg Epoxy Fényérzékeny film Lézer fúrt Pre-preg Poliimid RCC (Resist Coated Copper) Egyéb Ajinomoto Buildup Film The Ajinomoto Buildup Film (ABF) is a series of very thin fi lm dielectrics made with epoxy/phenol hardener, cyanate ester/epoxy, and cyanate ester with thermosetting olefi n (Table 1). The epoxy type is also available halogen-free. The thin fi lm (15 – 100 um thick) is supported by a 38 um PET fi lm and protected by a 16 um OPP cover fi lm. The material is vacuum laminated in special conveyorized machines (Figure 17) using a fi ve-step process: • Surface preparation of core dielectric and copper • Dry core (130° C for 30 min) • ABF auto-cutting, remove cover fi lm, and placement • ABF vacuum lamination and metal hot-press (Figure 18) • Remove PET fi lm and post-cure (170-190° C for 30 min.)

HDI ANYAGVÁLASZTÉK ABFilm Vékony dielektrikum 15-100 µm. Epoxy-phenol keményítővel. Aramid (Thermount) Már nem használják (2006 óta, drága, nedvszívó). DuPont termék. Stabil dielektromos állandójú. BT Bismaleimide/Triazine Üvegesedési hőm>180°C. Magas működési hőmérséklethez.

HDI ANYAGVÁLASZTÉK Pre-Preg Üvegszál erősítés. Keresztszövésű. Lézerrel fúrható Pre-Preg Finomabb szövés. A lézer számára homogén.

HDI VIA LEHTŐSÉGEK HDI RCI a standard 8 rétegű PCB-hez hasonlítva PCB RCI – Relatív Költség Index, DEN – Sűrűség indikátor [I/O pin/inch2] RCI a standard 8 rétegű PCB-hez hasonlítva

ELLENÖRZŐ KÉRDÉSEK Mik a HDI jellemzői? Mik a főbb fejlett rendszerszintű tokozások? Mik az együttlaminált többrétegű lemezek problémái? Milyen szigetelő anyagokat lehet használni HDI-hez? Vázoljon fel min 4 különböző via elrendezést.