NAGYINTEGRÁLTSÁGÚ MODULÁRAMKÖRÖK BUDAPEST UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND ECONOMICS DEPARTMENT OF ELECTRONICS TECHNOLOGY

Átírás

1 NAGYINTEGRÁLTSÁGÚ MODULÁRAMKÖRÖK BUDAPEST UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND ECONOMICS DEPARTMENT OF ELECTRONICS TECHNOLOGY

2 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 10: (V1.102) Gyakorlatok: Páratlan oktatási héten: Szerda 10:15 12:00 (V1 CAD labor), 1. gyak: 2014 szeptember 10. 2/28

3 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. 3/28

4 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, hőmérsékletmenedzsment, ill. 3D összeköttetési elemeket (tágabb értelemben HDI = High Density Interconnect - MCM-C, D, L hordozók), Szűkebb értelmezésben: HDI nagyfelbontású mikroviás NYHL típus 4/28

5 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. 5/28

6 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, dec. 16. Többrétegű hordozók megjelenése vezető falú furatokkal, 1961 A furatszerelési technológia elterjedése, es évek COB (Chip on Board), 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 6/28

7 ÚT A HDI FELÉ Szereléstechnológia szerint az alkatrészek megoszlása. Furatszerelhető (THT) Felületre-szerelhető (SMD) Tokozatlan Si chip BGA/CSP 2000 év 7/28

8 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. 8/28

9 Az IC chipek műszaki jellemzői: 9/28

10 Tranzisztor szám alalkulása Quad-Core + GPU Core i7 1,160,000, Intel 32 nm 216 mm² Six-Core Core i7 (Gulftown) 1,170,000, Intel 32 nm 240 mm² 8-core POWER7 32M L3 1,200,000, IBM 45 nm 567 mm² 8-Core AMD Bulldozer 1,200,000, AMD 32 nm 315 mm² Quad-Core + GPU AMD Trinity 1,303,000, AMD 32 nm 246 mm² Quad-core z196[15] 1,400,000, IBM 45 nm 512 mm² Quad-Core + GPU Core i7 1,400,000, Intel 22 nm 160 mm² Dual-Core Itanium 2 1,700,000, Intel 90 nm 596 mm² Six-Core Xeon ,900,000, Intel 45 nm 503 mm² Quad-Core Itanium Tukwila 2,000,000, Intel 65 nm 699 mm² 8-core POWER7+ 80M L3 2,100,000, IBM 32 nm 567 mm² Six-Core Core i7/8-core Xeon E5 2,270,000, Intel 32 nm 434 mm² 8-Core Xeon Nehalem-EX 2,300,000, Intel 45 nm 684 mm² 10-Core Xeon Westmere-EX 2,600,000, Intel 32 nm 512 mm² Six-core zec12 2,750,000, IBM 32 nm 597 mm² 8-Core Itanium Poulson 3,100,000, Intel 32 nm 544 mm² 12-Core POWER8 4,200,000, IBM 22 nm 650 mm² 15-Core Xeon Ivy Bridge-EX 4,310,000, Intel 22 nm 541 mm² 62-Core Xeon Phi 5,000,000, Intel 22 nm Xbox One Main SoC 5,000,000, Microsoft/AM D 28 nm 363 mm² SPARC M7 >10,000,000, Oracle 20 nm? 10/28

11 IC TECHNOLÓGIAI ALAKULÁSA Si chip alkatrészeinek méretcsökkentése Nagyobb integráció Több I/O Feszültség csökkentés Gyorsabb órajel Nagyobb sávszélesség Felületi lábkiosztás Kisebb zajsáv Nagyobb áramfelvétel Több PWR/GND pin Komplexebb IC tokok 11/28

12 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 12/28

13 A különböző IC tokokkal megvalósítható kivezető darabszám napjainkig A tok mérete Gyorsabb Könnyebb Kisebb Olcsóbb Nagyobb I/O A kivezetők darabszáma 13/28

14 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 14/28

15 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 15/28

16 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 16/28

17 RENDSZERSZINTŰ TOKOZÁSOK 17/28

18 A HDI szerelőlemezekre szerelhető tokozatlan chipek stacked Chip and Wire Flip chip (alulnézet) TAB IC Chip a Si szeleten keresztül kialakított bumpokkal (TSV= Through Silicon Via) Egymásra épített chipek Az HDI szerelőlemez huzalozására ültetik be a tokozatlan chipeket (dies). A chipeket mikrohuzalozási technológiával vagy reflow forrasztással kötik be. Az elektronikai szereléstechnológia fejlődése 18/28

19 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 Under bump tokozott méret kisebb mint a chip 1,2-szerese. Ha a végleges metallization & wiring 19/28

20 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. 20/28

21 TÖBBRÉTEGŰ ÉS HDI PANELEK ELTERJEDÉSE Built-up szekvenc [%] Együttlaminált >16 Layer [%] szingapúr; 2 szingapúr; 1 É-Amerika; 2 kina; 8 Japán; 28 É-Amerika; 35 Taiw an; 14 Japán; 52 Európa; 11 Korea; 13 kina; 6 Európa; 10 Korea; 11 Taiwan; 7 * /28

22 HDI ALAP STRUKTÚRÁI Build-Up Alaphordozóra Szekvenciális felépítésű 22/28

23 HDI BEÁGYAZOTT PASSZÍV ELEMEKKEL Mikro-via kondenzátorhoz Mikro-via kondenzátorhoz Beágyazott kondenzátor Kondenzátor elektróda Ellenállás réteg Hozzávezetés átmenő viához Mikro-via ellenálláshoz 23/28

24 HDI TÖBBRÉTEGŰ IRÁNYZATOK Négy fő típus létezik: Hordozó és elosztó rétegek. Modulok. Hordozható elektronika Magas minőség jellemzők. 24/28

25 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, /28

26 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 26/28

27 HDI ANYAGVÁLASZTÉK HDI Alapanyagok 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 AB Film; 5,0% Aramid; 0,4% RCC; 28,3% BT; 1,8% Hagyományos Pre-preg; 19,2% Egyéb; 3,2% Poliimid; 0,3% Lézer fúrt Prepreg; 38,4% Epoxy; 3,3% Fényérzékeny film; 0,1% 27/28

28 HDI ANYAGVÁLASZTÉK ABFilm Vékony dielektrikum 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. 28/28

29 HDI ANYAGVÁLASZTÉK Pre-Preg Üvegszál erősítés. Keresztszövésű. Lézerrel fúrható Pre-Preg Finomabb szövés. A lézer számára homogén. 29/28

30 HDI VIA LEHTŐSÉGEK PCB RCI a standard 8 rétegű PCB-hez hasonlítva HDI RCI Relatív Költség Index, DEN Sűrűség indikátor [I/O pin/inch2] 30/28

31 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. 31/28