Припой играет особую роль в мире производства электроники, что подтвердили революционные изменения при переходе на бессвинцовую технологию. Активный поиск привлекательных бессвинцовых сплавов раскрыл исключительную важность припоя для отрасли. На самом деле, внимание к припоям настолько велико, что зачастую упускаются из виду альтернативные методы, в которых припой не применяется. Материалы, которые могут заменить припой, включают проводящие адгезивы и составы с исчезающей жидкой фазой. Достижения в нанотехнологиях привели к настоящему оживлению в области проводящих адгезивов и прочих материалов для выполнения соединений без применения пайки.
В дополнение к достижениям в области материалов для соединений без пайки, в сборках со встроенными компонентами по-новому используются традиционные материалы, что, благодаря устранению необходимости в проволочной разварке и припойных столбиковых выводах, позволяет улучшить характеристики за счет снижения паразитных явлений в межсоединениях и повысить надежность. Разнообразные способы создания изделий со встроенными активными компонентами разрабатываются и внедряются такими компаниями, как Freescale, Imbera, GE, Verdant и многими другими.
Еще одна альтернатива пайке — межсоединения с применением частиц. Хотя этот метод был изначально разработан для автоматизированного тестирования, он обладает значительным потенциалом в различных областях, включая сборку светодиодных изделий и печатную электронику.
В данной статье рассматривается общая картина состояния методов выполнения межсоединений, корпусирования и сборки, альтернативных пайке. Затем рассматриваются проблемы практического применения этих методов, включая стратегии управления выходом годных и изменение структуры цепочки поставок. В завершении описываются сценарии, при которых альтернативные методы позволяют получить привлекательные коммерческие и технические преимущества.
Авторы: Герберт Дж. Нейхаус (Herbert J. Neuhaus) и Чарльз И. Бауэр (Charles E. Bauer)
Оба автора обладают степенью Ph.D. и являются сотрудниками «TechLead Corporation», Портленд, Орегон, США.
Оригинал опубликован в материалах Ассоциации SMTA.
Итак, — пайка представляет собой основной метод монтажа компонентов на печатные платы при изготовлении электронных сборок. Эвтектический оловянно-свинцовый припой (SnPb), долгое время являвшийся первоочередным выбором для сборки электроники, обладает привлекательными характеристиками оплавления, низкой температурой плавления и пластичностью. Однако свинец подпадает под все более жесткие нормативные требования из-за сравнительно высокой токсичности для здоровья людей и для окружающей среды.
В 2001 году Европейский союз предложил Директиву об отходах электрического и электронного оборудования (WEEE) и связанную с ней Директиву об ограничении применения определенных вредных веществ (ROHS), накладывающие запрет на применение свинца в электронных устройствах, продаваемых на территории ЕС, начиная с июля 2006 года.
Законодательство и рыночные тенденции, направленные на создание бессвинцовых электронных сборок, привели к ряду проблем, включая необходимость повышения тепловой устойчивости электронных компонентов. Бессвинцовые припойные сплавы, такие как олово-серебро-медь (SnAgCu) с температурой плавления 217°C, требуют более высоких температур обработки по сравнению с традиционными оловянно-свинцовыми сплавами (SnPb), что приводит к уменьшению окна процесса и заставляет сосредоточить внимание на точном управлении температурой в процессе пайки. Повышение тепловой устойчивости компонентов накладывает весомое экономическое бремя на производителей электроники, поскольку они сталкиваются с ростом суммарных затрат.
АЛЬТЕРНАТИВНОЕ РЕШЕНИЕ — ПРИМЕНЕНИЕ ПРОВОДЯЩИХ АДГЕЗИВОВ
Традиционные проводящие адгезивы
Электропроводящие адгезивы являются возможной заменой припоя в микроэлектронных сборках. Существует два типа электропроводящих адгезивов: изотропные и анизотропные. Хотя механизмы электропроводности изотропных и анизотропных адгезивов различны, оба типа материалов состоят из полимерной матрицы, содержащей проводящие наполнители. Изотропные материалы проводят ток во всех направлениях и обычно содержат проводящие наполнители в объемной концентрации от 20 до 35%. В технологии поверхностного монтажа и гибридных сборках в основном применяются изотропные проводящие адгезивы. В анизотропных проводящих адгезивах проводимость обеспечивается только в направлении прикладываемого давления в процессе отверждении. Типичная объемная концентрация проводящих наполнителей в таких материалах составляет от 5 до 10%. Анизотропные проводящие адгезивы подходят для монтажа изделий с малым шагом выводов, в особенности при изготовлении плоскопанельных дисплеев, в поверхностном монтаже компонентов с малым шагом выводов и монтаже компонентов Flip Chip [1].
Электропроводящие адгезивы состоят из полимерного связующего, обеспечивающего механическую прочность, и проводящих наполнителей, придающих материалу электропроводность. Полимеры могут быть как реактопластами (например эпоксиды, полиимиды, силиконы и акриловые адгезивы), так и термопластами. Проводящие наполнители адгезивов состоят из металлов, таких как золото, серебро, медь и никель, или неметаллов, например углерода.
Среди преимуществ проводящих адгезивов над традиционными паяными соединениями:
- лучшая экологичность, чем у припоев на основе свинца;
- более низкие требования к температуре обработки;
- возможность монтажа компонентов с меньшим шагом выводов (анизотропные адгезивы);
- более высокая гибкость и усталостная прочность по сравнению с припоями;
- более простая обработка (без отмывки от остатков флюса);
- совместимость с недорогими непаяемыми основаниями (например стеклом).
Несмотря на достоинства технологии электропроводящих адгезивов, их широкое распространение в электронной отрасли ограничено из-за меньшей, чем у припоев, удельной электропроводности, низкой ударопрочности и сомнений, связанных с долговременной стабильностью электрических и механических свойств.
На рис. 1 показано современное решение с применением анизотропного проводящего адгезива в форме пленки для монтажа кристалла с малым шагом выводов методом «кристалл на ленте» (chip on film, COF). В данном случае, по причине высокой вероятности короткого замыкания между соседними столбиковыми выводами из-за того, что в процессе монтажа между ними могут скапливаться проводящие частицы, был разработан трехслойный пленочный анизотропный проводящий адгезив с функциональными слоями, выполненными на обеих сторонах слоя обычного пленочного проводящего адгезива с целью увеличения адгезии и задания свойств соединения компонентов с малым шагом выводов в процессе выполнения термокомпрессии (см. рис. 1) [2].
Рис. 1. Процесс монтажа кристалла на ленте (COF) с использованием трехслойного пленочного анизотропного проводящего адгезива.
Наиболее широко пленочные анизотропные проводящие адгезивы применяются для монтажа ИМС драйверов в корпусе на ленточном носителе (TCP) на стеклянные панели ЖК-дисплеев и в других межсоединениях при изготовлении плоскопанельных дисплеев. На рис. 2 представлены различные технологии сборки модулей ЖК-дисплеев с применением пленочных анизотропных проводящих адгезивов: корпус на ленточном носителе (TCP), кристалл на стекле (COG) и кристалл на ленте (COF) [3].
Электропроводящие адгезивы с применением наночастиц
Достижения в нанотехнологиях привели к настоящему оживлению в области проводящих адгезивов и прочих материалов для выполнения соединений без применения пайки. Нанотехнологии позволили усовершенствовать характеристики проводящих адгезивов в трех различных аспектах:
- стоимость (за счет меньшего количества драгоценных металлов в составе);
- электропроводность (за счет лучшего уплотнения и спекания наполнителя);
- способность к отверждению (за счет обширной площади поверхности).
Рис. 2. Различные технологии сборки модулей ЖК-дисплеев с применением пленочных анизотропных проводящих адгезивов (ACF): a) монтаж корпусов на ленточном носителе (TCP), присоединение внешних выводов (Outer Lead Bonding, OLB) и монтаж печатной платы; b) монтаж кристаллов на стекле (COG); c) монтаж кристаллов на ленте (COF).
Электропроводность традиционных проводящих адгезивов ограничивается контактным сопротивлением между частицами наполнителя. При введении наноразмерных наполнителей электропроводность повышается, что обеспечивается сочетанием нескольких механизмов, включая более эффективное уплотнение наполнителя и легко происходящее спекание его частиц с образованием сетки с высокой электропроводностью. Из-за склонности наночастиц к образованию скоплений для практически применимых проводящих адгезивов на их основе критическую роль играет их эффективное и равномерное распределение.
Исследователи из компании Endicott Interconnect Technologies показали, что применение адгезивов с наполнителями из наночастиц меди, серебра и легкоплавкого сплава при совместном прессовании позволяют повысить плотность межсоединений корпусов компонентов и печатных плат на органическом основании (см. рис. 3).
Рис. 3. Фотографии в оптическом диапазоне соединительного основания с наполнением адгезивом: вид сверху (A-C) и поперечное сечение (D) [4]
Часто проводящие сетки в изотропных проводящих адгезивах образуются чешуйками серебра. Общее сопротивление цепи определяется сопротивлением чешуек и контактным сопротивлением между ними. Добавление наночастиц позволяет сформировать дополнительные перемычки между частицами, что может повысить плотность соединений проводящей сетки и уменьшить общее сопротивление [5]. Этот подход показан на рис. 4.
Рис. 4. Соединение с применением адгезива: A) без наночастиц и B) с добавлением наночастиц.
Составы с исчезающей жидкой фазой
Некоторые недостатки обычных проводящих адгезивов с наполнителями в виде частиц менее выражены у проводящих адгезивов, спекающихся с исчезновением жидкой фазы, которые обладают взаимопроникающими полимерными/металлическими сетками. Процесс под названием «спекание с исчезающей жидкой фазой» (transient liquid phase sintering, TLPS) формирует металлическую сетку, усиленную полимерной матрицей непосредственно в месте своего образования. Объемные и граничные металлургические электрические соединения обеспечивают стабильную электро- и теплопроводность. При работе с проводящими адгезивами с исчезающей жидкой фазой применяется традиционное оборудование технологии поверхностного монтажа для дозирования и обработки. Получаемая в результате удельная проводимость также обладает значениями, более близкими к удельной проводимости традиционных припойных сплавов. Испытания на надежность, включая воздействие влажности с последующим воздушно-воздушным термоударом (от −55°C до +125°C), показывают, что этот тип адгезивов работает значительно лучше обычных проводящих адгезивов с пассивным наполнителем.
На рис. 5 схематично показан состав с исчезающей жидкой фазой, разработанный компанией Ormet Circuits. Сначала материал представляет собой частицы меди и припоя в жидком органическом составе, а затем он спекается, образуя взаимопроникающую металл-полимерную сетку. На рис. 6 представлено применение материала компании Ormet Circuits для присоединения кристалла [6].
Рис. 5. Материал от компании Ormet, спекающийся с исчезновением жидкой фазы
Рис. 6. Применение материала компании Ormet для присоединения кристалла
АЛЬТЕРНАТИВНОЕ РЕШЕНИЕ — ПРИМЕНЕНИЕ КОНСТРУКЦИЙ СО ВСТРОЕННЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ
В дополнение к достижениям в области материалов для соединений без пайки, в сборках со встроенными компонентами по-новому используются традиционные материалы, что, благодаря устранению необходимости в проволочной разварке и припойных столбиковых выводах, позволяет улучшить характеристики за счет снижения паразитных явлений в межсоединениях и повысить надежность.
Разнообразные способы создания изделий со встроенными активными компонентами разрабатываются и внедряются такими компаниями, как Freescale, Imbera, GE, Verdant и многими другими.
Решение от компании Freescale — корпус кристалла с перераспределением выводов (Redistributed Chip Package, RCP)
В корпусе RCP от компании Freescale используется наращивание тонкой пленки непосредственно на компонентах, внедренных в заливочный компаунд, что устраняет необходимость применения проволочной разварки и столбиковых выводов Flip Chip. Изображение корпуса RCP представлено на рис. 7.
Корпус RCP предназначен для применения в системах в корпусе (System-in-Package, SiP) для мобильных электронных изделий [7]. Благодаря отсутствию проволочной разварки и столбиковых выводов Flip Chip улучшаются электрические характеристики и расширяются возможности для миниатюризации. Корпуса RCP и подобные технологии корпусирования со встроенными кристаллами полностью меняют традиционные цепочки поставок, перенося бескорпусной кристалл на этап создания межсоединений. Начиная с 2008 года компания Freescale поставила некоторое количество изделий, в которых применяется технология RCP.
Корпус RCP предназначен для применения в системах в корпусе (System-in-Package, SiP) для мобильных электронных изделий [7]. Благодаря отсутствию проволочной разварки и столбиковых выводов Flip Chip улучшаются электрические характеристики и расширяются возможности для миниатюризации. Корпуса RCP и подобные технологии корпусирования со встроенными кристаллами полностью меняют традиционные цепочки поставок, перенося бескорпусной кристалл на этап создания межсоединений. Начиная с 2008 года компания Freescale поставила некоторое количество изделий, в которых применяется технология RCP.
Рис. 7. Корпус RCP от компании Freescale
Решение от компании Imbera — интегральная модульная плата (Integrated Module Board, IMB)
В интегральной модульной плате от компании Imbera активные и пассивные устройства встраиваются в плату на основе органического материала путем установки бескорпусного кристалла при совместном прессовании обычного пакета слоев печатной платы. После прессования выполняется сверление и металлизация микропереходных и сквозных отверстий. Соединения с кристаллом имеют структуру Cu/Cu или Cu/Au без связующей составляющей. Корпус от компании Imbera показан на рис. 8.
Среди целевых областей применения данной технологии — системы в корпусе (SiP) и системы в плате для передовой потребительской электроники. Решение IMB, основанное на традиционных технологиях изготовления печатных плат, позволяет достичь средних или низких электрических характеристик и уменьшения размеров, но ожидается, что оно будет обладать существенными экономическими преимуществами и хорошей совместимостью с производственной инфраструктурой.
Рис. 8. Интегральная модульная плата от компании Imbera
Решение от компании GE — наращивание на встроенном кристалле (Embedded Chip Build-Up, ECBU)
В технологии наращивания на встроенном кристалле от компании GE выполняется формирование тонкой пленки непосредственно на компонентах с применением гибких диэлектриков без покрытия и с предварительной металлизацией. При этом проволочная разварка и столбиковые выводы Flip Chip не выполняются. Корпус ECBU показан на рис. 9 [8].
Компания GE продвигает технологию ECBU для таких областей применения, как микропроцессоры, видеопроцессоры и специализированные интегральные микросхемы с высокими требованиями к межсоединениям и тепловым режимам. Отсутствие проволочной разварки и столбиковых выводов Flip Chip обеспечивает отличные электрические характеристики и открывает возможности для выполнения межсоединений с очень высокой плотностью. Для выполнения установки бескорпусного кристалла в коммутационную структуру ECBU требуется некоторая перестройка существующей инфраструктуры процессов корпусирования и цепочки поставок. Технические оценки решения ECBU, проводимые в настоящее время ведущими поставщиками микропроцессоров и графических процессоров, указывают на существенные преимущества этой технологии с точки зрения рабочих характеристик.
Рис. 9. Структура ECBU от компании GE
Решение от компании Verdant Electronics — Процесс Оккама (Occam Process)
Процесс Оккама от компании Verdant, показанный на рис. 10, заключается в установке предварительно проверенных и приработанных компонентов на адгезивный слой временного или постоянного основания. После заливки компонентов адгезивный слой удаляется в местах над выводами компонента механически или с помощью лазерной абляцией. В заключение формируется коммутационная структура путем металлизации отверстий и формирования проводников из меди.
Рис. 10. Процесс Оккама от компании Verdant Electronics
АЛЬТЕРНАТИВНОЕ РЕШЕНИЕ — ТЕХНОЛОГИЯ ФОРМИРОВАНИЯ МЕЖСОЕДИНЕНИЙ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АЛМАЗНЫХ ЧАСТИЦ
Межсоединения с применением частиц
Еще одна альтернатива пайке — межсоединения с применением алмазных частиц. Изначально разработанный для автоматизированного тестирования, это метод обеспечивает низкое контактное сопротивление при небольшом повреждении.
Низкое контактное сопротивление обеспечивается здесь за счет твердых частиц неправильной формы на поверхности контактной площадки. Такая поверхность с частицами легко прокалывает сопрягаемое монтажное основание, даже если на нем имеется непроводящий оксидный слой и адгезив. Микрофотография поперечного сечения такого соединения с прокалыванием представлена на рис. 11.
Рис. 11. Улучшенный за счет частиц контакт между контактной площадкой кремниевого кристалла и площадкой на печатной плате [9]
На схеме на рис. 12 показаны основы варианта выполнения межсоединений с применением частиц с химическим осаждением. Процесс начинается с подготовки поверхности алюминиевых контактных площадок пластины (очистка и цинкатная обработка) с последующим модифицированным процессом совместного химического осаждения никеля и частиц. За вторым процессом химического никелирования следует финишное нанесение иммерсионного золота.
Рис. 12. Один из нескольких основанных на металлизации процессов осаждения частиц для создания межсоединений
На первом этапе химического осаждения никеля с помощью модифицированного метода композитного химического никелирования на алюминиевые контактные площадки совместно осаждаются никель и частицы, для чего твердые частицы смешиваются с раствором химического никелирования. Этап активации поверхности частиц после совместного осаждения обеспечивает адгезию металла к открытым поверхностям частиц при нанесении второго слоя никеля. На этапе второго, обычного, химического никелирования слой металла покрывает нанесенные частицы. На рис. 13 приведена микрофотография готовой поверхности для межсоединения с применением частиц на алюминиевой контактной площадке.
Рис. 13. Поверхность для межсоединения с применением частиц на алюминиевой контактной площадке [9]
Технология создания межсоединений с применением частиц обладает значительным потенциалом в качестве замены пайки в разнообразных областях, таких как сборка светодиодных изделий и печатная электроника.
Монтаж светодиодных компонентов на основания корпусов часто выполняется пайкой. Однако припой может закоротить p-n переходы светодиодов из-за подъема по боковым сторонам компонента. Анализ метода выполнения межсоединений с применением частиц в сочетании с непроводящим адгезивом показал, что алмазные частицы с никелевым покрытием обеспечивают улучшенную электро- и теплопроводность без риска короткого замыкания p-n перехода. На рис. 14 представлен светодиод с площадкой для соединения с применением частиц на нижней стороне компонента.
Также технология межсоединений с применением частиц может оказаться полезной для чувствительных к нагреву изделий, таких как изделия печатной и органической электроники.
Рис. 14. Площадка для соединения с применением частиц на нижней стороне кристалла светодиода обеспечивает
превосходные электро- и теплопроводность без риска короткого замыкания p-n перехода.
Заключение
Революционный характер поиска замены припоям на основе свинца указал на центральную роль припоя в сборке электроники. Бессвинцовые припои требуют более высоких температур и приводят к повышению требований к тепловой устойчивости электронных компонентов. В результате отрасль становится все более открытой для альтернативных решений без применения пайки.
Компания TechLead выделила три группы решений-альтернатив классической пайке, основанных на использовании: проводящих адгезивов, конструкций со встроенными компонентами и технологии с алмазными частицами. Ко всем перечисленным направлениям пробуждается интерес, и для каждого из них находятся новые применения.
Как и для многих революционных технологий, внедрение таких подходов сдерживается необходимостью некоторой перестройки цепочки поставок. Тем не менее, компания TechLead прогнозирует, что требования к характеристикам и надежности приведут к преодолению барьеров для внедрения этих технологий.
Список источников
- K. Gilleo, Assembly with Conductive Adhesives, Soldering and Surface Mount Technology, No. 19, 12-17, 1995.
- M. J. Yim, J. S. Hwang, J. G. Kim, J. Y. Ahn, H. J. Kim, W. S. Kwon, and K. W. Paik, J. Electron. Mater. 33, 76 (2004).
- M. J. Yim, and K. W. Paik, Electronic Materials Letters, Vol. 2, No. 3 (2006), pp. 183-194.
- V. R. Markovich, R. N. Das, M. Rowlands and J. Lauffer, Fabrication and Electrical Performance of Z-Axis Interconnections: An Application of Nano-Micro-Filled Conducting Adhesives.
- Li, Q., ZHANG, J. Effects of Nano Fillers on the Conductivity and Reliability of Isotropic Conductive Adhesives (ICAs). Key Engineering Materials Vols., 353-358, 2007, pp 2789-2882.
- http://www.ormetcircuits.com.
- «Circuit device with at least partial packaging and method for forming» US Pat. 6838776 — Filed Apr 18, 2003 — Freescale Semiconductor, Inc. and «Circuit device with at least partial packaging, exposed active surface» US Pat. 6921975 — Filed Apr 18, 2003 — Freescale Semiconductor, Inc.
- R. Fillion, C. Bauer, «High performance, high power, high I/O COF packaging,» 15th European Microelectronics and Packaging Conference & Exhibition, Brugge, Belgium, June 2005.
- H. J. Neuhaus and M. E. Wernle, «Advances in Materials for Low Cost Flip-Chip.» Advancing Microelectronics, 2000, p. 12.