PCB Tecnico - Il ruolo del montaggio del chip sul PCB

I PCB più piccoli, compresi i circuiti rigidi-flessibili, richiedono uno dei tre metodi per il posizionamento dei chip, a seconda dell'applicazione. La tecnologia che è stata l'unico campo della produzione di semiconduttori per molti anni è ora migrata ai processi e ai processi di produzione di circuiti stampati (PCB) di oggi.

Questi non sono i vecchi PCB tradizionali con cui siamo cresciuti; Al contrario, sono un nuovo tipo di circuiti stampati, principalmente piccoli circuiti rigidi e circuiti flessibili, o una combinazione dei due, chiamati combinazioni rigido-flessibili. Sempre più piccoli prodotti elettronici, come dispositivi indossabili, dispositivi portatili e dispositivi Internet of Things, si basano su questi circuiti integrati aggiornati.

Nel 2019 e in futuro, poiché i prodotti elettronici avanzati di oggi stanno restringendo lo spazio PCB, la microelettronica giocherà un ruolo vitale. Una ragione per la dimensione del circuito stampato restringibile è che anche i componenti stanno restringendo nelle dimensioni e diventando sempre più raffinati e sta diventando sempre più difficile assemblare, ispezionare e testare i prodotti.

Ad esempio, molti di questi PCB più piccoli non possono passare attraverso le tradizionali linee di assemblaggio e produzione PCB. Sempre più tali circuiti stampati devono passare attraverso imballaggi microelettronici specializzati, compreso l'incollaggio del filo e il collegamento del chip.

La connessione a chip è un'area relativamente nuova della piccola produzione di PCB. In breve, è il processo di collegamento di un chip o di una matrice al suo pacchetto, substrato, o circuito rigido, flessibile o rigido-flex. In realtà, può anche comportare il collegamento di un chip ad un altro.

Il metodo di montaggio del chip da utilizzare dipende dalla conducibilità termica e dalla dissipazione del calore. Pertanto, prima del processo di connessione del chip, ogni chip deve essere sottoposto a un'attenta ispezione e analisi della conducibilità termica per determinare la quantità di calore che emetterà.

Le patatine si trovano solitamente su nastro adesivo, nei wafer o nei vassoi per waffle. Il vassoio di waffle o chipset ha molti chip affettati (Figura 1).

Figura 1: Waffle Pack con chip (Fonte: NexLogic Technologies)

Quando il chip di destinazione viene prelevato dal vassoio di waffle o dal pacchetto wafer da un piccolo strumento di aspirazione sottovuoto, inizia il processo di connessione del chip (Figura 2).

Figura 2: Aspiratore sottovuoto per il prelievo di chip (Fonte: NexLogic Technologies)

Dopo che lo stampo è rilasciato dal vuoto, è allineato con precisione al substrato o PCB, e quindi collegato permanentemente utilizzando uno dei tre metodi. L'epossidica e la saldatura utilizzati per la patch possono essere non conduttivi o conduttivi. Durante il montaggio del chip, ci dovrebbe essere un contatto perfetto tra il chip/chip e il substrato/PCB; Inoltre, non dovrebbero esserci lacune.

Inoltre, l'adesivo che collega il chip al substrato deve essere molto preciso. Questo processo è molto delicato; Oltre a prelevare il chip, deve anche essere posizionato sul substrato senza danneggiarlo o distruggerlo. Il legame dello stampo creato deve essere in grado di resistere a intervalli di temperatura estremamente elevati senza perdite di produttività, perdite di prestazioni e degradazioni significative.

I metodi tipici di connessione del chip sono il legame epossidico, eutettico e la connessione della saldatura. Il processo di incollaggio epossidico può coinvolgere vetro epossidico argento o materiali a base di poliimide. Questa epossidica viene erogata utilizzando un dosatore molto fine che eroga la quantità molto accuratamente, con tolleranze in micron. In questo caso, il substrato deve essere riscaldato ad una temperatura da temperatura ambiente a 200°C, a seconda del tipo di epossidica utilizzata. Questa temperatura permette alla resina epossidica di polimerizzare correttamente in modo che aderisca al substrato, formando così accuratamente un giunto tra il substrato e il chip.

Quando l'epossidico viene erogato, copre l'area in cui è necessario effettuare il collegamento del chip e crea un angolo arrotondato sul bordo del legame. Se viene erogata troppa epossidica, causerà contaminazione e dislocazione. Anche la coplanarità diventerà un problema, nel qual caso il chip non funzionerà correttamente. Al contrario, se non si somministra abbastanza epossidica, porterà a crepe, vuoti e giunti successivi saranno sub-ottimali.

Come mostrato nella figura 3, devono essere eseguiti i requisiti di assegnazione estremamente precisi. Inoltre, sono necessari strumenti di ispezione altamente sofisticati per ottenere un posizionamento perfetto del chip. Gli adesivi utilizzati di solito non sono conduttori, sono isolanti elettrici e non hanno una buona conducibilità termica. Per renderli più conduttivi termicamente, vengono utilizzati materiali in argento o oro per ridurre la resistenza termica ad un valore inferiore.

L'aggiunta di oro, argento, carburo di silicio, ossido di berillio o composti di diversi elementi aiuta a curare questi adesivi a temperature più basse. L'incollaggio epossidico può anche essere utilizzato per collegare più dimensioni di chip di materiali diversi.

Questa tecnologia utilizza una lega eutettica per collegare il chip alla cavità o al substrato. Il substrato in questa applicazione può essere ceramica o metallo come alluminio o rame, che sono comunemente utilizzati in applicazioni ad alta potenza come microonde e componenti a radiofrequenza. Il motivo per l'utilizzo del processo di truciolo eutettico (al contrario del processo di truciolo adesivo) è che il metodo eutettico può gestire intervalli di temperatura di 300Â ° C o superiore. Sono necessarie temperature più elevate perché substrati come ceramica e metalli hanno punti di fusione più alti.

Collegamento a chip eutettico - che può anche essere definito come un "processo di connessione della saldatura senza flusso" - uno strato sottile di metallo chiamato preforma (Figura 4). Questa preforma è una lega (miscela) di due o più elementi diversi (oro-argento o oro-stagno o simili) che possono essere utilizzati per creare giunti in un'atmosfera inerte. Come sono consentiti, queste preforme si sciolgono ad una temperatura inferiore rispetto al substrato.

Figura 4: Conosciuta anche come "saldatura senza flusso", le connessioni eutettiche del chip utilizzano sottili strati metallici chiamati preforme. (Fonte: NexLogic Technologies)

Ad esempio, la temperatura di fusione dell'oro puro è molto alta, superiore a 1.000°C, mentre la temperatura di fusione del silicio supera 1.400°C. D'altra parte, le preforme in stagno e argento consentono la fusione a 231°C, oro-stagno a 295°C, oro-germanio a 350°C e oro-silicio a 400°C, rendendo più facile la fusione Creare un giunto robusto all'interno di un intervallo di temperatura controllato.

L'altro motivo per utilizzare preforme a base d'oro è perché l'elemento ha un'elevata conducibilità elettrica - elettricità e calore - che fornisce un modo eccellente per dissipare il calore.

I collegamenti a saldatura sono simili alla creazione di giunti con tecnologia di montaggio superficiale (SMT). A causa dell'elevata conducibilità termica del materiale di saldatura stesso, il collegamento alla saldatura è un tipo comune di legame con chip.

Come abbiamo visto, considerando anche i vari metodi discussi sopra, il processo di montaggio del chip può subire variazioni estreme di temperatura. Ad esempio, per SAC 305 stagno-piombo o alcune saldature simili, l'intervallo di temperatura del processo di connessione della saldatura morbida è 180Â ° C a 250Â ° C. Per le saldature fatte di oro-stagno, oro-silicio o leghe simili, il metodo di connessione della saldatura ad alta temperatura può superare 250Â ° C o anche superiore. Quando si tratta della dissipazione del calore di dispositivi come i LED, anche i collegamenti a saldatura sono importanti.

Un aspetto importante dell'attacco della saldatura è che il chip richiede flusso. Prima di questo, la lega di saldatura iniziale deve essere pre-placcata sulla metallizzazione del chip e sulla metallizzazione del substrato. Se è richiesto un certo strato, è necessaria una composizione leggermente diversa del chip e del substrato. Una volta completata l'esecuzione, il chip placer viene utilizzato per posizionare il chip sul substrato.

Quando si utilizza il metodo di connessione della saldatura, un filo viene immesso nel sistema, dove viene preriscaldato, quindi la saldatura viene sciolta e si forma il giunto (dopo di che, il flusso sul chip deve essere rimosso prima dell'imballaggio).

Le eccellenti caratteristiche della tecnologia di fissaggio della saldatura includono la sua robustezza, resistenza meccanica, buona dissipazione del calore e alta conducibilità termica.

Una volta completato il processo di attacco dello stampo (utilizzando una delle tecniche di cui sopra), viene utilizzato un processo aggiuntivo per eseguire l'incollaggio del filo, che collega i pad sullo stampo / chip ai pad corrispondenti sul substrato / PCB. Questi legami possono essere raggiunti utilizzando filo d'oro, filo di alluminio, filo di rame o (in alcuni casi) filo d'argento.

In breve, per i PCB di piccole dimensioni come il circuito rigido, flessibile e rigido-flex, il montaggio dei chip sta diventando una tecnologia più prominente. Pertanto, è molto importante per i progettisti OEM avere una buona comprensione dei tre tipi di metodi di montaggio chip per scegliere il metodo più adatto per la loro applicazione.