PCB Tecnico - Considerazioni per la progettazione di riempimento e il processo PCB

Con l'aumento della densità del circuito e l'eliminazione dei fattori di forma del prodotto, molti nuovi metodi sono emersi nell'industria dei PCB per integrare più strettamente la progettazione a livello di chip con l'assemblaggio a livello di scheda. In una certa misura, l'emergere di tecnologie quali flip chip e chip scale package (CSP) ha effettivamente offuscato lo stampo a semiconduttore, il metodo di imballaggio dei chip e il circuito stampato (PCB). ) La tradizionale linea di demarcazione tra artigianato a livello di assemblaggio. Sebbene i vantaggi di queste nuove tecnologie di assemblaggio a livello di chip ad alta densità siano molto importanti, poiché le dimensioni più piccole rendono componenti, connessioni e imballaggi più sensibili alle sollecitazioni fisiche e termiche, scegli la migliore tecnologia per configurare e ottenere affidabilità continua. L'effetto produttivo diventa sempre più difficile.

1. Perché è riempito?

L'idea iniziale di considerare l'uso di sigillante sottoriempimento è quella di ridurre l'impatto causato dal disallineamento delle caratteristiche generali di espansione della temperatura tra la matrice di silicio e il substrato sottostante a cui è attaccato.

Il secondo vantaggio del riempimento della colla è quello di prevenire l'umidità e altre forme di inquinamento. Sul lato negativo, l'uso di riempitivi aumenta il costo delle operazioni di produzione e rende difficile la rielaborazione. Per questo motivo, molti produttori di PCBA eseguono test funzionali rapidi dopo il riflusso e prima del riempimento.

In secondo luogo, decidere quando riempire la colla

Poiché ci sono non meno di cinquanta progettazioni CSP diversise1, oltre a innumerevoli variabili e condizioni operative che coinvolgono la progettazione della connessione, è difficile fornire una regola esatta per determinare quando utilizzare il riempimento. Tuttavia, ci sono molti fattori chiave che dovrebbero essere presi in considerazione quando si progetta un PCB. Alcuni fattori importanti includono:

La differenza nel coefficiente di espansione della temperatura (CTE) tra il chip e il substrato. Il CTE del silicio è di 2,4 ppm; il CTE di un materiale PCB tipico è 16 ppm. I materiali ceramici possono essere progettati secondo il CTE corrispondente, ma il CTE del 95% ceramica allumina è 6,3 ppm. Il riempimento adesivo è richiesto per gli imballaggi basati su PCB, anche se la maggiore affidabilità dopo il riempimento è mostrata anche sui substrati ceramici. Un metodo alternativo è quello di utilizzare un substrato con una struttura dell'inserto, come un materiale ceramico ad alto-CTE o flessibile, come materiale che assorbe le vibrazioni tra il chip e il substrato principale, che può ridurre la differenza CTE tra il PCB e il chip di silicio.

Quarto, lo spessore del PCB del sistema

L'esperienza ha dimostrato che i PCB più spessi sono più rigidi e le schede più sottili resistono alle forze di flessione causate da un maggiore impatto. Ad esempio, un'analisi ha dimostrato che aumentare lo spessore del substrato FR-4 da 0,6 mm a 1,6 mm può aumentare il numero di test da cicli a guasti da 600 a 9003. Purtroppo, per i dispositivi ultrapiccoli di oggi, aumentare lo spessore del substrato è sempre irrealistico. Infatti, ogni raddoppio dello spessore del substrato aumenta il miglioramento dell'affidabilità di circa due volte, ma il raddoppio della dimensione del chip causa una degradazione quadruplica4.

Cinque, la sfida di Dijiao

Una volta presa la decisione di utilizzare il metodo di riempimento, è necessario considerare una serie di sfide al fine di implementare efficacemente il processo e ottenere risultati continui e affidabili mantenendo il livello di produzione richiesto. Tali questioni chiave comprendono:

Ottenere un flusso di colla completo e privo di vuoto nella parte inferiore del chip

Distribuire la colla intorno ai chip ben imballati

Evitare la contaminazione di altri componenti

Erogazione della colla attraverso l'apertura dell'alloggiamento o dello scudo a radiofrequenza (RF)

Controllo dei residui di flusso.

6. Ottenere un flusso di colla completo e senza vuoto

Poiché il materiale di riempimento deve essere aspirato nella parte inferiore del chip per azione capillare, la chiave è posizionare l'ago abbastanza vicino al chip per avviare il flusso di colla. Bisogna fare attenzione ad evitare di toccare il chip o contaminare il retro dello stampo. Un principio raccomandato è quello di posizionare il punto di partenza della punta dell'ago a metà del diametro esterno della punta dell'ago più uno spostamento XY 0,007". L'altezza di Z è pari all'80% dell'altezza del chip sul substrato. Durante l'intero processo di erogazione, è necessario anche un controllo di precisione per mantenere il flusso della colla ed evitare danni e contaminazioni dello stampo.

Sette, il numero di chip e il rapporto di vicinato

Quando si progetta una matrice ben imballata su una scheda che deve essere riempita con colla nella parte inferiore, il progettista della scheda deve lasciare spazio sufficiente per l'ugello della colla. Due chip che condividono un percorso di colla è un metodo accettabile di erogazione della colla. I componenti passivi paralleli al bordo del chip avranno un effetto di blocco. I componenti a 90° fino al bordo del chip possono attirare la colla lontano dal componente da riempire. Il materiale di riempimento intorno ai componenti passivi non è stato trovato per avere un effetto negativo. L'azione capillare incrociata da chip adiacenti o componenti passivi attirerà il materiale di riempimento lontano dai componenti target, che può causare vuoti sotto il CSP o flip chip

8. Estrarre la colla attraverso l'apertura

Con l'aumento dell'uso di sottoriempimento nell'assemblaggio RF, è spesso necessario sfidare il processo di erogazione della colla e implementare il processo di riempimento della colla dopo che il coperchio di schermatura RF è stato assemblato. Per la migliore efficienza produttiva, di solito è necessario considerare il posizionamento della copertura di schermatura RF mentre altri componenti sono montati e saldare tutto in un processo di saldatura a riflusso una tantum. Pertanto, i progettisti di prodotti e processi devono collaborare per lasciare abbastanza aperture nel coperchio dello scudo per il riempimento inferiore. Il progettista deve anche evitare di posizionare il chip troppo vicino al coperchio di schermatura RF, perché l'azione capillare o l'erogazione ad alta velocità possono consentire al materiale di riempimento di fluire nel coperchio di schermatura RF e sopra il CSP o flip chip. Se lo spazio tra il componente e il coperchio è piccolo, la velocità di gocciolamento del materiale di riempimento sarà limitata per evitare il riempimento sul componente. Rallentare la velocità di erogazione rallenterà il processo di assemblaggio e limiterà la produzione. Spostarsi in un altro foro o componente, e poi tornare al primo foro per far cadere più colla, che può spostare un po '. Tuttavia, questo comporta più movimenti, ancora una volta riducendo l'output.

Schwiebert e Leong hanno dato un'equazione per la portata della colla di riempimento.

Il tempo di flusso è:

t = 3 μL2/[h Î"cos(Ï 134)]

qui:

T = tempo (secondi)

Μ = viscosità fluida

L = distanza di percorrenza

H = spazio libero o altezza della palla

Φ = angolo di contatto o bagnatura

Λ = tensione superficiale all'interfaccia liquido-vapore

(I valori di questi parametri devono essere ottenuti alla temperatura di erogazione del liquido, solitamente 90°C.)

Pompe e valvole della maggior parte dei produttori di PCBA possono fornire liquido al CSP o flip chip più velocemente di quanto il materiale possa fluire sotto il chip. Il volume/peso del liquido sotto il chip deve ancora essere determinato.8 Una volta determinati questi numeri, viene effettuato il primo calcolo approssimativo della portata per determinare se il liquido deve essere lasciato cadere contemporaneamente o una piccola quantità di gocce multiple. Il processo tipico è: quando il liquido scorre sotto il primo componente, passare al secondo componente per far cadere la colla, e poi tornare alla prima posizione per completare.

11. Conclusione

L'uso efficace del riempimento della colla richiede una vasta gamma di fattori, tra cui la progettazione di prodotti PCB per adattarsi al processo di riempimento della colla e la progettazione della tecnologia di riempimento della colla per adattarsi alle esigenze del prodotto. Il riempimento accurato e flessibile della colla per i requisiti di progettazione a livello di chip implicherà inevitabilmente la collaborazione tra progettisti di prodotto, ingegneri di processo di produzione, preparatori di colla e fornitori di sistemi di colla.