Annons
Annons
Annons
Annons
Annons
Annons
Annons
Annons
Krönikor | 12 december 2005

Mikroviatekniken ger inspiration till miniatyrisering av delsystem

Vi upphör aldrig att förvånas över hur halvledarkomponenternas struktur ständigt förfinas, samtidigt som de behåller samma höga prestanda.

De är viktiga faktorer för hur snabbt elektronikutvecklingen går framåt, och kretskortssidan har svårt att hänga med. Mikroelektroniken har under de senaste åren blivit allt mer betydelsefull inom många områden, från bilindustrin till industrielektroniken. Den har dessutom kommit att bli en viktig del i intelligenta enheter och system. Mindre volym och vikt, bättre systemprestanda med kortare signalöverföringstider, ökad driftsäkerhet och minimerade systemkostnader har blivit allt viktigare. Som ett resultat av detta stiger också kraven på utvecklare och layoutingenjörer. Mikroviatekniken har sedan länge varit produktionsstandard inom telekommunikationsindustrin, och börjar nu även komma in på andra marknadssegment där den erbjuder möjligheten att uppfylla kraven på tekniskt perfekta lösningar och effektiv produktion. Mikroviatekniken förenar med andra ord modern teknik och lönsamhet. Om man tittar på hur kretskortsindustrin ser ut i praktiken är det uppenbart att den förfogar över kostnadseffektiv, säker och beprövad teknik. När man integrerar moderna komponenter med hjälp av mikrovior i korten krävs endast smärre förändringar av flerlagerskonstruktionen. Detta innebär att många av de krav som ställs på elektroniska produkter kan uppfyllas utan problem. HDI (High Density Interconnect) innebär att man använder mikrovior för hög packningstäthet av komponenter och funktioner inom ett begränsat utrymme. Hålen i mikroviakort borras inte med mekanisk borr på konventionellt sätt utan med laserborr. Drivkrafterna bakom HDI-mikroviatekniken är de olika komponentformaten, som COB (Chip on Board), flipchip, CSP (Chip Size Packaging) och BGA (Ball Grid Arrays), som beskrivs som foot-print eller bendelning. Foot-print avser utformningen av lödytan och anslutningsytan för ytmonterade komponenter. Bendelningen är avståndet mellan de enskilda lödytornas mittpunkter. Många nya komponenter kommer ut på marknaden med ett stort antal anslutningar och liten bendelning, vilket kräver ökad packningstäthet på kretskortet. Detta visar varför de tekniska utmaningar som kretskortstillverkaren möter och de implementeringsmöjligheter som finns är så viktiga för nya komponenter. Redan på det här stadiet avgörs kortens lönsamhet, liksom deras rationella tekniska möjligheter och processkompatibilitet. Detta belyser hur starkt kretskortsutvecklingen påverkas av utvecklingen av komponenter och deras geometriska utformning. Tidigare var mikrovior förskjutna i förhållande till varandra för att skapa förbindelser mellan flera lager. Man har konstaterat att nya tekniker, där mikrovior skapar förbindelser mellan två lager, är särskilt kostnadseffektiva och förenklar tillverkningsprocessen. Dessa hål kan produceras i ett enda program med början i det yttre lagret. Kopparfyllda mikrovior är den senaste utvecklingen som är klar för serieproduktion. Teknikens speciella egenskaper innebär att viorna kan placeras direkt ovanpå varandra. Med denna metod är det möjligt att placera komponenter även i mycket begränsade geometrier. När är det lönsamt med mikrovior? Inga handböcker anger var gränsen går mellan mekaniskt borrade hål och laserhål. Hur mikrovior används avgörs trots allt inte bara av komponenttekniken eller komponentgeometrin och följaktligen inte heller av kretskortsgeometrin. Frågor om lönsamhet besvaras dock entydigt när man använder mikrovior. Mot bakgrund av Würth Elektroniks erfarenhet utifrån dagens perspektiv, kan en tydlig teknisk gräns dras vid en BGA med 0,8 mm bendelning. Här möter den konventionella tekniken med mekaniskt borrade vior sin begränsning, och mikrovior (laserborrade blinda vior) måste användas. Ekonomiska skäl spelar naturligtvis en viktig roll. En jämförelse mellan olika borrkostnader avslöjar hur överlägsen mikroviatekniken är jämfört med mekanisk borrning (Ø 0,3 mm) även när det rör sig om ett relativt litet antal hål. Den 100 gånger högre borrhastigheten och verktygskostnaderna på nästintill noll gör laserborrning extremt snabb och billig. Ju fler hål det rör sig om desto större blir effekten. Jämförelsen visar tydligt vilken besparingspotential som mikroviatekniken har. Würth Elektroniks erfarenheter visar att rätt tillämpning av den här tekniken leder till besparingar på mellan åtta och tio procent av den totala kostnaden för konventionella kretsar. Fördelen med viateknik blir oerhört mycket större om man måste använda mindre borr av geometriska skäl. Med konventionell borrning ökar då kostnaderna för borrenheterna dramatiskt och borrförsänkarnas livslängd sjunker. Kostnadsskillnaden blir enorm om man jämför Ø 0,1 mm mekaniskt borrade vior med Ø 0,1 mm laserborrade mikrovior. I det här fallet är skillnader i kostnader cirka 500:1. En enkel jämförelse av storleken mellan en konventionell borr och en mikrovia visar på ett slående sätt förhållandet mellan de relativa ytorna och ytkravet. Hur är också viktigt När det gäller konventionellt borrade "hundbenstrukturer" med en BGA med 0,8 mm bendelning befinner sig hålkragarna så nära lödöarna att fluktueringar i processen kan leda till problem. En liten förskjutning i lödmasken, en häftig borrörelse eller en instabil struktur hos de yttre lagren kan till slut innebära att borrhålen är bristfälligt skyddade av lödmasken. Då kan dessa vior utöva en kapillärkraft på lödön vilket kan leda till dåliga lödningar. Till följd av lodets och hålkragarnas geometriska konfiguration är det yttre lagret inte heller tillgängligt som komponentlager. En liknande konfiguration kan även förekomma med mikrovior. Lödöarna är anslutna med viorna genom den upprättade "hundbenstrukturen". De ovan nämnda problemen minskar avsevärt. Men den här konfigurationen kan trots detta även innebära att en komponentlayout på det yttre lagret inte alltid är möjlig. Den smidigaste lösningen är "via-i-lödön", då mikroviorna borras direkt i lödön. Detta öppnar upp tillräckligt utrymme mellan lödöarna för att dra ledningsbanor. En jämförelse av de tre varianterna: vior som borrats mekaniskt genom kretskortets samtliga lager (avstånd BGA-kapsel till via-lödö = 110 µm; dragning av ledningsbanor: endast i de yttre raderna), mikrovior indelade i hundbenstruktur (avstånd BGA-kapsel till via-lödö = 190 µm; dragning av ledningsbanor: begränsad!), mikrovior borrade direkt i BGA-kapseln (avstånd BGA-kapsel till via-lödö = 780 µm, dragning av ledningsbanor: problemfri) Till följd av miniatyriseringen är kretskortsytan som är tillgänglig för komponentmontering mycket viktig. Med en konventionell komponentlayout som använder mekaniskt borrade vior, utesluter borrningstätheten i en BGA montering på kortets ovansida. De inre lagren, framför allt jord- och matningsplan, påverkas också av de vertikala borrhålen. Mikrovior, å andra sidan, upprättar helt enkelt den nödvändiga kontakten mellan två lager. Kretskort kan följaktligen monteras dubbelsidigt inom ett begränsat utrymme. Nya minneschips, som SRAM från Samsung, har ofta integrerats med existerande utformningar. I dessa fall avgör utformningen av BGA-komponenter med 0,75 mm bendelning om mikrovior ska användas. Det är numera praxis att analysera hur lönsam en omformning blir vid integrering av sådana komponenter. Endast korrekt användning av mikroviateknik leder till besparingar och den totala omfattningen visar sig först vid noggranna beräkningar. Om komponenter med ännu finare bendelning används, såsom PXA 26x-processorsortimentet från Intel, räcker inte längre enlagersmikrovior till komponentlayouten. Denna komponent har 294 ben på sex rader i följd och en bendelning på endast 0,650 mm. I det här fallet krävs tre nivåer för ledningsdragning. Laserborrning från lager ett till lager två, och från lager ett till lager tre samtidigt, öppnar upp dessa tre layoutnivåer i ett borrningsprogram. För att få kortast möjliga väg till strömförsörjning och jordning placeras mikroviorna direkt på anslutna dolda vior. I dag arbetar vi med BGA med 0,5 mm bendelning. Detta mått rekommenderas bland annat för 10 Gbps XAUI-transceivern från Texas Instruments. Alla strukturella mått är reducerade till ett minimum i det här fallet och är exakt matchade. Förskjutningen av lödmasken till lödön visar mycket tydligt hur snäva tillverkningstoleranserna verkligen är. En mittpunktsförskjutning på omkring 30 µm leder till att lödmasken nästan nuddar lödön. Ur dagens perspektiv når detta en BGA med tätast möjliga bendelning som kan serietillverkas. "piggyback-procedur" med Panasonic Bluetooth-modulen BTZ 4002A Panasonic Bluetooth-modulen BTZ 4002A tas upp som det sista exemplet på dynamiken inom miniatyriseringen. Detta modulära kretskort utnyttjar på ett optimalt sätt fördelarna med mikroviateknik i kombination med kantplätering. Särskilt anmärkningsvärt är kortets modulära egenskaper. Komplexa delsystem integreras på ett kretskort i en "piggyback-procedur" för att slutligen bilda en enkel och kostnadseffektiv krets. Framgångsrik integrering av moderna komponenter bygger i allt större utsträckning på mikroviateknik. Mikroviateknikens besparingspotential blir allt viktigare, och den tekniska utvecklingen omfattar även signalintegritet och krav på högre överföringshastighet som ger en högre informationshastighet. I kombination med andra tekniker, bland annat kylare och inbäddade passiva, öppnar mikrovior upp nya möjligheter och tillämpningsområden där tekniken kan utnyttjas optimalt. Roland Schönholz Würth Elektronik GmbH and Co. KG
Annons
Annons
Visa fler nyheter
2019-06-17 21:26 V13.3.21-2