Микросхемы в корпусе LLP

Процесс миниатюризации электронных компонентов для портативных устройств, таких как мобильные телефоны и МРЗ-плейеры, существенно ускоряется в результате совер­шенствования технологии изготовления сверхтонких корпу­сов. В статье приведены краткие характеристики основных параметров микросхем в сверхтонких корпусах LLP и основ­ные проблемы, возникшие в процессе их разработки.

А. Мельниченко

Основным стимулом развития полупроводниковой отрасли в настоящее время является производство мобильных телефонов. В 2004 году их было выпущено более чем 500 миллионов штук. Кроме широкого на­бора функций основными характеристиками телефо­нов, определяющими их популярность, являются ма­лые объем и масса, а также высокая надежность. Эти характеристики в большой степени зависят от пара­метров используемых компонентов, в частности, от конструкции их корпуса.

Корпус Leadless Leadframe Package (LLP) пред­ставляет собой CSP-корпус, изготавливаемый с при­менением выводной рамки и проводного монтажа. Он имеет следующие отличительные характеристики:

• малое тепловое сопротивление
• малые паразитные емкости
• малые объем и массу.

Такие корпуса являются наиболее дешевыми и универсальными, так как изготавливаются они по хо­рошо освоенной промышленностью технологии.

Корпуса LLP изготавливаются в двух вариантах:

• МО-220 с выводами вдоль каждой из четырех сто­рон
• МО-229 с выводами вдоль двух противоположных сторон.

Малые размеры корпуса делают его весьма удоб­ным для применения в портативных изделиях (мо­бильных телефонах, МРЗ-плейерах и пр.).

Согласно данным фирмы TechSearch International в течение предстоящих нескольких лет число микросхем в CSP-корпусах будет возрастать на 30% в год. Эти корпуса также известны, как DFN (Dual Flat No-lead) и QFN (Quad Flat No-lead), смотря по тому, находятся ли контактные площадки с двух или четырех сторон кор­пуса.

Одним из важных преимуществ микросхем в корпу­сах LLP является гораздо более эффективная тепло­передача между кристаллом и окружающей средой, чем в микросхемах, выполненных в других корпусах с такими же габаритами и числом выводов. Медный теп­лоотвод, на котором закреплен кристалл, припаивает­ся непосредственно к печатной плате, при этом вели­чина теплового сопротивления «переход — окружаю­щая среда» 0JA составляет примерно половину тепло­вого сопротивления других подобных корпусов. Так, например, рассеиваемая мощность 48-выводного корпуса LLP размерами 7×7 мм при температуре 70 °C может достигать 2.5 Вт, в то время как для корпуса TQFP таких же размеров она не превышает 1.5 Вт.

При появлении первых микросхем в корпусе LLP их толщина составляла 0.8 мм. Год спустя были выпуще­ны микросхемы в корпусах толщиной 0.6 мм. В сере­дине 2004 года фирма National Semiconductor выпус­тила первое семейство микросхем в сверхтонких кор­пусах толщиной 0.4 мм: microSMD и LLP (Leadless Leadframe Package), что позволило создавать более тонкие портативные устройства, телефоны меньшего размера, более легкие дисплеи, МРЗ-плейеры и бо­лее универсальные PDA (персональные цифровые секретари).

Уменьшение толщины стало возможным в резуль­тате совершенствования ряда технологических про­цессов, таких как обработка кремниевых пластин, из­готовление выводной рамки, уменьшение высоты соединительных проводников, прессование с малыми механическими напряжениями и т.д. Микросхемы в сверхтонких корпусах LLP имеют уровень MSL=1 вплоть до температурь пайки бессвинцовыми припо­ями (260 °C).

MSL — Moisture Sensitivity Level — уровень чувстви­тельности к влаге. Определяется путем выдержки компонента в условиях, соответствующих заданному уровню влажности, нагрева до температуры плавле­ния припоя с последующим охлаждением и проверки его функционирования. Если компонент выдержал испытание, его повторяют в условиях большей влажности, соответствующих следующему уровню. Для наименее чувствительного к влаге компонента MSL=1, для наиболее чувствительного MSL=6.

Корпуса микросхем различной толщины пол­ностью взаимозаменяемы. Для их монтажа и замены не требуется применение нового оборудования. Ниже речь пойдет о микросхемах в сверхтонких корпусах LLP и о трудностях, которые возникли в процессе раз­работки этих корпусов.

Конструкция корпуса LLP показана на рис. 1. В таб­лице приведены сравнительные параметры стандарт­ного корпуса толщиной 0.8 мм и сверхтонкого корпуса толщиной 0.4 мм. Уменьшение толщины было достиг­нуто применением вдвое более тонкой выводной рам­ки в сочетании с кристаллом толщиной всего 75 мкм и высотой соединительных проводников 125 мкм.

Рис. 1. Устройство микросхемы, выполненной в корпусе LLP

В процессе разработки микросхем в сверхтонких корпусах было приведено подробное исследование влияния процессов обработки кремниевых пластин на их механические характеристики, такие как неравно­мерность толщины, кривизна, коробление, а также на прочность пластин различной толщины (200, 100, 75 и 50 микрон) при использовании шлифовального обо­рудования различных фирм.

Одну из серьезных проблем представляли собой частые поломки кремниевых пластин малой толщины. Как оказалось, их прочность (т.е. способность сопро­тивляться усилию излома) зависела от качества рас­пиливания пластин и наличия сколов, а также от спо­соба снятия механических напряжений после шли­фовки (химического травления, механической поли­ровки, плазменного гравирования или сухой полиров­ки). Наиболее рентабельным оказалось химическое травление, обеспечивающее, помимо всего, высокую производительность.

Прочность кристаллов оказывает влияние на ско­рость монтажа кристаллов и надежность микросхем. При большой скорости монтажа в кристаллах толщи­ной 50 мкм возникали изломы, в то время как при тол­щине кристаллов 75-100 мкм повреждения не наблю­дались. Кроме того, в процессе определения чувстви­тельности к воздействию влаги (MSL) было обнаруже­но, что в микросхемах с кристаллами толщиной 50 мкм в местах крепления кристаллов иногда наблю­далось отслоение подложки.

Сравнительные параметры стандартного и сверхтонкого корпусов LLP

Для определения соответствия микросхем требо­ваниям, предъявляемым к портативным изделиям, были проведены их всесторонние испытания на на­дежность после установки на печатную плату. Сверх­тонкие микросхемы вместе с микросхемами в станда­ртных корпусах были подвергнуты термоциклирова­нию, ударным и изгибающим нагрузкам. В результате было установлено, что по надежности они не уступают стандартным.

Тестируемые сверхтонкие микросхемы должны бы­ли отвечать условию, согласно которому процесс их сборки в части используемого оборудования, выхода годных и производительности не должен был отли­чаться от процесса сборки микросхем стандартной толщины. Например, кристаллы толщиной 50 мкм мог­ли бы быть использованы для еще более тонких корпу­сов, однако выход годных был бы ниже из-за более вы­сокого процента брака при распиливании и произво­дительность при монтаже была бы более низкой.

На рис. 2 изображена микросхема в сверхтонком 10-выводном корпусе LLP. Нижняя плоскость микро­схемы с теплоотводом и покрытыми оловом вывода­ми показана на рис. 2, а. Вид сверху на корпус с ла­зерной маркировкой показан на рис. 2, б. Внутреннее устройство микросхемы (кристалл и соединительные проводники) показано на рис. 2, в.

Рис. 2. Внешний вид микросхемы: снизу (а), сверху (б), внутри (в)

В заключение можно с уверенностью сказать, что процесс уменьшения толщины микросхем на этом не завершен. По мере совершенствования технологи­ческих процессов и роста потребности в миниатюр­ных компонентах можно ожидать, что со временем в портативных изделиях появятся микросхемы в еще более тонких корпусах.