SamsPcbGuide, часть 12: Технологии — корпуса BGA-типа, пластик и космос II

    В комментариях к предыдущей публикации hhba поделился статьёй, которая сама по себе достойна отдельной публикации, настолько там красивые решения приводятся. В дополнение к её обзору я постараюсь поставить точкиу над «i» в вопросе применения пластиковых корпусов в космических приложениях. Этот вопрос частично затрагивался в первой части и в комментариях к ней, но сейчас он будет разобран подробней.


    Итак, сначала о керамических корпусах, которые на данный момент развития технологии корпусирования по совокупности параметров превосходят по надёжности пластиковые корпуса (о причинах позже). Как было показано в предыдущей статье, основная проблема с ними (особенно для больших корпусов) – несоответствие коэффициента теплового расширения (КТР) керамики и стеклотекстолита. Первое решение проблемы – отказ от традиционных печатных плат и переход на керамические, изготавливаемые по технологии LTCC. Второе – различные способы снижения нагрузки на выводы корпуса, возникающие при термоциклировании (таблица 1, на примере корпусов BGA-типа).


    Оказывается, помимо представленных в таблице методов, существует ещё два, которые приводятся вот в этой статье. И они хороши тем, что показывают, насколько красивыми могут быть инженерные решения. Первый способ, которому и посвящена статья, заключается в использовании микропружин (англ. microcoil spring interconnect, MCS) (рис. 1), а второй, который приводится для сравнения эффективности – в использовании шариков с полимерным ядром (англ. plastic core solder ball, PCSB) (рис. 2).




    По данным технологиям не так много информации, но из тех данных, что я смог найти, получается, что PCSB лучше обычных шариков, но хуже столбиковых выводов. А вот MCS по данным всё той же статьи превосходят по надёжности (количество циклов до первого сбоя, именно этот параметр важен для космоса) столбиковые выводы. Основные вопросы, которые сразу же возникает к технологии MCS – стойкость механическим воздействиям и паразитная индуктивность выводов. Авторы статьи эти расчёты и эксперименты провели, причём в сравнении с основным конкурентом – корпусом CCGA-типа: индуктивность ниже (4,84 нГн против 5,91 нГн), а стойкость к вибрации выше (отсутствие сбоев против 30% сбоев, рис. 3). При этом технология предполагает гибкость и возможность оптимизации конструкции микропружин для получения требуемых параметров (индуктивность, жёсткость и т.д.).


    На мой взгляд, MCS можно назвать наиболее перспективной технологией для керамических корпусов BGA-типа, требующей дополнительного исследования. Технология, безусловно, предполагает необходимость непростой отработки монтажа на печатную плату, однако это, в свою очередь, верно и для CCGA-корпусов. Что касается PCSB, то я считаю, что о данной технологии, по крайней мере, стоит знать, у неё есть свои нишевые применения. Например, у NSC есть патент на Micro SMDxt корпуса CSP-типа, в котором они пишут, что благодаря PCSB смогли получить микросхемы большего размера.

    Теперь обещанные точки над «i» о пластиковых корпусах и космосе. Прежде всего, функционирование микросхемы с сохранением пределов электрических параметров должно быть гарантировано в условиях воздействия всех внешних факторов. При этом не факторов вообще, а факторов, специфичных для конкретного блока аппаратуры в условиях конкретной миссии. Микросхемы же, которые квалифицируются для космоса, чаще всего испытываются по типовым требованиям (те же знаменитые «не менее 100 кРад» и т.п.), которые могут быть избыточными для целевой миссии. Зато та самая необходимая гарантия.

    Есть ли микросхемы в пластиковом корпусе, квалифицированные для космоса «из коробки»? Есть, но к настоящему моменту их мало. Использовались ли микросхемы в пластиковом корпусе в успешных космических программах? Да. Но использовались они не «из коробки», а после серьёзного отбора по результатам испытаний (англ. upscreening, uprating и др.). Испытания включают в себя разрушающий визуальный контроль, электротермотренировку, термоциклирование, радиационные испытания, механические, акустическую сканирующую микроскопию, при этом после каждого этапа контролируются электрические параметры во всём диапазоне температур. Те, кто имел дело с квалификационными испытаниями по отечественным ГОСТам, имеют представление, насколько это длительные и дорогостоящие процедуры. Поэтому сэкономить на «пластике» не получится: в одной из статей говорилось о выигрыше в цене лишь в ~10% (при сравнимых требованиях к надёжности). Это в случае успешных испытаний, а если ни одна микросхема не пройдёт отбор (рис. 4)?


    Помимо чисто вероятностной стойкости к радиационным эффектам, у пластиковых микросхем есть свои конструкционные проблемы, и прежде всего это:

    1. Отслоение (англ. delamination) пластика от кристалла (рис. 5), что приводит к повреждению верхнего слоя топологии и микропроволочных выводов при термоциклировании из-за их свободного относительного движения. Об этом есть прекрасные экспериментальные работы [2, 3].
    2. Гигроскопичность пластика, которая приводит к вероятности растрескивания корпуса при расширении скопившейся в микрополостях воды.

    Если влияние второго фактора можно ограничить надлежащим хранением, термовакуумной сушкой и защитным покрытием, то первый фактор является основной причиной отбраковки [1]. Эта же проблема, кстати, снижает надёжность технологии «underfill».


    Уже обращал внимание в прошлой статье, что ведущие производители микросхем для космоса, такие как Aeroflex и MSK, используют только керамические и металлостеклянные корпуса. Возможно, они консервативны и просто следуют отработанным решениям, плюс у них нет необходимости снижать стоимость, поэтому серьёзных исследований в области надёжного «пластика» и не проводят. Но несмотря на все сложности, микросхемы в пластике в космос летают, и успешно. Основные причины к их применению в серьёзных проектах:

    1. Отсутствие требуемой функциональности в надёжном исполнении. Санкции.
    2. Необходимость снижения массы космического аппарата (задача, актуальная, например, для современных малоразмерных КА).
    3. Пониженные требования к внешним воздействующим факторам и/или времени жизни аппарата.

    Ещё раз повторюсь, микросхемы вне зависимости от причины их использования должны быть испытаны, причём результаты испытаний распространяются только на данную партию. Сам процесс отбора не стандартизован – это компромисс с вероятностью отказа и оптимизацией затрат времени и денег. Некоторые примеры испытаний, в том числе в зависимости от параметров миссий NASA, приводятся в статьях западных коллег [1, 4, 5]. На этом вопрос «пластика» в океане космосе считаю открытым закрытым.

    Литература


    [1] Michael A. Sandor, “Plastic Encapsulated Microcircuits (PEMs) Reliability/Usage Guidelines For Space Applications”, 2000.
    [2] Karel van Doorselaer, Kees de Zeeuw, “Relation Between Delamination and Temperature Cycling Induced Failures in Plastic Packaged Devices”, 1990
    [3] T.M. Moore, R. McKenna, S.J. Kelsall, “Correlation Of Surface Mount Plastic Package Reliability Testing To Nondestructive Inspection By Scanning Acoustic Microscopy”, 1991
    [4] R. David Gerke, Michael A. Sandor, Andrew A. Shapiro, etc. “Use of Plastic Commercial Off-The-Shelf (COTS) Microcircuits for Space Applications”, 2003
    [4] R. David Gerke, Michael A. Sandor, Shri Agawal, etc. “Different Approaches for Ensuring PerformancelReliability of Plastic Encapsulated Microcircuits (PEMs) in Space Applications”, 1999

    Средняя зарплата в IT

    111 111 ₽/мес.
    Средняя зарплата по всем IT-специализациям на основании 6 788 анкет, за 2-ое пол. 2020 года Узнать свою зарплату
    AdBlock похитил этот баннер, но баннеры не зубы — отрастут

    Подробнее
    Реклама

    Комментарии 46

      0
      Я вот чего не могу понять — почему PCSB-выводы не заняли значимой ниши? Ведь это, по сути, уже совсем не припойный шарик, а вполне себе припаянный к РСВ медный вывод (просто со стороны корпуса он тоже припаян, а не приделан «намертво»), то есть это заметно лучшее решение, но при этом не сильно уж дорогое. Пусть для космоса нашли лучшее решение (MCS), но почему не использовать в коммерческих изделиях? Проблема ведь остро стоит, некоторые люди в интернете пишут, что якобы для любой BGA-микросхемы можно заказать исполнение со свинцовыми шариками (хотя бы из Sn63Pb37), но это же вранье какое-то, для многих микросхем вообще никакого выбора нет, только бессвинцовые выводы (еще хорошо, если флип-чип чипа на чип-кэрриер выполнен традиционным способом). Реболлинг — так себе затея, и вот если бы хотя бы, например, для automotive выпускались корпуса с PCSB-выводами, это же как было бы здорово.
        0
        Там же не медь внутри, почему медный?
          0
          Ну как же, полимерный шарик покрыт медью, вон у вас рисунок выше.
            0
            Согласен, просто я бы называл его медным, если бы было медное ядро. Всё-таки специфическая вещь, которая помимо некоторого повышения устойчивости к нагрузкам при термоциклировании, задаёт зазор минимальный. Я думаю, они не дешёвые совсем и для массовых продуктов не нужны.
              0
              Ну хз вообще-то, мы как-то для научных целей покупали металлизированные шарики из полиэтилена — копейки стоят в пересчете на шарик.

              И потом, я ж говорю не совсем про все отрасли, а, например, про automotive (которая тоже массовая и дешевая, но все-таки уровнем повыше, чем электрочайники). Ну вот реально не хочется на полной скорости оказаться без brake-by-wire из-за перепадов температуры и тряски (а их там дай Боже, не хуже, чем в космосе).
                0
                Можно так рассуждать. Рынок обеспечивает естественный отбор — используется только то, что эффективно. Я не знаю, как надёжность сборки BGA обеспечивается в автомобильной промышленности, не держал в руках платы критических узлов, к сожалению, да и информацию не изучал. Может, PCSB те же, а может, «underfill» отработали. Возможно, кто-то из читателей знает и поделится, интересно тоже стало.
                  +1
                  Насколько мне известно, ключевая вещь там — да, либо андерфил, либо крепление по углам, между тем эти меры так себе (и вы тоже на это обращали внимание в одной из статей). То есть если бы были еще и PCSB, то было бы совсем красиво, но об их применении в коммерческих изделиях лично я вообще ничего не слышал. Ну, за исключением LGA-корпусов, где вы сами можете паять, как вам угодно, это производителю не важно.
                    +1
                    Там обычно критичные платы на алюминиевом листе миллиметра в 1.5-2, плюс всё тотально залито лаком, и собственно главное — bga редко используют, в основном tssop.
                      0

                      Алюминий? Очень странно, с его-то адским КТЛР. Разве что для силовых плат это сильно оправданно (мы делали платы для УФ-осветителей на алюминии — отличный теплоотвод и несущая конструкция в одном флаконе), но не для всех подряд. Корпус с шариковыми выводами на алюминии — это же просто песня!


                      Насчёт лака верно, хотя от термоциклов это спасает мало, как и от тряски. Но насчёт tssop — люто несогласен. Огромное количество MCU/CPU для автомобилей вообще не имеет не-bga исполнения.

                        0
                        Да, вопросы поставлены интересные, жду, что Arson ответит, звучало компетентно. Фотографию бы такой критичной платы в студию :). Что касается ТКЛР, то у алюминия он ~22, на верхней границе диапазона текстолита, может и живут на нём BGA.
                          0

                          Вот именно — на верхней. И без явно выраженной анизотропии (что может быть полезно использовано). Может быть конечно речь о каких-то сплавах с резко уменьшенным КТЛР, но я таких массовых сплавов алюминия не знаю.

                          +1
                          Ну я в основном с тяжёлой техникой работаю, грузовики там, сельхозка, bga ни разу не попадалось, попробую завтра чего-нить сфоткать если разобранные блоки есть.
                            0
                            Было бы очень интересно, спасибо!
                              +3
                              Сейчас разобранных мозгов нету к сожалению, но в архиве нашёл пару фото, за качество уж извините.

                              Это блок управления коробкой автомат с грузовика, цепляется по can-шине, а рулит гидроклапанами. Коробка в процессе работы греется сильно поэтому на корпусе такое оребрение. Сама плата на алюминиевой подложке около 2мм толщиной, корпус тоже алюминий. Всё лаком покрыто.

                              Заголовок спойлера
                              Блок с наружней стороны image

                              С внутренней image

                              Плата image
                                +1
                                Во-первых спасибо за фото!
                                Во-вторых — не слишком-то плата похожа на силовую… Четыре самые большие микрухи выглядят как память и процессора, причем одинаковые (локстеп?). Странно, ей Богу…

                                А нет фото платы крупнее? А то не видно маркировку микросхем.
                                  0
                                  К сожалению крупнее нет, фото с whatsapp. Ну там не супер мощности, у гидроклапанов не очень большие токи.
                                    0
                                    Красиво! Вот тоже интересно стало, почему алюминий выбран? Там же многослойность труднее организовать ту же. Значит, должны быть весомые аргументы. Пока не понимаю.
                                      0
                                      Как следующий принесут на ремонт — отсниму подробнее.
                                        0
                                        Собственно, как и обещал.

                                        фотки
                                        Правда лак бликует.

                                        image

                                        image

                                        image

                                        Камни st10f276

                                        толщина алюминиевой подложки 1.5мм
                                          0
                                          403 forbidden
                                          Попробуйте пожалуйста перезалить на habrastorage.org
                                            +2
                                            перезалил



                                      0
                                      И… никаких электролитов кроме одинокого тантала и одного полимера (не очень видно)
                                        0
                                        Полагаете это что-то означает?
                                          0
                                          Да с ними боль всё время, особенно где тепло.
                                            0
                                            Это да. Полагаю потому их тут и нет, все-таки узел возле теплонагруженных агрегатов стоит.

                                            Однако использование алюминиевой основы для платы все так же неясно. Явно не для теплоотвода она там…
                                0
                                Блин, случайно, минус карму в комментарий сделал. Пальцем ткнул, как исправить?
                                  +1
                                  Да неважно, мелочи.
                                    0
                                    Техподдержка решила вопрос добавлением плюса, аннигилировали в ноль. А вообще, говорят, никак не убирается :).
                    0
                    Ещё в бытность NSC у них имелись корпуса smdXT с композитными шариками (стеклянными внутри). Был даже казус — «греем-греем, почти сожгли плату, а шары не плавятся!» Внимательное раскуривание документации (больше припойной пасты) решило проблему.
                      0
                      Занятно. А какие ИС у них были в таких корпусах?

                      ЧСХ такие выводы очевидно требуют пасты, в отличие от обычных шариков, и то, что на монтаже это упустили — это конечно косяк технологов.
                        0
                        Micro SMDxt Wafer Level Chip Scale Package
                        Несколько типов, вроде и сейчас сохранилось:
                        LP55281RLEV Quad RGB Driver
                        LP3974 High Performance Power Management IC (PMIC) for Application Processors
                        LM49370 Boomer Audio Power Amp & Sub-Sys
                          0
                          … deposition of solder bumps on i/o pads...

                          А где там указание про стеклянное ядро?
                            0
                            Хм-м-м… нету. Но помню, что при разборе перечёл всё это и было указано, что именно стеклянный шар, плакированный каким-то металлом (никель?) и покрытый тонким слоем припоя(?)…
                              0
                              Верю, но без пруфлинка сомнения остаются :).
                                0
                                Пожалуй — спишем на контаминацию.
                                Вот в патенте пишут:
                                … A plurality of solder balls is included, each of which has a polymeric core surrounded by a metallic shell that in turn is surrounded by a layer of solder material. Further, each solder ball is positioned in contact with a corresponding contact pad of the package. An intertwined intermetallic fusion layer is formed through the fusion between material components of the contact pads and the solder material, via heat treatment. The intermetallic fusion extends between and from an outer surface of the metallic shell of each solder to an outer surface of a corresponding contact pad to form a high strength intermetallic solder joint therebetween.
                                  0
                                  Спасибо за ссылку! Пишут красиво, и это коррелирует с тем, о чём писал в статье. Но почему это не пошло в массу? Скорее всего, с большими CSP трудно принципиально работать, уж слишком мал КТР кремния, а PCSB были единственным простым (относительно MCS, например) решением.

                                  Typical micro SMD packages contain bump counts ranging from a four (4) (2×2 array outline) bump count to a thirty (30) bump count (5×6 array outline). At these smaller bump counts, the active side of the array are mounted to a Printed Circuit Board (PCB) in a manner similar to a typical Ball Grid Array (BGA) mount, via conventional solder joints. These packages, given their dense array of I/O contacts, are limited to about thirty (30) bumps due to the solder joint fatigue life. In general, the outer I/O contacts of a package, when mounted to a circuit board, are subjected to greater loading stress than those contacts that are central to the package due to greater DNP (Distance from Neutral Point). Such joint stress, for instance, may be experienced during thermo-cycling and/or during a drop testing. Due in part to the geometry and position of these outermost contact posts relative to those contacts centrally located, any central loads are magnified significantly at the perimeter of the package. Accordingly, contact failure at such outermost contact interfaces is more prevalent.

                                  More recently, Micro SMDxt packages have been developed that have significantly larger bump counts than the array of contacts for a standard SMD package (typically up to a 5×6 array, or 30 bump count). These Micro SMDxt packages 25, as shown in FIG. 1, generally range from thirty-six (36) bumps (a 6×6 array outline) to 100 bumps (a 10×10 outline).

                                  To enable solder mounting of these larger array Micro SMDxt packages, each solder joint incorporates a solder ball consisting of a polymeric core with a copper shell followed by an outer solder layer. Applying a single industry standard reflow process, a significantly higher strength joint can be created due to the flexibility of the polymeric core. Hence, a significantly longer fatigue life can be achieved than a conventional solder joint. Typical of such polymeric core solder balls are those commercially available by Sekisui Corporation of Japan.

                                  However, proliferation of this package family beyond 100 bumps (10×10 array outline) is limited by the solder joint fatigue life. While the polymeric core allows a longer fatigue life than convention solder joints, it still reaches its limit in terms of fatigue life and life under drop/impact conditions.


                            0
                            Спасибо!
                            В общем это WLCS-экзотика, с таким не приходилось работать.
                      0
                      екоторые примеры испытаний, в том числе в зависимости от параметров миссий NASA, приводятся в статьях западных коллег [1, 4, 5]. На этом вопрос «пластика» в океане космосе считаю открытым закрытым.

                      Стоит ли так категорично? Статьям, которые Вы привели, уже по 20лет.
                      Возможно, что с тех пор что то изменилось, но этих сведений нет в открытых источниках?
                        0
                        Ну, статья про MCS например от 2011 года. Можно конечно сказать, что в НАСА сидят некрофилы, но в целом информация актуальная.

                        И хотя процитированный вами вывод содержит долю категоричности, но вообще автор же выше сам написал, что, дескать, можно и пластик, но при вот таких вот условиях и с такими вот ограничениями, а если не хотите конопатить себе мозги или боитесь за АМС-миссию в дальнем космосе, то будьте любезны CGA+MCS+LTCC. Разумеется упомянутые в комментариях к предыдущей статье решения других космических агентств говорят о наличии интереса к пластику, но там тоже, знаете, не истина в последней инстанции. Ну и давайте уже будем объективны — керамика не стоит практически ничего в сравнении с остальными затратами при разработке и производстве космических приборов, изделия из керамики стоят чуть дороже, чем ничто, платы из керамики также недороги, так что за чем собственно дело?
                          0
                          Последнее предложение, конечно же, содержит некоторый процент иронии и экологических проблем :). Конечно, ситуация меняется — я в прошлой статье приводил ссылку, у Microchip появились предложения. Но это вот прямо текущий год, то есть за эти самые 20 лет ситуация изменилась не сильно (не думаю, что кто-то что-то скрывает), но она может начать ускоренно меняться, когда возникнет рынок и конкуренция (ЭКБ для МКА).
                          0
                          Кстати, а кто-то знает текущий статус отношения «космонавтов» к PGA-корпусам? Они, насколько я помню, дошли до шага 50 мил, что вполне сравнимо с BGA-корпусами, и при этом не страдают от обсуждаемых проблем, вследствие чего выпускалось и выпускается определенное количество СБИС в таких корпусах (те же Aeroflex и Элвис их использовали, к примеру). Но судя по разработке альтернатив (вроде MCS) что-то видимо складывается не в пользу этих проверенных временем решений. Но что? Ну, помимо очевидной сложности их установки на плату.
                            0
                            Их разводить сложнее, мне кажется, особенно контроль импеданса может быть затруднён. Это гипотетически, сам не разводил. Опять же интересно узнать мнение тех, у кого был опыт.
                              0
                              А что там принципиально иначе с контролем импеданса?
                                0
                                Ну, там все слои дырявые, а в BGA можно делать глухие, встроенные отверстия — больше гибкости.
                                  0
                                  Это вообще единственное существенное отличие при сравнимом шаге, которое неплохо так облегчает трассировку, но в части согласования линий кажется принципиально мало что меняет (но безусловно такие ситуации есть, для них blind via в первую очередь и используются). И на мой скромный взгляд это пока нечасто используется.

                                  Самое существенное ограничение PGA-корпусов с мелким шагом, которое я могу придумать — ну очень большая чувствительность к повреждениям перед установкой.
                            0
                            И всё это потому, что в тех областях, где требования специфичны, также должны быть специфичны и решения. И решения такие есть. Другое дело, что «хочется бесплатно и не делиться с инженерами, вообще ни с кем не делиться».
                            Насчет выводов м/сх, могу изобрести хороший вариант. Кто оформлять будет? У меня всегда было туго с оформлением, а уж защитить от воровства, вообще не смог никогда. Поэтому и не оформляю патентов/заявок.

                            Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                            Самое читаемое