Технология 3D-MID для создания межсоединений и производства датчиков

№ 3’2014
PDF версия
Важнейшая роль в реализации развитых функциональных возможностей устройства при одновременной минимизации занимаемого им объема принадлежит таким технологиям, как 3D-сборка, корпус на корпусе (PoP) и система в корпусе (SiP). Однако технологии PoP и SiP охватывают сборку исключительно на уровне кристалла. Чтобы создать полнофункциональный готовый датчик, необходимо сам кристалл смонтировать на подложке, которая, в свою очередь, электрически и механически соединяется с окружающими элементами конструкции. Технология 3D-MID (Molded Interconnect Devices, литые монтажные/коммутационные основания) предлагает решение, объединяющее 3D-сборку и создание трехмерных межсоединений.

Введение

Став ведущей технологией в области производства 3D-антенн для мобильных телефонов, 3D-MID завоевывает устойчивые позиции и в других областях применения, таких как сборка MEMS-устройств, датчиков, светодиодных модулей, переключателей и разъемов. Есть весомые основания полагать, что широкие возможности этой технологии — миниатюризация, рационализация и функциональная интеграция — сделают ее качественно новым направлением, меняющим отраслевые правила игры. С помощью технологии 3D-MID можно добиться миниатюризации конструкций благодаря интеграции механических и электронных функций в одном изделии, что делает конструкцию гораздо более компактной и позволяет достичь высоких значений функциональной плотности.

Изделия 3D-MID можно производить несколькими способами, однако наибольшее распространение получили методы двухкомпонентного литья (2S) и прямого лазерного структурирования (LDS). C помощью этих процессов ежегодно выпускаются сотни миллионов антенн для мобильных телефонов.

Несмотря на то, что для производства монтажных оснований по технологии 3D-MID требуется всего несколько технологических операций (две для метода 2S и три — для LDS), чтобы готовое изделие получилось надежным, необходимо хорошо знать каждую такую операцию и, помимо этого, понимать механизмы взаимодействия отдельных операций в рамках техпроцесса.

Кроме производства антенн, в конструкцию которых входят только 3D-основания без монтажа электронных компонентов, технология 3D-MID, благодаря своей способности объединять механические и электрические функции изделия в рамках одного модуля, раскрывает свой потенциал в электронных сборках, таких как MEMS-устройства (светодиодные модули и датчики).

 

Операции техпроцесса 3D-MID и требования к ним

Работающие в качестве монтажных оснований пластиковые детали можно изготавливать в рамках процесса LDS с помощью однокомпонентного литья под давлением пластикового материала, легированного металлическим комплексом. Выбор материалов осуществляется в соответствии с требованиями к изделию — например, по температуре, технологичности по отношению к поверхностному монтажу и пр.

Детали, полученные методом двухкомпонентного литья, состоят из двух компонентов-пластиков, один из которых легирован палладием и может подвергаться металлизации, другой же не активен и металлизации не подлежит (рис. 1).

Пластиковые детали, легированные металлическим комплексом

Рис. 1. Пластиковые детали, легированные металлическим комплексом (однокомпонентное литьевое прессование для процесса LDS) (источник: Multiple Dimensions)

Требования к качеству поверхности литых деталей высоки, особенно это касается линий расслоения, глянцевых участков, следов течения, прожилок, царапин, разделительных составов, заусенцев, трещин и пузырей. Структура пластиковых деталей должна быть однородной (рис. 2). Важнейшими предпосылками для выполнения этих требований являются глубокое знание процессов изготовления литьевой оснастки и обеспечение полной управляемости процесса литья, в частности, процессов перемешивания и профиля давления.

Пример однородной структуры, необходимой для изготовления монтажных оснований изделий 3D-MID

Рис. 2. Пример однородной структуры, необходимой для изготовления монтажных оснований изделий 3D-MID (источник: Multiple Dimensions)

Следующая операция после литья под давлением — лазерное структурирование поверхности пластиковых деталей для последующего создания топологии проводящего рисунка (рис. 3). Лазерный луч, во-первых, активирует добавку — металлический комплекс в составе пластикового материала, а во-вторых, обеспечивает адгезию пластиковой поверхности структурированных областей к осаждаемому слою металла. Шероховатость структурированных областей способствует надежному сцеплению с металлическим слоем, который формируется в рамках последующей операции металлизации.

Структурированная лазером пластиковая деталь

Рис. 3. Структурированная лазером пластиковая деталь (источник: Multiple Dimensions)

Для процесса LDS пригоден широкий диапазон материалов с различными тепловыми характеристиками. Так как материалы по-разному реагируют на термическое воздействие во время процесса лазерного структурирования, параметры лазера необходимо настраивать в соответствии с тепловыми характеристиками применяемого материала. Качество получаемой с помощью лазера структуры зависит и от геометрии обрабатываемой поверхности, поэтому параметры лазера, в частности, скорость обработки, частоту и мощность, необходимо подбирать, учитывая не только тепловые характеристики материала, но и геометрию детали.

Принимая во внимание вышеизложенное, можно резюмировать, что исключительно важно хорошо понимать взаимное влияние конструкции создаваемого изделия и техпроцессов литья и лазерной обработки.

Перед металлизацией необходимо удалить с поверхности незакрепленные частицы пластика, оставшиеся после процесса лазерной абляции, в противном случае они могут привести к избыточной металлизации поверхности.

Если на готовой поверхности нужно осуществить разварку проволочных выводов или смонтировать компонент по технологии flip-chip, необходима дополнительная обработка структурированной лазером области. Это может быть ультразвуковая или термомеханическая штамповка (рис. 4) или CO2-очистка. Такую обработку следует провести для сглаживания грубой поверхности областей/площадок, предназначенных для присоединения выводов кристалла.

Обработка поверхности штамповкой

Рис. 4. Обработка поверхности штамповкой (источник: HSG-IMAT)

Следующая после лазерного структурирования операция техпроцесса — металлизация (рис. 5). На активированных лазером областях осаждается слой химической меди, с последующим наращиванием слоя никеля над слоем меди и слоя золота — над слоем никеля. Также возможна металлизация и другими тонкими слоями.

Металлизированное монтажное основание

Рис. 5. Металлизированное монтажное основание (источник: Multiple Dimensions)

Толщина стандартного слоя металлизации для 3D-MID составляет для слоя Cu от 5 до 8 мкм, для слоя Ni-P от 5 до 8 мкм и для слоя Au от 0,05 до 0,15 мкм, возможны и другие значения толщины (рис. 6, 7). Для LDS-процесса шаг элементов рисунка может составлять вплоть до 300 мкм (ширина проводника 150 мкм и расстояние между проводниками также 150 мкм) [1], для процесса 2S возможный шаг равен 600 мкм (соответственно 300 и 300 мкм).

Шаг элементов рисунка, реализуемых с помощью процесса LDS

Рис. 6. Шаг элементов рисунка, реализуемых с помощью процесса LDS

Процесс металлизации — наиболее чувствительный из всех в цепочке производства изделий 3D-MID. Необходимо отслеживать и управлять более чем 80 параметрами, причем большинством из них — в непрерывном режиме. Параметры ванны нужно подбирать в соответствии с типом материала и геометрией детали. Большое влияние на качество металлизации оказывают предшествующие операции техпроцесса — литье, лазерное структурирование, а также конструкция детали.

Шаг элементов рисунка, реализуемых с помощью процесса 2S

Рис. 7. Шаг элементов рисунка, реализуемых с помощью процесса 2S

Чтобы успешно выполнить этот этап техпроцесса, необходимо современное оборудование и наличие хорошо обученного и квалифицированного персонала.

Сборка электронных модулей на 3D-MID подобна сборке обычных модулей на печатных платах: можно применять соединения пайкой, проводящими клеями, разварку проволочных выводов и технологию flip-chip. Возможны также сочетания технологий — установка модуля 3D-MID на печатную плату и наоборот — сборка на печатной плате на устройство 3D-MID (рис. 8).

Электронная сборка на монтажном основании, выполненном по технологии 3D-MID

Рис. 8. Электронная сборка на монтажном основании, выполненном по технологии 3D-MID (источник: Multiple Dimensions)

Самой большой проблемой по сравнению с традиционной сборкой на печатных платах является необходимость трехмерной установки и фиксации электронных компонентов на изделиях 3D-MID. Рынок уже предлагает специализированные автоматы установки компонентов, ориентированные на технологию 3D-MID, и этот сегмент рынка демонстрирует быстрый рост.

Еще одна проблема, которую следует принимать во внимание, — высокая температура процесса пайки. Металлический слой и пластиковое монтажное основание обладают различными коэффициентами теплового расширения. Тем не менее, это не является проблемой при условии оптимального согласования между собой всех составляющих техпроцесса: от конструкции самого изделия, литья и лазерного структурирования до металлизации и собранного готового изделия. Изделия 3D-MID для автомобильной техники соответствуют жесточайшим стандартам автомобилестроения по надежности и выдерживают самые суровые климатические испытания (более 1000 температурных циклов от –40 до +150 °С).

 

Основные факторы, способствующие развитию технологии 3D-MID

Среди таких факторов можно выделить следующие:

  • Миниатюризация — возможность решить проблемы с размещением аппаратуры в ограниченном пространстве, например, в изделиях автомобильной, медицинской и телекоммуникационной отрасли.
  • Рационализация и упрощение изделия — сокращение количества технологических операций, деталей и затрат времени на сборку.
  • Функциональность — функциональная интеграция, гибкость проектных решений и высокая точность, обеспечиваемые технологией 3D-MID, благодаря чему у изделия появляется дополнительный функционал.

 

Преимущества и возможные области применения технологии 3D-MID

На рис. 9 представлен области применения технологии 3D-MID.

Области применения технологии 3D-MID

Рис. 9. Области применения технологии 3D-MID (источник: Multiple Dimensions)

Возможности технологии 3D-MID, касающиеся оптимального использования трехмерного пространства, обеспечения высокой функциональной плотности как механических, так и электронных составляющих изделия, а также сокращение количества деталей и операций техпроцесса, могут обеспечить реальную миниатюризацию МЕМS-изделий.

Сборка светодиодных модулей выдвигает жесткие требования к точности установки компонентов. В условиях традиционных решений на печатных платах обеспечить это весьма сложно, так как размерная цепь в этом случае имеет большую длину. Кроме того, огромным препятствием на пути распространения коммерческих решений с использованием светодиодов является недостаток технически реализуемых и недорогих решений в области механической и электрической коммутации светодиодов с окружающими их конструктивными элементами. Технология 3D-MID предоставляет для этой задачи хорошее решение — с одной стороны, за счет высокой точности изготовления литых деталей и устранения длинной размерной цепи со многими составляющими, а с другой — за счет способности объединять в рамках одной детали функции механического основания и электрической коммутации.

На рис. 10 продемонстрированы развитые возможности технологии 3D-MID по функциональной интеграции. В одном модуле реализовано 16 различных функциональных составляющих: разъем, батарея, электромагнитный экран, сборка с разнообразными электронными компонентами, маркировка, WLAN-антенна, 2D штрих-код, несколько светодиодов, механический и емкостной переключатели, предупреждающий символ, центровочное отверстие, реперные знаки, компонент BGA, контактный переключатель и переходные отверстия.

Возможности технологии 3D-MID по функциональной интеграции

Рис. 10. Возможности технологии 3D-MID по функциональной интеграции (источник: Multiple Dimensions)

 

Заключение

Технология 3D-MID уже прошла первые этапы своего развития. Чтобы обеспечить надежность готового изделия, требуется глубокое знание каждой операции техпроцесса и, помимо этого, понимание механизмов взаимодействия отдельных операций в рамках техпроцесса. Эти практические знания были приобретены за последние 5–10 лет, при этом надежность изделий 3D-MID доказывают миллионы деталей, произведенных по этой технологии и используемых в настоящее время в серийных устройствах.

Благодаря своим возможностям по миниатюризации и упрощению создаваемых изделий, технология 3D-MID может стать хорошим выбором для МЕМS-устройств. В частности, при сборке светодиодных модулей, где допуски на расположение компонентов и необходимость механической и электрической коммутации с окружающими конструктивными элементами создают большие проблемы для конструкторов и технологов, на основе технологии 3D-MID можно создать различные решения, что содействует дальнейшему распространению светодиодных изделий.

Автор выражает свою признательность активным сторонникам технологии 3D-MID — команде специалистов Multiple Dimensions 3D-MID Technology — за их большой вклад в развитие этой технологии.

Литература
  1. John W. Guidelines for the LDS-MID Designer (Leitfaden fur den Entwickler). Rev. 3. 2007. No.3.
  2. Kessler U. Final Report: Investigation to optimize the contacting of LDS through planarization (Untersuchung zur Vermesserung der Kontaktierung von LDS durch Planarisierung). 2009. No.8.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *