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.
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:
- 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].
- Гигроскопичность пластика, которая приводит к вероятности растрескиванию 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 проблемы, 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:
- Отсутствие требуемой функциональности в надёжном исполнении. Санкции.
- Необходимость снижения массы космического аппарата (задача, актуальная, например, для современных малоразмерных КА).
- 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
