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功率技術/新能源  

用於GHz晶片級封裝的高密度插座

上網時間: 2001年09月15日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:Ironwood Electronics  socket  插座  conductive elastomer  導電橡膠 

選擇一種插座進行測試、老化、開發或者生產並不像想象的那麼簡單,它不僅取決於系統的功能,還要取決於系統的執行參數,如性能、功耗、熱管理方式以及系統執行環境等。本文向大家介紹一種可滿足高速、高密度零組件電氣性能和體積要求的低成本GHz晶片級封裝(CSP)插座。

在電子互連設計中,系統執行速度是一個非常重要的考慮因素。隨著時脈愈高(GHz以上)、細引腳密度(間距小於0.8mm)以及高引腳數(大於500)在如今積體電路中越來越普遍,更是要求這類元件的封裝必須具備良好的互連性及電氣和熱特性。

插座的優點

IC使用插座主要是出於節約成本和技術的考慮。成本上的好處是IC不必永久性固定在印刷電路板(PWB)上,而是將插座永久(焊接)或半永久(採用非焊接方式)固定在PWB上,IC從插座中插入或拔出都不會影響線路板的連接。

技術上的原因是PWB和其上黏著的IC封裝之間可能存在熱性能不匹配。一般的球柵陣列元件(BGA)採用陶瓷材料進行封裝,然後組裝在標準的線路板材料(FR4)上,由於熱膨脹系數(CTE)不同,封裝和線路板之間的焊點內部將產生很大應力,隨著時間推移,會逐漸導致失效。此外,插座還能降低貴重IC的存貨,幫助對整個系統進行測試、評估和檢查,同時插座也有利於在使用現場對系統進行維護、測試、更換或升級。

一般插座都採用衝壓引腳,具有多種觸點形式,如“Y”型、“夾”型、“叉”型等,但這些方式只可用在低密度封裝中,不能照搬用於非常精密的微間距高密度晶片級封裝。

彈簧探針觸點曾經成功地用於細間距封裝插座,但是它成本太高目前無人問津,並且這種觸點會在焊球上形成一個永久性印記,當元件最後通過回流焊焊接到板子上時將造成污染和不良焊點。此外,各種衝壓引腳觸點結構還使得信號路徑更長,在高速情況下降低執行的效率。

導電人造橡膠技術

一種低成本CSP插座方案是利用導電人造橡膠來實現高密度和高速度。Ironwood Electronics一直在從事這種導電人造橡膠技術的研究,取得了一種可製作高速、高密度CSP插座的GHz級CSP插座材料,其應用範圍可以從非常小巧的生產型插座一直到耐用的測試和老化等場合。

圖1是插座設計的示意圖,它可以使壓力均勻地施加在IC頂部,將焊球推入一個非常高速的Z軸人造橡膠連接介質內,圖2是CSP在橡膠上加壓前後的情況。散熱螺孔和插座本身起到了為插座內IC散熱的作用,精密的IC和焊球導軌可以使元件定位以實現準確的連接。

用在插座中的Z軸人造導電橡膠屬於低阻抗(小於0.01Ω)連接材料,它是一種細間距鍍金導線陣列,以63°角嵌入絕緣的軟矽橡膠層中。在500V直流電壓下導線之間的阻抗為1,000MΩ,這對需要薄型高密度各向異性連線的大電流應用(50mA/線)極為理想。鍍金的銅絲從矽片頂部和底部會伸出幾微米,導電橡膠的工作溫度範圍為-35℃∼150℃。圖3為導電橡膠的電子顯微鏡掃描(SEM)圖。

功能測試

我們用三種不同厚度的導電橡膠樣品(0.5mm、1mm、2mm)進行了一些功能測試。

◆電氣特性 第一個測試檢查導電橡膠連續阻抗與壓縮量的關係。結果見圖4a,圖中可見連續阻抗都低於25mΩ,且壓縮越大其值越低。

第二個測試用於確定導電橡膠的電流承載能力,結果見圖4b。從圖中可見電流在10A和5A時溫度在第一分鐘呈指數上升,然後保持不變。

下一步進行老化測試,將插座與一個20Ω的電阻串聯,再與一個5V直流電源並聯,然後一天二十四小時不間斷地施以250mA電流,記錄下連續阻抗的變化。結果發現,在整個二十四小時老化期內連續阻抗始終保持不變。

◆機械特性 第四個測試主要側重於插座的應力分析。導電橡膠必須受到均勻的壓力才能得到可靠的連接。我們對厚度為0.5mm、1.0mm和2.0mm的導電橡膠樣品進行了測試,試驗發現壓力與壓縮量成正比,同時還能很清楚地得出厚度為2.0mm的樣品所需要的壓力最小,這種特性會影響焊球在1,000個以上的封裝。如果封裝的共面性差異太大,則需要更厚的導電橡膠。

下面測試導電橡膠的耐久性。以壓縮一秒再放鬆一秒的速度施以275g/mm2的壓力,結果經過100,000次壓縮後連續阻抗仍然保持不變。機械測試結果顯示,人造橡膠是要求具有100,000次壓縮壽命的最佳介質,如果還需要進行更多次壓縮,對其更換也是很容易的。

插座結構

採用高速導電橡膠的插座有表面貼裝和非焊裝兩種結構。

◆表面貼裝型 表面貼裝插座無需製程孔就能裝到印刷線路板上,插座直接焊在電路板的焊盤上,僅比CSP封裝周邊多出2.54mm的空隙。可使用標準的表面封裝件組裝方法,利用低溫共晶焊球將插座焊接到線路板上,然後將IC放入插座的底座,用帶螺釘的封蓋壓緊。

◆非焊裝結構 如同表面貼裝結構一樣,非焊裝插座也只占極小的板面空間,它需要在線路板上增加製程孔並用機械方式將插座和底板固定到板上,這樣就無需再用助焊劑處理和回流焊,是一種半永久性固定製程。Z軸導電介質是IC焊球和電路板焊盤之間的唯一介質,這種非焊裝直接連接插座允許的執行速度最高可到6GHz。使用夾鉗可以快速地取下和更換CSP,與直接用CSP具有一樣的尺寸、設計效率和電氣性能。這種堅固的直接連接設計可提供極高的執行速度且適用於自動作業設備。

本文結論

對於高密度CSP用戶來說,主要考慮的是要控制成本、优化現有的產能以及盡量縮短產品面市時間,使用人造導電橡膠技術的GHz CSP插座能夠解決很多高速、高密度應用問題。

從測試結果中可得出互連介質的電氣和機械特性,另外插座的設計比較簡單,符合成本效益且可利用現有技術裝配線路板,應用插座還使得更換和重新利用零組件變得更為簡便。

[High-Density Interconnect]

作者:Ila Pal


研發工程師


Ironwood Electronics Inc


Email: mannan@ironwoodelectronics.com




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