Применение CCGA, как средство увеличения надежности

вкл. .


Поиск эффективных решений для увеличения надежности и стойкости радиоэлектронных изделий - одна из первостепенных задач любого современного производства. Разумеется, особое внимание надежности, долговечности и безотказности своей продукции уделяют разработчики изделий специального назначения. Действительно, для авиации, космической и военной техники, сферах со экстремальными условиями эксплуатации, обеспечение надёжности выходят на первое место. Сфера применения диктует свои стандарты и правила.

Столбиковые выводы
Столбиковые выводы

Столбиковые выводы

Микро-пружинные спиральные контакты NASA (NASA Invented Micro Coil Spring) вид сбоку
Микро-пружинные спиральные контакты NASA

Микро-пружинные спиральные контакты NASA
(NASA Invented Micro Coil Spring)
вид сбоку

Микро-пружинные спиральные контакты NASA (NASA Invented Micro Coil Spring) вид сверху
Микро-пружинные спиральные контакты NASA вид сверху

Микро-пружинные спиральные контакты NASA
(NASA Invented Micro Coil Spring)
вид сверху

Микро-пружинные спиральные контакты NASA (NASA Invented Micro Coil Spring) Размещение на компоненте
Микро-пружинные спиральные контакты NASA Размещение на компоненте

Микро-пружинные спиральные контакты NASA
(NASA Invented Micro Coil Spring)
Размещение на компоненте

Микро-пружинные спиральные контакты NASA (NASA Invented Micro Coil Spring) Соотношение размеров
Микро-пружинные спиральные контакты NASA Соотношение размеров

Микро-пружинные спиральные контакты NASA
(NASA Invented Micro Coil Spring)
Соотношение размеров

Все мы знакомы с расхожим мнением об Электронике как о «науке о контактах». Это мнение на сто процентов становится заслуженным, когда речь заходит об условиях, когда при резких изменениях температурных условий работы изделия, сильных механических нагрузках, постоянной вибрации, электрические соединения становятся слабым местом любого прибора. Одним из методов уменьшения вероятности возникновения механических отказов — это переход от применения микросхем с шариковыми выводами типа BGA на микросхемы со столбиковыми выводами CGA.

Микро-пружинные спиральные контакты NASA (NASA Invented Micro Coil Spring)
Столбиковые выводы

Столбиковые выводы

Микросхемы в пластиковых корпусах с шариковыми выводами (PBGA) хорошо зарекомендовали себя в изделиях общепромышленного применения. Однако шариковые выводы на крупногабаритных корпусах CBGA испытывают опасные сильные нагрузки из-за большой разницы в коэффициентах теплового расширения керамического корпуса ИМС и поверхностью печатной платы. Массив шариковых выводов испытывает на себе деформации растяжения и сжатия, особенно на краях керамической подложки и непосредственно под гранями кремниевого или flip chip кристалла.

При повторяющихся циклах нагрева-охлаждения, возникающие деформационные напряжения вызывают физическое движение шариковых выводов относительно нейтральной точки, центра корпуса ИМС. Пока такие перемещения достаточно малы, размером примерно с толщину бумажного листа, растяжение может достигать 10% общего диаметра шарикового вывода. При продолжительном влиянии переходов температур от горячего к холодному состоянию и обратно, шариковые выводы будут отслаиваться от корпуса микросхемы и/или от контактных площадок на печатной плате. Что в конечном итоге приведет к выходу из строя всего изделия.

Замена шариковых выводов на столбиковые обеспечивает ослабление деформационных напряжений на ИМС. Сегодня интерес к изучению возможностей применения столбиковых выводов вместе с крупногабаритными микросхемами в корпусах BGA возрастает.

Микро-пружинные спиральные контакты NASA (NASA Invented Micro Coil Spring)
Цилиндрические столбики

Цилиндрические столбики

Применение корпусов CCGA позволяет существенно понизить разницу в коэффициентах теплового расширения между крупногабаритными керамическими корпусами интегральных микросхем и стеклоэпоксидными печатными платами до 10ppm/oC.Столбиковые выводы CCGA принимают на себя и поглощают деформационные напряжения возникающие при применении в готовых изделий в сфере ОПК, аэрокосмической и военного сегментов. Там где изделия работают в условиях в условиях большой разницы температур, высокой вибрации и возможных перегрузок.

Разработка корпусов CCGA произошла раньше, чем были предложены шариковые выводы BGA. Компания International Business Machines (IBM) разработала Column Grid Array еще в начале 1970-го года. Тогда как компания Bell Laboratories представила первый керамические компоненты с матричным расположением шариковых выводов CBGA в 1979. Спустя десять лет, фирмами Motorola и Citizen Watch были представлены корпуса из формованного пластика – изначально названные Over Molded Plastic Carrier (OMPAC).

В интегральных микросхемах CCGA используются цилиндрические столбики, обладающие высокой температурой плавления, тогда как в BGA применяются выводы в форме шара. Столбиковые выводы не изменяют своей формы в процессе пайки и закрепления на корпусе ИМС. Так же, как и не меняют свою форму и при повторном процессе оплавления при дальнейшей сборке печатной платы. Только небольшая область образует галтель из более низкотемпературного припоя например Sn63/Pb37, оплавляется для соединения столбика

Микро-пружинные спиральные контакты NASA (NASA Invented Micro Coil Spring)
Микро-пружинные спиральные контакты NASA

Микро-пружинные спиральные контакты NASA
(NASA Invented Micro Coil Spring)

В 2012, NASA разработала микро-пружинные спиральные контакты - Micro-coil Spring как альтернативу столбиковым выводам. Свинцовосодержащая паста Sn63/Pb37 или бессвинцовая паяльная паста SAC305 (Sn96.5/Ag3.0/Cu0.5) используются для того, чтобы закрепить микро-пружинные спиральные контакты на корпусе ИМС и контактных площадках печатной платы.

В жестких температурных условиях работы конечного изделия, при цикличном изменении температуры от низких отрицательных до высоких плюсовых значений, применение микро-пружинные спиральных и столбиковых выводов позволяет получать более надежные механические и электрические соединения. Применение шариковых выводов на крупных ИМС в CBGA корпусах приводит к деформации при работе изделия в широком температурном диапазоне и может привести к отслоению контакта при использовании на печатных платах из стеклопластиковых волокон. Повторяющееся нагрузки на шариковые выводы приводят к трещинам на электрических соединениях, что в конечном итоге приводит к окончательному выходу из строя всего изделия.