Co mělo být na AMPERU 2020. IMAPS a rostoucí význam pouzdření v elektronice

Řadu životních situací, které mohou neplánovaně nastat, nelze předvídat. Proto se stala realitou také skutečnost, že letošní největší tuzemský veletrh elektrotechniky a elektroniky AMPER 2020 se nemohl uskutečnit, a to z nám všem dobře známých důvodů, i když program byl připraven. Jeho součástí měly být také semináře organizované již tradičně časopisem DPS od A do Z. Na semináři „Elektronické součástky a aplikace“ byla připravena úvodní přednáška s názvem „IMAPS a rostoucí význam pouzdření v elektronice“ zaměřená jak na pouzdření moderních součástek a systémů, tak na šíření nových poznatků a aplikací v této oblasti.

Vývoj a význam pouzdření

Elektronické součástky se neustále zdokonalují a na polovodičových čipech je umístěno stále více prvků, což přináší také nové nároky na provedení pouzdra. To tak nemá již jen ochrannou funkci, ale musí zajistit i řadu dalších požadavků, z nichž ty nejdůležitější jsou:

• elektrické připojení součástek (čipů) a provedení vývodů a propojů,
• zajištění napájení a odvodu tepla (chlazení),
• ochrana proti mechanickým vlivům,
• ochrana proti chemickým a klimatickým vlivům,
• splnění požadavků na spolehlivost a cenu,
• jednoduchá manipulace při montáži.

Pouzdření se tak stává jedním z oborů, který rozhoduje jak o technické úrovni, tak i o komerčním úspěchu vyvíjeného obvodu či systému. Je prakticky spojeno s oblastí propojování, což úzce souvisí s provedením nosných substrátů, ať už organických (DPS), nebo anorganických (keramika). V moderní mikroelektronice má pouzdření systémový charakter a jeho řešení je multidisciplinární záležitostí, jak je patrné z obr. 1.

Obr. 1 Oblasti související s pouzdřením v elektronice

I když všechny oblasti týkající se volby optimálního pouzdření znázorněné na obr. 1 mají své opodstatnění, je patrné, že pro vlastní technické provedení je základem elektrický, tepelný a také mechanický návrh. Zjednodušeně řečeno, je třeba zajistit spolehlivé vedení signálu (bez rušení a přeslechů), napájení a odvod tepla (bez degradačních procesů) a také především pro mobilní zařízení mechanickou odolnost (proti pádům a vibracím).

Jedním z nových aspektů při elektrickém návrhu je skutečnost, že s rostoucími pracovními kmitočty signálu se začínají chovat vývody a propoje jako obvody s rozloženými parametry, neboť jejich rozměry jsou řádově srovnatelné s vlnovou délkou signálu. Potom je třeba uvažovat parazitní vlastnosti spojů a vedení, což demonstruje náhradní obvod znázorněný na obr. 2. V takovém případě je například parazitní kapacita a indukčnost vývodu pouzdra SOIC 1 pF resp. 4 nH oproti hodnotám 0,1 pF resp. 0,01 nH u vývodu pouzdra BGA. To vše přináší nové požadavky na návrhové a simulační nástroje.

Obr. 2 Náhradní obvod s rozloženými parametry u pouzdra SOIC

Při řešení tepelných poměrů je možné, podobně jako v případě elektrického obvodu, rovněž sestavit náhradní tepelný obvod, jak je demonstrováno pro pouzdro BGA na obr. 3. Teplo generované PN přechody se šíří polovodičovým čipem do pouzdra a z něj do okolního prostředí. Tepelný tok se rozdělí na část procházející z materiálu pouzdra přes vývody a dále do nosného substrátu, z něhož pak přechází do okolního vzduchu. Druhá část tepla prochází z pouzdra do okolí přímo nebo přes chladič. Přitom se uplatňuje především princip přirozeného nebo nuceného proudění a vyzařování. Odvod tepla je s ohledem na rostoucí počet prvků a součástek a s tím se zvyšující výkonovou spotřebou při návrhu pouzdření nezanedbatelným krokem. I zde je racionálním krokem při návrhu použití simulačních nástrojů, čímž se předejde dodatečným a mnohdy nákladným úpravám na hotových produktech.

Obr. 3 Odvod tepla ze součástky BGA a odpovídající náhradní tepelný obvod

Z uvedených skutečností vyplývá, že pouzdření moderních elektronických obvodů a systémů úzce souvisí s provedením finálního produktu a v nemalé míře ovlivňuje jeho vlastnosti a tím i komerční úspěch. Je to komplexní, poměrně složitá problematika, která zahrnuje řešení celé řady technických a technologických záležitostí. A zde se nabízí otázka, jak nejlépe toto vše vzhledem k neustále probíhajícímu vývoji zvládnout v reálných podmínkách tak, aby bylo dosaženo optimálního řešení. Posláním mezinárodní společnosti pro mikroelektroniku IMAPS je být právě v tomto ohledu nápomocná dostupnými prostředky. V první řadě je to koordinované pořádání odborných konferencí, seminářů, workshopů apod., a to jak na mezinárodní, tak na národní úrovni. S tím je spojeno vytváření důvěrného prostředí a pracovních vztahů mezi firmami a institucemi, včetně technických univerzit. Právě na univerzitách se nachází určitá kapacita pro řešení dílčích problémů vznikajících při vývoji, inovaci či výrobě nových produktů. V tuzemském prostředí to může být přínosem především pro malé a střední firmy, které nemají kapacitu na řešení či testování dílčích, mnohdy drobných problémů.

Co lze získat na konferencích IMAPS

Poslední evropská konference IMAPS se konala v září roku 2019 v italské Pise pod hlavičkou EMPC (European Microelectronics Packaging Conference). Konference se zúčastnilo přes 300 odborníků z 24 zemí a kolem 40 vystavovatelů. Třídenní program byl provázen šesti keynote prezentacemi před ních světových odborníků z průmyslu a dále rozčleněn do deseti tematicky zaměřených sekcí s následujícím zaměřením:

• Pokročilé metody pouzdření pro elektronické a optoelektronické aplikace
• Embedded elektronika a pokročilé textilní aplikace
• Zelená elektronika
• Moderní propojovací technologie
• Moderní výrobní technologie
• Nanotechnologie
• Substráty a MEMS
• Modelování a simulace v elektronice
• Výkonový a teplotní management
• Spolehlivost a kvalita

Z uvedeného přehledu technických sekcí, z nichž každá obsahovala kolem pěti recenzovaných prezentací, je patrné jednak zaměření vytyčené společností IMAPS „vše od čipu až po systém“, ale současně také komplexnost aktuální elektroniky vyžadující řešení široké škály technických detailů s nejrůznějším aplikačním zaměřením.

Pro představu je na obr. 4 znázorněn ve zjednodušené podobě časový vývoj v pouzdření od druhé poloviny minulého století, kdy se objevily první integrované obvody v pouzdrech DIP (Dual In-line Package). Jak je patrné, vývoj lze charakterizovat v průběhu tří generací pouzdření, se dvěma zásadními proměnami pouzder. Nejprve to byl nástup technologie povrchové montáže (SMT) v 80. letech minulého století a potom přechod na pouzdření v třírozměrném uspořádání (3D), charakteristický pro počáteční roky 21. století. Tento proces nadále pokračuje a v současnosti lze dále ještě vypozorovat zaměření vývoje pouzder do dvou zásadních směrů. Ten první se soustředí na hledání nových řešení s cílem zvyšovat nadále integraci součástek, jako je pouzdření na waferech čipů WLP (Wafer Level Packaging), miniaturizace a inovace stávajících pouzder (BGA, QFN, CSP, MCM …), včetně jejich uspořádání do 3D struktur, a také aplikace vnořených (embedded) struktur využívajících vícevrstvé DPS. To vše se pak kombinuje a spojuje do funkčních celků, pro které je charakteristická třírozměrná, heterogenní struktura (SOP – System on Package, SIP – System in Package atd.). Druhý směr současného vývoje je zaměřen na aplikační pouzdření, jež se soustřeďuje na potřeby konkrétního oboru, jako jsou aplikace výkonové, mikrovlnné, optoelektronické, lékařské a celá řada dalších oblastí, včetně vojenských a kosmických.

Obr. 4 Vývoj pouzdření v elektronice

Lze si představit, že pro získání spolehlivého a ekonomicky příznivého řešení každého produktu je nutné vyřešit a ověřit řadu dílčích problémů a předejít v co největší míře výskytu možných poruch a nedostatků, které mohou nastat v průběhu výroby i užívání v provozu. A právě zde je třeba si uvědomit nezastupitelnou roli vzdělávacích institucí a na ně navazujících organizací šířících nejnovější poznatky a zkušenosti prostřednictvím konferencí, workshopů, seminářů a v neposlední řadě odborných periodik. Vzhledem k současné situaci, kdy globalizace a s ní spojený nekontrolovatelný pohyb lidí v určitých směrech negativně ovlivňuje náš každodenní život, se otevírá otázka další organizace vzdělávacích akcí. Současné hardwarové i softwarové možnosti bezesporu dávají prostor k organizování vzdělávacích akcí bezkontaktním způsobem. To platí nejen pro konference a workshopy, kde některé akce tímto způsobem již proběhly, ale i pro univerzity. Je jen třeba soustředit vědecký potenciál správným směrem, což bezesporu souvisí také s legislativními kroky.

Závěr

AMPER 2020 není zdaleka jedinou akcí, která musela být zrušena vzhledem k aktuálnímu vývoji ve světě, jenž postihl prakticky celou vzdělávací oblast od základních škol přes střední školy, univerzity až po sympozia, konference a také veletr hy. A to je velká výzva pro výrobce elektroniky a softwarové experty a současně i pro tvůrce legislativy, jak posunout oblast vzdělávání do virtuální reality. Jestliže bude v tomto desetiletí doznívat doba globalizace podporovaná rozvojem informačních technologií, pak je třeba se mnohem více soustředit na směřování k jejich využívání ku prospěchu lidstva. Dle světových prognóz lze v dalším vývoji předpokládat nástup aktivit směřujících k nezbytné ochraně životního prostředí a k rozvoji biomedicínských technologií. Toto je však třeba chápat v daleko širším kontextu, než je tomu doposud, neboť nejde jen o dílčí kroky ústící často v osobní popularitu, ale o komplexní a koordinovaný přístup zahrnující prakticky všechny oblasti našeho života. To vyžaduje bezprostřední osobní zodpovědnost a disciplínu každého jedince, ale také potlačení osobních ambicí. Jak se to podaří, ukáže čas, ale to nic nemění na skutečnosti, že jedním z výchozích pilířů zůstává všudypřítomná elektronika a informatika. Elektronické obvody a systémy musí být stále sofistikovanější a softwarové prostředky musí směřovat ke skutečným potřebám světové populace.