Ila Pal, Ironwood Electronics, Burnsville, MN
לקראת התפתחותם של הטלפונים הניידים למכשירי הטלפון החכמים של היום עם מעבד יישומים בעל ריבוי ליבות וזיכרון, הניעה את התעשייה לאמץ פתרונות של מארזים תלת–ממדיים. אפשר לקבל מארזים תלת–ממדיים על ידי (1) הצבת שבבים במערום (stack) במארז יחיד,
(2) הצבת מארז בתוך מערום מארזים, או (3) הצבת מארז על מערום של מארזים. לכל אחת מהשיטות יש יתרונות וחסרונות. השיטה של הצבת מארז על מערום מארזים, שהתפתחה למגוון של תצורות, מאפשרת להציב במערום אחד מארזים המגיעים מספקים שונים ומיוצרים בטכנולוגיות מעורבות של מעגלים משולבים. שיטה זו גם מאפשרת ביצוע הרצה (burn–in) ועריכת בדיקות לפני ההצבה במערום.
במארז מערום אופייני, המארז התחתון הוא המעבד והמארז העליון הוא הזיכרון. בעקבות היישומים הנוספים הנובעים מדרישות הצרכנים של היום, מהנדסי המעגלים המשולבים מוסיפים, מזה זמן רב, תכונות נוספות למעבדי הדור השני, וביצועי הזיכרון גדלים בזכות התקשורת המהירה יותר שיש להם עם המעבד.
כאשר ניצבה מול מהנדסי הבדיקות רמה כה גבוהה של מורכבות, נוצר אצלם הצורך בתושבת שבאמצעותה אפשר יהיה לבדוק את המעבד והזיכרון מהדור הראשון. הצעות רבות של מוצרים הופיעו עבור תושבת עם מערום בשכבה אחת. על מנת לעבור מהתקנים של הדור הראשון להתקנים מהדור השני, מהנדס בדיקות זקוק לתושבת מערום של 2, 3, או 4 שכבות. במהלך שלב הפיתוח, מהנדס הבדיקות צריך להשתמש ב-probe של המעבד, שמוצב בין המעבד לבין מעגל הפיתוח הראשי, כדי להתחבר אל הנתח הלוגי (logic analyzer) ולבצע את בדיקת הפונקציות של יכולות האותות (signal capability function). לאחר מכן, מהנדס הבדיקות משתמש ב-probe עבור זיכרון, שמוצב בין הזיכרון לבין המעבד, על מנת לבצע תיקוף של ביצועי הזיכרון החדש יותר.
השימוש בחיבורים פנימיים אופייניים בארבע שכבות מאפשר פיתוח של רצף מעגלים משולבים בתלת–ממד. תכנון תושבת מתאימה לגרסאות אלו עומד בפני אתגרים רבים. קיימים שני אתגרים עיקריים שיש לתת להם מענה: כוח ויישור (alignment).
איור 1. חיבורים פנימיים אופייניים בארבע שכבות המאפשרים פיתוח של מקבץ (sequence) מעגלים משולבים בתלת-ממד.
איור 2. תושבת BGA המתוכננת עבור זיכרון SDRAM מסוג DDR2-S4 לנייד-ביית במארז FBGA של 168 מגעים בגודל 12 מ”מ 12 מ”מ עם מרווחי מגעים של 0.5 מ”מ.
אתגרי הכוח
האתגר הקשה ביותר הוא איזון הכוחות. במקרה פשוט, יש למעבד 515 חיבורי כדוריות הלחמה ולזיכרון במארז PoP (מארז על מארז) יש 168 חיבורי כדוריות הלחמה. לזיכרון, עם 168 הכדוריות שלו, נדרש כוח של 5 פאונד (כ-2.25 ק”ג) כלחיצה אופטימלית, אשר יוצרת התנגדות מגע של פחות מ-20 מילי-אוהם לכל כדורית. למעבד, עם 515 הכדוריות, נדרש כוח של 15 פאונד (כ-6.75 ק”ג) כלחיצה אופטימלית, אשר תיצור התנגדות מגע של פחות מ-20 מילי-אוהם לכל כדורית. על מנת ליצור איזון בין הכוחות בכל אחת מהשכבות, נדרש כוח של 10 פאונד נוספים (כ-4.5 ק”ג) בשכבת הזיכרון. כוח זה יאזן את הכוח בשכבה של המעבד. כאשר יפעילו כוח של 15 פאונד (כ-6.75 ק”ג) על הזיכרון, שיש לו 168 חיבורי כדוריות בלבד, הלחיצה על האלסטומר שמתחת לזיכרון תהיה גדולה מדי. בנוסף, קיימת סכנה שיחידת הזיכרון תתעוות כתוצאה מכוח רב זה. לקבלת איזון נגדי, משתמשים ביריעת גומי שהעובי שלה יכול למלא את המרווח שבין תחתית יחידת הזיכרון לבין החלק העליון של משטח החיבור (interface), האלסטומר. משטח גומי זה יכול לספוג את הכוח העודף בן 10 פאונד (כ–4.5 ק”ג), ולגרום לכך שהכוח המופעל על חלק האלסטומר, המוצב כמשטח חיבור עם יחידת הזיכרון, יהיה בגודל הכוח המומלץ בלבד. אם יהיו שינויים בכוחות, יהיה צורך לבצע איזון כוחות דומה בכל שכבה של חיבורים פנימיים.
איור 3. שינויים אופייניים בכיווני XY בחיבור פנימי יחיד במערום. אלסטומר הוא “החיבור הפנימי” שמשמש במערום זה.
קונפיגורציות של תושבת הגשוש
למדידות הממשיות ניתן מענה על ידי סדרה שיצאה לאחרונה לשוק של תושבות BGA בעלות ביצועים גבוהים, המיועדות לביצוע בדיקות במהירויות גבוהות באמצעות גשוש, לצורך ניפוי שגיאות בשבב הזיכרון ובמעבד, במהלך שלב התכנון. הלקוח יכול להשתמש בתושבת מערום זו לביצוע בדיקות גשוש של התקן זיכרון בגודל 1 ג’יגה–ביית, באמצעות ה-probe הגמיש של Agilent, אשר מחובר בתוך תושבת המערום. הגשוש של Agilent נמצא במגע עם המעגל המודפס באמצעות מגע אלסטומר בעובי של 0.5 מ”מ ובעל צפיפות גבוהה. שבב הזיכרון ממוקם מעל ה-probe, והוא נמצא במגע עמו באמצעות מגעי אלסטומר למהירות גבוהה. ה-probe של Agilent מעביר את האותות החוצה, אל משקף התנודות (אוסצילוסקופ) או אל הנתח הלוגי, לצורך בדיקות במהירות גבוהה. אם הקונפיגורציה הזמינה לא תתאים, הצעד הראשון לרכישה של תושבת בדיקה בהתאמה אישית, יהיה לשלוח את מפרט ההתקן לחברת Ironwood Electronics. החברה תקצה מהנדס יישומים שייתן מענה לבקשה האמורה ויעבוד עם מהנדס התכנון מטעם הלקוח, כדי להפיק שרטוט של תושבת הבדיקה בהתאמה אישית, אשר יציג את המידע בנוגע לעקבת המעגל (footprint) ולגבי ההצבה במערום. הצעה תישלח ללקוח לאחר שיוסכם על שרטוט תושבת הגשוש בהתאמה אישית.
החברה מספקת אפשרויות מגוונות, כגון כאלו שבתחומים של בחינת הפריט הראשון, לוחות זמנים לאספקה ודירוגי המחיר לפי כמויות. בתחילת הפרויקט, צוותי הנדסת יישומים והנדסת תכנון יעבדו על הפרויקט החדש ויעדכנו את הלקוח ביחס ללוחות הזמנים ולאבני הדרך.
אתגרי היישור
באופן דומה לאיזון הכוחות, האתגרים ברמת היישור מקבלים מענה בכל שכבה של חיבורים פנימיים. ניקח לדוגמה מקרה פשוט שבו מהנדס הבדיקות צריך לבדוק רק את המעבד. מדובר בחיבורים פנימיים פשוטים בשכבה אחת. החלק העליון של האלסטומר מתחבר אל הכדוריות של ההתקן ומעביר מטה את האות החשמלי, אל מעגל הבדיקה. האלסטומר מורכב מחוטי פליז מצופים זהב, אשר משובצים בגומי סיליקון. על מנת לקבל את הנתיב החשמלי עם ההתנגדות הנמוכה ביותר, יש צורך בכך שיותר מחמישים אחוזים של השטח – בממדי הרפידה או הכדורית – ייצרו מגע עם הצד העליון ועם הצד התחתון. להבטחת היישור המתאים, כל הרכיבים ממוקמים במדויק עם פין יישור אחד.
בתרחיש של המצב הגרוע ביותר, המיקום של חור היישור במעגל המודפס סוטה ב-0.025 מ”מ; המיקום של חור היישור של הפין המוביל של הכדוריות סוטה ב-0.025 מ”מ; והמיקום או הגודל של הרפידה במעגל המודפס סוטה ב-0.05מ”מ; התוצאה היא סטייה כוללת של 0.1 מ”מ מיישור המיקום הנומינלי. עם קוטר רפידה מינימלי של 0.24 מ”מ עבור מארז BGA בעל מרווח חיבורים (pitch) של 0.4 מ”מ, האלסטומר יוצר מגע בשטח גדול יותר מ-58 אחוזים של הרפידה עם סטייה של 0.1 מ”מ מהמיקום הנומינלי. המשמעות של מצב כזה, היא שיש לייצר את חור היישור של הפין ואת חור היישור של הכדוריות עם טולראנס (אפיצות) הדוק ביותר של 0.025 מ”מ. שינויי XY אלו מתקיימים בכל שכבה של המערום. בכל השכבות יש להבטיח שטח כיסוי מגע, גדול יותר מחמישים אחוזים, לקבלת החיבור החשמלי הטוב ביותר. יש לבצע חישובים דומים עבור שינויים בציר Z ולעדכן את הטולראנסים של הייצור, כך שיותר מחמישים אחוזים של הרפידה במעגל יהיו מכוסים על ידי האלסטומר. לחלופין, אם משתמשים בפינים קפיציים במקום באלסטומר עם חוטים משובצים עבור אפשרות החיבורים הפנימיים, האתגר הכרוך ביישור גדל פי שניים. ראשית עלינו להוסיף את הטולראנס של קוטר הפין הקפיצי. לאחר מכן, עלינו להוסיף את הטולראנס של החור שממקם את הפין הקפיצי. על מנת להבטיח שיהיה חיבור חשמלי מתאים, הטולראנסים בייצור יהיו חייבים להיות בשליטה הדוקה ביותר עבור שני גורמים אלו, והתוצאה עלולה לגרום להופעתן של בעיות בתנובת התוצרת (yield) ולעלויות גבוהות. לכן בחירה של אמצעים מתאימים לחיבורים הפנימיים ממלאת תפקיד חשוב ביותר בעלויות הפיתוח.
אודות המחבר
מר אילה פאל הוא סגן נשיא לענייני שיווק בחברת Ironwood Electronics, ארה”ב. הוא נושא תואר MS בהנדסה מכנית מאוניברסיטת המדינה של איווה שבאיימס, איווה, ארה”ב. הוא נושא תואר MBA מאוניברסיטת סנט תומס שבמיניאפוליס, ארה”ב. על שמו רשומים שישה פטנטים הקשורים לעיצוב של תושבות BGA בעלות ביצועים גבוהים. מר פאל פרסם מאמרים רבים הקשורים לטכנולוגיה של חיבורים פנימיים ופרסם מאמרים בכתבי עת בעלי שם. מר פאל עסק במשך יותר מ-15 שנים בפיתוח של טכנולוגיות חדשות בתחום המארזים והחיבורים הפנימיים.
הכתבה נמסרה באדיבות
חברת מגוון טכנולוגיות והנדסה
