Ila Pal, Ironwood Electronics
הקדמה
המארזים האלקטרוניים המשמשים כיום פועלים במהירויות גבוהות של אות שעון (בטווח של ג’יגה- הרץ רבים), עם צפיפויות פינים גבוהות (עם מרווחי פינים קטנים
מ-0.4 מ”מ) ועם כמויות פינים גדולות (יותר מ-1,000). כאשר מרכיבים את המארזים האלו במעגלים המודפסים (PCB), הם מבצעים פונקציות מסוימות במהירות מסוימת. חיבור בתושבת הוא אחת הדרכים שבהן אפשר לבדוק את הפונקציונליות של מארזי המעגלים המשולבים, מבלי שייגרם להם נזק. לחיבור של מארזי מעגלים משולבים אלו, בעלי הצפיפות הגבוהה, הפועלים במהירות גבוהה לתושבת, יש צורך בפתרון חדשני שיעמוד באתגרים הכוללים נתיבי אותות קצרים יותר (התנגדות נמוכה יותר), בידוד חשמלי טוב (שמונע איבוד אותות) וניהול חום מתאים. התכנון של התושבת מוכתב לא רק על ידי הפונקציות שנזכרו כאן, אלא גם על ידי פרמטרים אחרים כגון עמידות, צריכת הספק, שיטות הרכבה ותנאי הסביבה שבהם המערכת אמורה לפעול. התושבת GHz במטריצת כדוריות כסף (SM) (איור 1) מספקת פתרון מהיר, צפוף ועמיד.
פונקצית התושבת
תושבת אפשר להגדיר כהתקן אלקטרו- מכני, אשר מספק ממשק ניתן להסרה, בין מארז של מעגל משולב לבין המעגל המודפס של המערכת, שיש לו השפעה מזערית על שלמות האותות. ממשק ניתן להסירה, מהווה את הסיבה העיקרית לשימוש בתושבת, והוא נדרש בגלל מגוון של סיבות, בהן נכללות קלות הרכבה, אפשרות החלפה, שדרוג וחיסכון בעלויות. היתרון בעלויות נעוץ ביכולת לחלץ את המעגל המשולב, כתוצאה מהעובדה שאינו מחובר באופן קבוע למעגל המודפס. התושבת מחוברת למעגל המודפס באופן קבוע למחצה (ללא הלחמה), ואת התקן המעגל המשולב אפשר להכניס לתוך התושבת, ולהסיר אותו ממנה, בלי לפגוע בחיבורים המובילים אל המעגל המודפס. התושבת עוזרת לבצע בדיקות, להעריך ולבחון את המערכת השלמה. כמו כן, התושבת מאפשרת ביצוע תחזוקה, בדיקות, החלפה או שדרוגים בשטח. גורם זה הופך להיות חיוני ביותר כתוצאה מההתפתחויות הטכנולוגיות.
התושבת GHz במטריצת כדוריות כסף (SM)
חברת Ironwood Electronics פיתחה מוצר המשכי לתושבת GHz הסטנדרטית, אשר יכולה לשמש לבדיקות של מארזים בעלי מרווח פינים של 0.3 מ”מ. התושבת SM GHz מספקת טווח של פתרונות תושבת עם מהירויות גבוהות וצפיפות גבוהה, החל בתושבות קומפקטיות ביותר ליישומי ייצור ועד ליישומי בדיקות ויישומי אב טיפוס בעלי עמידות גבוהה. צילום חתך רוחב אשר חושף את המגעים של תושבת SM מוצג באיור 2. התושבות מתוכננות בצורה כזו, שכוח המחולק באופן שווה על החלק העליון של המעגל המשולב דוחף את כדוריות ההלחמה לתוך עמודות כדוריות הכסף בציר Z שיש להן מהירות גבוהה מאוד. מגע SM הוא מגע ייחודי שיש בו כדוריות כסף מדויקות המוחזקות יחד על ידי חומר מוליך קנייני. עמודות מוליכות אלו (קוטרן מותאם באופטימיזציה לעכבה – אימפדנס – של 50 אוהם) צפות בתוך מצע אלסטומר גמיש לא מוליך עם ליבה קשיחה הרשומה כפטנט להשגת עמידות מורחבת וביצועים אמינים לאורך זמן, בטווח טמפרטורות ובמחזורי פעולה. המצע הגמיש נוח ביותר ובעל יכולת טובה מאוד לחזור לצורתו המקורית ומאפשר לעמודות המוליכות לחזור לצורתן המקורית לאחר שהוסר הכוח. האלסטומר הוא החומר היחיד שנמצא בין מארז המעגל המשולב והמעגל המודפס. בורג המשמש כגוף קירור וגוף התושבת מספקים פיזור חום עבור המעגל המשולב שבתושבת. מסילות מדויקות עבור גוף המעגל המשולב ועבור כדוריות ההלחמה ממקמות את ההתקן למען מגע מושלם.
אפיון מכני
הדרישות העומדות בפני ממשק שניתן להסרה מנוסחות, בדרך כלל, במונחים של כוח החדרה וכוח שליפה ובמספר מחזורי ההחדרה והשליפה שבהם יכולה התושבת לתמוך ללא פגיעה. כוחות ההחדרה והשליפה הופכים להיות חשובים יותר ככל שהמספר של כמות הפינים בהתקן עולה, וכן ככל שנעשה שימוש ישיר בסיליקון (הפרוסה) שהוא עדין ביותר, בניגוד לשימוש במארזים סגורים. הבדיקה הראשונה בוחנת את הקשר שבין נטיית המגע, הכוח והתנגדות המגע. תחנת הבדיקה העתקה – כוח (DF) שימשה לצורך מדידה של הטיית המגע והכוח הקשור אליה. הכוח גדל באופן ליניארי ככל שההעתקה גדלה. באופן דומה, ההתנגדות של המגע קטנה ככל שהכוח גדל. יש לזהות התנגדות יציבה של המגעים בהתבסס על הכוח המזערי שנדרש. יש לזהות את ההעתקה הרצויה בהתבסס על דרישות התאימות של כל התקן ויישום. מידע זה חשוב ביותר עבור מהנדסי הבדיקות על מנת שיוכלו לקבוע אמות מידה לכשל בעת ביצוע בדיקות של התקן באמצעות טכנולוגית המגעים הזו.
הבדיקה השנייה בוחנת את הקשר שבין ערכי התנגדות המגע על פני מספר מחזורים לאורך חיי המגע. לבדיקה זו שימש התקן אחיזה רובוטי (handler) אמיתי. מערך המגעים שהיה מורכב מ-44 מוליכים ועוד 16 מוליכי הארקה (תצורת QFN) הותקן על מעגל הבדיקה אשר חובר להתקן בדיקה. התקן הדמיה עם קצרים בציפוי זהב הותקן על ראש מעגל החיבור. מערך הבדיקות כוון כך, שהראש נע כלפי מטה 0.3 מ”מ – הוא המהלך שנבחר עבור מגע SM. הנתונים הראשוניים של התנגדות המגע נמדדות באמצעות מבדק וציוד ATE (ציוד בדיקה אוטומטי) הופעל. הפעלתו הביאה לתנועה לפנים ולאחור של ראש מעגל החיבור, אשר יצרה את מחזורי הבדיקה של מגעי SM. מונה ספרתי נוסף למערך הבדיקה על מנת למדוד את כמות המחזורים. מערך הבדיקות כלל מהירות מחזורים של כ-2,500 הפעלות בשעה, זמן השתהות של 0.7 שנייה בערך ומדידה של טמפרטורת הסביבה. כלי הבדיקה תוכנן עבור התקן הדמיה מקוצר במארז QFN של 0.5 מ”מ בגודל 7 מ”מ 7 מ”מ בעל 44 מוליכים. לא בוצע ניקוי של יחידת DUT (היחידה שבבדיקה) בעלת ציפוי זהב או להתקן ההדמיה. נתוני התנגדות המגעים שנאספו במרווחי מחזורים שונים מוצגים באיור 3.
כפי שאפשר לראות בגרף, התנגדות המגע הממוצעת היא פחות מ-25 מילי-אוהם על פני 1,000,000 מחזורים. סטיית התקן הוסיפה גם מובן לפיזור הנתונים. בהתבסס על הגרף אפשר להסיק שהמגע פועל במשך 1,000,000 מחזורים עם התנגדות מגע ממוצעת של 25 מילי-אוהם. הניסוי בוצע כמה פעמים עם מנות מאצוות שונות שיוצרו בזמנים שונים. הנתונים היו עקביים במנות שונות למעט הממוצע שהוזז כלפי מטה ב-5 מילי-אוהם. באופן דומה, המגע נבדק בטמפרטורות שונות והטווח הקביל נקבע ל- עד +150 מעלות צלזיוס.
אפיון חשמלי
הדרישות החשמליות מנוסחות בדרך כלל במונחים של רוחב פס ויכולת העברת זרם. יכולת העברת זרם נקבעת על ידי הזרקת זרם דחיפה במדרגות של 10 מילי-אמפר עד לערך מרבי של 5 אמפר. לצורך בדיקת הטמפרטורה כתלות בהתנגדות, נקבע זמן שהייה של 3 דקות לכל נקודת נתונים על מנת לאפשר לטמפרטורות להתייצב. את התוצאות אפשר לראות בהמשך, באיור 4. מתוך הגרף אפשר לראות שעבור זרם רציף של 4 אמפר עליית הטמפרטורה הייתה בשיעור של 14 מעלות צלזיוס. לנתון זה יש חשיבות עליונה עבור מהנדסי בדיקות, אשר כך יכולים לדעת בוודאות שלא מתרחשת תופעת חימום ג’אולית (joule heating effect) הנובעת מהמבנה הבסיסי של המגעים.
הבדיקה האחרונה שבה נמדד רוחב הפס קובעת אם טכנולוגיה זו של מגעים מתאימה עבור יישומי בדיקות מסוימים. רוחב פס מוגדר באופן אופייני במונחים של הפסדי מעבר והפסדי החזרה (insertion loss ו-return loss). נתח רשתות וקטורי שימש בניסוי זה. אות נשלח מנקודת חיבור 1 (החלק העליון של המגע) אל נקודת חיבור 2 (החלק התחתון של המגע). ההחזרות של האות נמדדו ודווחו כעקומות S21 המוצגות באיור 5.
הפסדי מעבר של -1dB ב-40 ג’יגה-הרץ מתוארים כמעבר אות של 90 אחוזים דרך התווך המחבר וכאובדן של 10 אחוזים של האות בלבד, כתוצאה מהמעבר דרך החיבור בתדירות של 40 ג’גה-הרץ. נתון זה הוא בעל חשיבות עליונה למהנדסי הבדיקות מאחר שהתפקוד של מעגל משולב נבדק בתדירות מסוימת.
מסקנות
נושא בעל חשיבות עיקרית עבור כל אחד שמשתמש במארזים ברמת פרוסה (WLP) בצפיפות גבוהה, הוא שהתושבת חייבת לספק ביצועים גבוהים, ערכים נמוכים וקבועים של התנגדות תוך עמידה בדרישות פעולת ההחדרה, ובמיוחד ביחס לכוח ההחדרה ולמספר מחזורי ההחדרה שעליה לעמוד בהם ללא פגיעה. תושבות SM GHz פותרות את הנושאים האלו ומספקות פתרון ללא תחרות לצרכים של יישומים הפועלים במהירות גבוהה עם צפיפות גבוהה ועם מספר פינים גדול. תוצאות הבדיקות מציגות את המאפיינים החשמליים והמכניים של ממשק המגעים. התכנון הפשוט של התושבת הופך אותה לכדאית מבחינת העלות והיא מאפשרת הרכבה בתוך המעגל הסופי באמצעות ציוד קיים. תכונה ייחודית של תושבת זו הרכיבים שאפשר להפריד אותם ולהחליף אותם או למחזר אותם בקלות.
אודות המחבר
Ila Pal הוא סגן נשיא בחברת Ironwood Electronics. הוא בעל תואר MSME מאוניברסיטת איווה וכן בעל תואר MBA מאוניברסיטת סנט תומס. לרשותו רשומים שישה פטנטים, הוא פרסם מאמרים רבים ומסמכים רבים.
הכתבה נמסרה ע”י מגוון טכנולוגיות והנדסה, נציגה בלעדית של Ironwoodelectronics בישראל.
