Tehnologia circuitelor pe suport de aluminiu    –    partea a II-a

6 APRILIE 2017

Acest articol (prima parte a fost publicată în ediția din luna martie) descrie modalităţi de fabricare a ansamblurilor electronice având aluminiul ca bază şi eludând utilizarea aliajului de lipire. Dacă în numărul trecut a fost descrisă o structură relativ simplă, potențialul pe termen lung al acestor noi structuri de circuit din aluminiu este impresionant și limitat mai mult în imaginația mea decât în tehnologie. Un astfel de exemplu este ilustrat în figura 3.

Avantajele asamblărilor de circuite din aluminiu
Dincolo de structurile descrise mai sus, există o serie de avantaje izbitoare la proiectarea și fabricarea de ansambluri electronice care nu utilizează lipirea pentru a face interconexiuni, în special cele realizate din aluminiu. Totuși, avantajele produselor fabricate folosind tehnici SAFE circumscrie, de asemenea, gama completă de beneficii considerate în mod normal de dorit pentru orice produs electric sau electronic. Iată câteva dintre acestea:

Cetti_EA0317_Fig-4

Figura 3: Substraturile de aluminiu fără lipituri cu aliaj pot fi stivuite și interconectate și chiar “zidite” împreună cu ajutorul conectorilor de tip mezanin pentru a crea cărămizi de aluminiu, care pot rezolva simultan o serie de probleme legate atât de performanţă, prin crearea celei mai scurte căi de rutare, cât și de provocările termice care adeseori însoţesc marile performanţe. De asemenea, de reținut că există posibilități de interconectare opti­că deoarece porturile optice sunt de obicei prevă­zute pe margi­nile și/sau în partea inferioară a dispozitivelor optice oferind canale optice stabile.

A. Beneficii economice
Într-o economie globală extrem de competitivă în materie de preț, costul de producție este întotdeauna o preocupare de mare anvergură. Analizând mai întâi materialul, cititorul este rugat să rețină încă o dată faptul că materialul principal de interes în această discuție a fost aluminiul. Acesta este al treilea material ce se găsește din abundență pe planeta noastră (oxigenul și siliciul sunt primul și, respectiv, al doilea). După cum a fost menționat mai devreme, acesta constituie 8,3% din scoarța terestră. Din cauza statutului său de marfă, aluminiul este vândut în greutate, indiferent de grosime și este mai puțin costisitor pe unitatea de volum decât materialele compozite. Cu toate că aluminiul este, desigur, mai dens decât laminatul FR-4 (2,8g/cm3 pentru aluminiu, față de 1,8g/cm3 pentru FR-4), cantitatea de aluminiu necesară poate fi foarte competitivă pe termen lung în termeni de cost. Dimpotrivă, prețul polimerilor variază datorită volatilității prețului petrolului, astfel încât există avantaje în cazul când am fi capabili de a utiliza un material cum ar fi aluminiul, prețul căruia este în mod rezonabil previzibil datorită abundenței sale globale.
În continuare, numărul de etape de fabricație este redus în mod semnificativ, diminuând costurile de fabricație. Ceea ce ar trebui să fie extrem de evident este faptul că întregul proces de lipire cu multele sale etape și cerințe este omis. Fără șabloane pentru depunerea de pastă de lipire, fără controlul pastei, fără retopire, fără curățare post-asamblare etc. De asemenea, nu este nevoie de preocupare pentru sensibilitatea la umiditate a componentelor. Astfel, etapele de coacere risipitoare de energie și de timp, la care se apelează în mod obișnuit în prelucrarea convențională, sunt evitate. În funcție de complexitatea proiectului, așa cum a fost estimat în mod independent de un număr de experți în fabricație, costul final al acestor ansambluri ar putea fi cu 25-35% mai mici decât metodele tradiționale (exclusiv costul componentelor). Actualele economii vor depinde de specificul proiectării, iar economiile pot fi mai mici, cu toate acestea, orice economie pe piețele globale extrem de competitive de astăzi este bine venită și foarte apreciată în special în cazul în care produsul final nu este supus unui control intens asupra respectării mediului în căutarea meta­lelor și a materialelor care sunt proscrise de reglementările UE.
Alt beneficiu economic este acela al componentelor utilizate care nu necesită finisări speciale pentru a favoriza contactarea cu aliaj, nici nu necesită tratamente speciale pentru protejarea împotriva umidității deoarece nu sunt implicate temperaturile înalte cerute de aliajele fără plumb. Elimi­narea finisării poate și trebuie să reducă în timp, până la un anumit punct, costurile componentelor; totuși, este posibil ca furnizorii de componente electronice, pe termen scurt, să premieze utilizatorul pentru a nu adăuga bile din aliaj de lipire sau finisări nichel-aur în procesele sale. În cele din urmă, fiabilitatea are, de asemenea, un impact economic, deoarece plățile de garanție pentru produsele defectate pot tăia rapid din profituri simul­tan cu scăderea reputației fabricantului.

B. Beneficii electrice/electronice
Astfel de construcții precum cele ce au fost descrise oferă mai multe beneficii electrice/electronice. De exemplu, acolo unde conexiunile sunt făcute la terminații pe padurile componentelor, punctul de interconectare poate fi făcut fără a necesita un pad larg, ceea ce poate reduce capacitatea parazită. Astfel, se eliberează de asemenea spațiul de rutare, care permite o potențială reducere a numărului total de straturi și în continuare reduce costurile (Figura 4). Dacă este utilizată o planificare adecvată în alegerea componentelor cu o grilă cu un pas comun (de exemplu: 0,5mm), abordarea proiectării structurii ca sistem integrat de alimentare cu ochiuri (IMPS) poate fi folosită, reducând astfel numărul de straturi și îmbunătățind în același timp integritatea semnalului. Cu o pregătire corespunzătoare, miezul de aluminiu poate servi ca layer de putere sau de masă așa cum s-a menționat mai devreme. Acest lucru face posibil ca să se asigure atât stratul de pute­re și/sau de ground imediat în apropierea fiecărei componente. În final, ansamblul realizat poate fi relativ ușor prevăzut cu metalizare, după ce asamblarea este completă, făcând întregul asamblu cu manta de metal și astfel imun la EMI- și ESD, precum și aproape ermetic, exclusiv acele zone lăsate deschise pentru conexiuni I/O externe.

C. Beneficiile termice ale substratului de aluminiu
Atunci când aluminiul este utilizat ca suport, acesta devine implicit un distribuitor de căldură, care este o parte integrantă a ansamblului. Acest lucru permite proiectantului să abordeze preocupările termice mai devreme. Având în vedere relația inversă dintre fiabilitatea pe termen lung și numărul, extremele de temperatură și duratele expunerilor termice pe care o componentă le întâmpină, a avea o soluție integrată a managementului termic constituie o caracteristică cu valoare adăugată intrinsecă.

D. Îmbunătățiri ale comportării mecanice
Deoarece componentele sunt încapsulate în ansamblul de aluminiu și, astfel, fiind parte dintr-un ansamblu integrat, ele sunt în mod fundamental imune la efectele șocurilor și vibrațiilor. CTE (coeficientul de dilatare termică) ale aluminiului și cuprului sunt relativ apropiate (22ppm/°C fața de 18ppm/°C), ceea ce reduce stresul potențial asupra interconexiunilor; în plus, materialele se extind predictibil în toate direcțiile, în timp ce laminatele armate au CTE care pot varia pe direcțiile X, Y și Z, uneori destul de sensibil (de exemplu, X ~ 20ppm/°C, Y ~ 23ppm/°C și Z ~ 80ppm/°C) .
Microviasurile care sunt folosite pentru a face conexiuni la componente și la orice straturi suplimentare suprapuse s-au dovedit a fi superioare lipiturilor, deși a existat recent un raport asupra microviasurilor care și ele pot să fie afectate de procesul de lipire fără plumb. Mai mult decât atât, există posibilitatea, în unele cazuri, de a utiliza un material de bază relativ subțire din aluminiu, ceea ce ar putea permite dezvoltatorului să ocolească procesul de gravare finală și să formeze definitiv ansamblul final în forma dorită, deschizând noi posibilități proiectantului pentru produse mai inteligente.

E. Securitatea proiectării
Metodele propuse oferă un beneficiu de securitate a proiectării, care nu poate fi imediat evident pentru mulți dezvoltatori de produse. Metodele folosite ascund componentele utilizate în fabricație, ceea ce face ca dezasamblarea și ingineria inversă a unui produs să fie mult mai descurajatoare și mai dificilă pentru cei care ar dori să înțeleagă ce diferențiază produsul din mână de produsele competitive anterioare. Acest beneficiu se extinde la toate tipurile de produse, de la bunuri de larg consum la militare. Mai mult decât atât, pentru indivizi lipsiți de scrupule ansamblul face mult mai dificilă extragea și reutilizarea componentelor, injectarea lor în lanțul de aprovizionare ca dispozitive contrafăcute [4].

Cetti_EA0317_Fig-3

Figura 4: Pentru un pas dat între terminale, metodele de asamblare fără lipire pot reduce semnificativ atât numărul de straturi, prin elibera­rea spațiului de rutare, cât și înălțimea asamblării, știind că lipiturile, de multe ori, fac cât jumătate din înălțimea totală a unei capsule asamblate.

F. Îmbunătățirea fiabilității
Îmbunătățirea fiabilitații este în mare măsură un produs secundar al diferitelor elemente ale bene­ficiilor performanțelor electrice, termice și mecanice discutate anterior, combinate cu beneficiile care pot fi obținute prin simpla eliminare a unui proces de lipire fără plumb de temperatură ridicată. În acest sens, merită a fi repetat ceea ce a fost menționat mai devreme și anume faptul că procesul de lipire este de obicei cea mai importantă cauză a defectelor de asamblare și că lipiturile cu aliaj sunt cele mai comune locuri pentru defectarea sistemelor de interconectare electronice [5, 6].
Mai mult decât atât, într-un ansamblu fără aliaj, îngrijorarea față de mustățile de staniu (whiskers), un subiect care a recăpătat importanță în ultimii ani, este ușurată. În fine, CAF [7] (filament anodic conductiv), care constă în creșterea fibrelor conductoare între găuri de trecere adiacente prin materiale ranforsate și mustățile de staniu [8] sunt evitate prin capacitatea de a utiliza materiale nearmate omogene și respectiv prin eliminarea lipiturii.

G. Conformitatea cu Reglementările
Obligativitatea legislativă a UE RoHS pentru a elimi­na plumbul din lipituri în electronică s-a dovedit a fi foarte costisitoare [9]; dar, această stringență este îndeplinită în mod automat în cazul în care se elimină complet lipirea. Structura finită descrisă este în esență un sistem de interconectare total din cupru. Pe produsul finit, numai părțile de suprafață necesare pentru a face conexiunea electrică la celelalte elemente ale sistemului, cum ar fi întrerupătoare, conectori și altele asemenea, trebuie să aibă o fini­sare de contact. Punctul cheie este că, din moment ce nici cuprul și nici aluminiul nu sunt considerate o problemă, preocupările atât pentru RoHS, cât și pentru REACH, ar trebui să fie înlăturate, cu condiția ca celelalte materiale selectate și utilizate în asamblare să fie conforme. În plus, procesul de declarare a materialelor este mult simplificat. Aceleași beneficii sunt adevărate și în raport cu utilizarea de materiale din zonele de conflict (U.S. Conflict Minerals Law –n.t.), care constituie o tot mai mare îngrijorare în rândul unui număr tot mai mare de organizații guvernamentale și non-guvernamentale (ONG-uri), deoarece structurile realizate așa cum s-a descris sunt complet lipsite de orice materiale interzise sau sancționate. Pe scurt, ansamblurile descrise permit unui produs să treacă mult mai ușor un control al conformității cu reglementările.

H. Respectarea mediului
Pe parcursul ultimelor decenii, îngrijorarea în legătură cu mediul s-a mutat constant în conștiința oficialităților guvernamentale, liderilor din afaceri și a publicului consumator din întreaga lume. Termenul de responsabilitate socială este, de asemenea, adesea folosit pentru a descrie această preocupare; în orice caz, faptul că industria face produse care au impact asupra mediului la cel mai scăzut nivel posibil a devenit tot mai important. Cu acest lucru în minte, luați în considerare o structură electronică construită în principal dintr-un material care este de dorit a fi și ușor de reciclat, cum ar fi aluminiul, precum și cantitatea semnificativă de ener­gie, care este utilizată în fabricarea tradițională pentru pregătirea componentelor și a asamblării și în însuși procesul de lipire – și care poate fi salvată atunci când nu este utilizat aliajul de lipire. După cum s-a sugerat mai devreme, economii suplimentare de energie pot fi obținute și înlăturând nevoia pentru toate etapele de proces care conduc la procesul de lipire și ca urmare a acestuia.

Discuții
Așa cum a fost arătat, sunt multe avantaje pentru a fabrica asamblări de circuite pe aluminiu în maniera descrisă. Acestea fiind spuse, o întrebare recurentă este adesea ridicată: cum poate cineva testa și repara astfel de asamblări? Întrebarea este, probabil, cel mai bine abordată cu o altă întrebare: În cazul în care procesul este executat în mod corespunzător și componentele care nu sunt supuse la extreme termice, de ce ar trebui să existe o necesitate de a testa și de a repara? Simplul fapt este că cele mai multe probleme de asamblare electronică sunt legate de slăbiciunea inerentă a procesului de lipire și de căderile lipiturilor constituind cauza principală, mai ales atunci când există șocuri sau vibrații [10]. Mai mult, sub pasul dintre terminale de 0.5 mm, care este tendința către care se îndreaptă construcția de componente, randamentele asamblării scad considerabil, chiar cu implementarea și/sau aplicarea unor pași multipli de inspecție pre-asamblare. Industria EMS (furnizoare de servicii de producție electronică – n.t.) a ajuns să accepte slăbiciunea proceselor sale de asamblare și de curățare, chiar se străduiește să le îmbunătățească în mod constant, făcând îmbunătățiri marginale prin intermediul unor noi materiale și echipamente și, ca rezultat, a ajuns să accepte că reprelucrarea și repararea sunt, de asemenea, o parte naturală a procesului de fabricație. Această acceptare poartă cu ea ceea ce poate fi cel mai bine descris ca fiind o atitudine înrădăcinat autodistructivă și conducând la o manufacturare care trebuie să execute în mod continuu un proces care altfel ar putea fi inutil. Pe scurt, în cazul în care componentele sunt complet testate și încercate, iar procedeele utilizate sunt controlate în mod adecvat, produsul final trebuie să fie de înaltă productivitate, cu condiția ca proiectul să fie în mod inerent valid și robust.
Limitele de fiabilitate a produselor electro­nice viitoare ar putea fi mai degrabă definite de fiabilitatea circuitelor integrate decât de fiabilitatea circuitelor imprimate și a găurilor metalizate care sunt utilizate pentru a le interconecta.

Concluzie
Structurile de circuit din aluminiu așa cum au fost descrise în acest articol sunt simplu de proiectat și eminamente posibil de a fi produse. Ele pot fi produse cu ușurință folosind instrumente de fabricație, echipamente de infrastructură bine stabilite și tehnici de prelucrare care sunt pur și simplu reordonate pentru a face produse electronice extrem de utile, potrivite pentru a fi utilizate în orice, de la bunuri de larg consum la produse auto, militare și aerospațiale de înaltă fiabilitate. Limitele sunt mai susceptibile de a fi definite mai mult de imaginația designerului decât de limitele tehnologiei fundamentale care a fost descrisă.

Mulțumiri
Autorul recunoaște cu modestie ajutorul membrilor Consiliului consultativ de la Verdant Electronics care au oferit încurajarea lor fermă și sfaturi de încredere în ultimii șapte ani.

Autor: Joseph Fjelstad, Verdant Electronics
(traducere şi adaptare: Gaudenţiu Vărzaru)

Referințe
[4] Lowry, R., “Counterfeit Electronic Components – An Overview,” Oneida Research Services.
[5] Lee, D., “What Can No Longer Be Ignored In Today’s Electronic Designs,” SMTA Chapter Meeting Presentation, Jan 2008.
[6] Engelmaier, W., “Reliability Issues for Printed Circuit Boards in Lead-Free Soldering” SMTA Presentation Archive.
[7] Karavakis, K and Bertling, S, “Conductive Anodic Filament (CAF): The Threat to Miniaturization of the Electronics Industry,” MEPTEC Journal, Number 4, pp 24-27, 2004.
[8] NASA Metal Whiskers website.
[9] Buonpastore, P., “Survey: RoHS Costs at Over $32 Billion,” PC Design and Manufacturing Magazine, April 2008.
[10] de Maio, D. “High-frequency vibration tests of Sn-Pb and lead-free solder joints,” Proceedings IEMRC/TWI Technical Seminar: Developments in Interconnection, Assembly and Packaging, December 2008.

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile necesare sunt marcate *