Ila Pal, Ironwood Electronics
רקע
תעשיית התושבות לצ’יפים נוטה ומושפעת משילוב של גורמי טכנולוגיה משתנים הנובעים מתנועות וצורכי השוק.
גורמים טכנולוגיים משפיעים: מזעור, מספר פינים גדול יותר, מהירות פעולה גבוהה יותר, טווח טמפ’ רחב יותר, יכולת העברת זרם גבוהה יותר.
גורמי שוק משפיעים: הגדלה ושיפור עמידות המוצר, קיצור משך פיתוח המוצר, הוזלת המוצר, עלות/ תועלת. עבור מוצרים רבים עם תכנון של צ’יפים (מעגלים משולבים) בעלי ביצועים גבוהים, תושבות למארזי BGA הנם אופציה נחוצה במהלך התכנון, בדיקות או כאשר מתחילים תהליך של פיתוח מוצר חדש.
תושבת למעגל משולב היא למעשה התקן אלקטרו-מכני שתפקידו לאפשר חיבור בין מארז הרכיב למעגל המודפס במערכת.
הממשק חייב להצטיין במקסימום יכולת החזרת האות ובמינימום השפעה על איכות ושלמות האות.
האפשור להסרת הרכיב הינו הסיבה העיקרית לשימוש בתושבת וייתכן כי תידרש להיות קלה להתקנה, אפשור לשדרוג, ניתנת לתחזוקה וחוסכת בעלויות. יתרון בעלות יהיה אפשרי אם נוכל לוותר על חיבור ישיר בין רכיב המעגל המשולב למעגל המודפס. התושבת תותקן באופן קבוע ע”י הלחמה למעגל המודפס של הלקוח בעוד הרכיב יכול להיות מותקן או מוסר מהתושבת ללא ניתוקה מהמעגל המשולב. פעולה זו מאפשרת לצ’יפ לתפקד כאילו היה מולחם, כמו כן מאפשר החלפה של הצ’יפ או מספר צ’יפים. התושבת אף מאפשרת ביצוע בדיקות, הערכה, מדידות ובדיקת מערכת שלמה.
בשטח (שדה), התושבת מעניקה יכולת משופרת לתחזוקה, בדיקות, החלפה או שדרוג היכול להיות משתנה חשוב במחזור החיים של המוצר בעקבות התפתחות או שינויים טכנולוגיים וזמינות הרכיב.
ביישומים בהם נדרש מוצר בעל ביצועים גבוהים, הדרישה לחיבור ישיר בין הצ’יפ למעגל המודפס הינה דרישה חיונית לעיתים קרובות.
השיקול האם להשתמש בתושבת המאפשרת חיבור/ניתוק מהיר של הרכיב הינה אפשרות להקל בעת הצורך על החלפה, שדרוג או תיקון נדרש בתנאי שטח (שדה).
הדרישות לצורך החלפת רכיב ישיר הנן תוצר של הצורך בהלחמת מערכת התושבות ישירות על המעגל המודפס של הלקוח. פעולת ההלחמה חשובה במיוחד, כתנאי לחיבור “ישר” (ללא פיתולים או מניעת כיפוף) בין המשטחים בעת החיבור וזאת כדי למנוע את היחלשות ההלחמה בנקודת החיבור. המפתח להצלחה הוא יכולת עמידה במספר רב של מחזורי הלחמת Reflow מבלי לאבד את אמינות המגע כתוצאה מעיוות, תופעות ביוכימיות או החלשה של המגע. צ’יפים גדולים בעלי 1000 מגעים ואפילו 2000 מגעים נהיים יותר ויותר פופולאריים לשימוש. בגלל מספר המגעים הגבוה נדרש כוח הכנסה קטן ככל הניתן. מאמר זה יעסוק במצב האופטימלי של הכוח על מגע הדרוש להכנסה או הוצאה מהתושבת בעת החיבור.
™ Giga-snaP – מערכת תושבות למארז BGA
המערכת כוללת שני מודולים. מודול התחתון הנו הבסיס והוא כולל פינים שקעים מסודרים על מצע של חומר מסוג FR-4 עם solder balls בצידו האחורי כדי להתחבר (באמצעות הלחמה) למעגל המודפס של הלקוח.
המודול העליון מכיל פינים (תקעים) מסוג זכר בעלי ראש עגול גם כן מחוברים (באמצעות לחיצה) למצע מסוג FR-4. הראש העגול של הפינים משמש כ-PCB Pad לחיבור הצי’פ (מארז BGA). מארז זה יולחם על הצד העליון של המודול ויתחבר למודול התחתון (הבסיס) אשר הולחם למעגל המודפס (במקום בו היה אמור להיות מולחם הצ’יפ) ובכך משלים את מערכת החיבור. איור מס’ 1 מראה כיצד שני המודולים (התחתון – בסיס והמודול העליון). דרישות לממשקים הניתנים להפרדה הינם בד”כ הצהרה על התנאים לכוח חיבור/ ניתוק, מספר מחזורי חיבור/ניתוק שהתושבת יכולה לעמוד בהן בכבוד. כוח החיבור/ניתוק גדל בחשיבותו ככל שגדל מספר המגעים בתושבת.
מבנה אנטומי של מגע נקבה (שקע) בתושבת
התקע בתושבת כולל מעטה חיצוני (shell) עשוי מסגסוגת פליז מצופה ” 100µ ניקל ועליו ציפוי של ” 10µ זהב וכדור הלחמה (solder ball) בקצהו התחתון. מגע המהדק בשקע (contact clip) עשוי גם מסגסוגת פליז כאשר המעטה החיצוני מצופה ” 10µ זהב על גבי
” 50µ ניקל והוא מוכנס בלחץ לתוך המעטה החיצוני (Socket Shell). מגע ההלחמה הכדורי (Solder ball) בקצהו התחתון (63% בדיל 37% עופרת) מקושר לפין הנמצא בתוך המעטה החיצוני כפי המוצג באיור 2 לעיל.
כוח מגע
מטרתו העיקרית של ה-Contact Clip (מגע מתהדק) היא הפעלת הכוח הדרוש בעת החיבור בכדי להעביר את האות ללא איבוד ככל שניתן. לתכונות החומר ולגיאומטריה של המגע תפקיד חשוב ומכריע לכוח המגע. Contact Clip כולל שלוש אצבעות היוצרות מעין מגע עגול. כל אצבע הינה תומכת ב”אלומת קורות” המתקבלת. הכוח הנגדי מחושב לפי המשוואה:
F = (D/4) E W (T/L) 3
Where, F = Force due to deflection of the beam.
D = Deflection
E = Elastic Modulus
W = Width of beam
T = Thickness of beam
L = Length of beam
ע”י אופטימיזציה של גיאומטריית המגע ומודולים אלסטיים, כוח המגע המתאים נוצר ע”י טווח הכולל של תנאי הפעולה. מאפיין רלוונטי נוסף הינו יכולת החומר להחזיר את המגע למצב מנוחה לאחר מתיחתו. זה נגרם כתוצאה של מתיחת אלומת הקורות בתוך המגע בעת החיבור ותחת עומס כפונקציה של זמן וטמפ’. זה יכול לגרום לכוח מגע (Contact force) לא מספק העלול לגרום לתפקוד לא נכון או קריסה של המערכת. לסגסוגת מסוג ברליום נחושת יכולת גבוהה
להשתחרר לאחר מתיחה.
מכניקה של החיבור
ישנם שני שלבים בעת תהליך החיבור, הראשוני הינו הטיה של האלומה (שלב 1) והחלקה למצב סופי (שלב 2) לאחר שהאלומה מוטית במלואה. אלו כל הכוחות על מגע תלוי בעוצמת ה-Contact force (כפי שמתואר בפרק הקודם) ומקדם החיכוך בגלל פעולת ההחלקה. סה”כ כוח החיבור (mating force) בין שני המודולים (העליון והתחתון) תלוים ב-contact force, מקדם החיכוך, כוח נוסף אם נדרש כדי להתגבר על אי התאמה בחיבור בין החצאים ובמימדי הסטיות של המצע. חשוב מאוד להתחשב בסך הכוחות הפועלים בעת החיבור בין שני החצאים (2 המודולים) בניגוד לכוח המופעל ע”י כל מגע בודד.
התקנה לצורך
ביצוע ניסוי:
איור 3 מראה התקנה לצורך ניסוי של מערכת תושבות שפותח למארז BGA בעל 388 מגעים. המודול התחתון (הבסיס) הולחם למעגל מודפס משורשר (Daisy Chain). תחליף של צ’יפ (גם כן מעגל מודפס משורשר) הולחם על המודול העליון. שני המודולים חוברו והותקנו בתוך מד הכוח
Imada DSP-110R, אשר מודד את הכוח בעת חיבור וניתוק המודולים. למדידת התנגדויות השתמשנו ברב מודד מדגם HIT 30M.
תוצאות הניסוי:
נמצא קשר ישיר בין כוח חיבור/ניתוק לבין מס’ המחזורים כפי שניתן לראות באיור מספר 4 עבור מערכת של תושבת לרכיב BGA388. ניתן לראות מהגרף כי נדרש כוח נוסף ככל שעולים במספר המחזורים. בתחילה כדי להשלים את פעולת החיבור בין המודולים נדרש כוח של 14 ק”ג וכעבור 200 מחזורים הוא עלה ל-22 ק”ג. התנגדות ממוצעת הנה 0.10mΏ למגע. כדי לנתק בין המודולים נדרש כוח התחלתי של 7 ק”ג ולאחר 200 מחזורים הוא עלה ל-18 ק”ג. העלייה בכוח מיוחסת לגורם החיכוך. לאחר 200 מחזורים, המודול העליון סוכך מה שהביא את כוח החיבור וכוח הניתוק לערכים המקוריים: 14 ק”ג ו-7 ק”ג בהתאמה.
הניסוי הבא מראה את הקשר בין כוח והטיה בין שני תקעים בעלי קוטר
שונה (0.2 מ”מ – 0.25 מ”מ) עבור מודולים (™Giga-snaP) שונים. חזרנו על אותה ההכנה לניסוי אך הפעם כל עשרה מחזורים החלפנו את המודול העליון למודול עם תקעים בעל קוטר שונה. איור מס’ 5 מראה על דפוס עקבי ומגלה כי לתקע בעל קוטר של 0.25 מ”מ יש יותר כוח הכנסה (בעת החיבור) בגלל הטיה גדולה יותר של ה-Contact Clip. כך ע”י שליטה על הטיה של ה-Contact Clip וכוח החיכוך ע”י פעולת החלקה, ניתן יהיה לשמור על מינימום את כוח החיבור והניתוק.
מסקנות:
אופטימיזציה של כוח חיבור וניתוק בחיבור של תקע ושקע מונע ע”י שילוב של גורמים טכנולוגיים הכוללים מזעור והגדלת מספר המגעים. גורמי השוק כוללים את הצורך לצמצום בעלויות וכושר עמידות. כאשר שוקלים נושא של כוח חיבור וניתוק יש להעריך את סה”כ הכוח. כוח של מגע הינו פונקציה של הטיה, מודול אלסטיות וגיאומטריה של המגע. כוח נוסף תלוי בגורמים הבאים: חיכוך, חוסר ההתאמה בין שני המודולים, סטייה במיקום הפינים על המצע עלולים להשפיע על סה”כ הכוח במידה ניכרת.
התנגדות במצב של מתיחה או שחרור ישפיעו על עמידות של מערכת התושבות. נתוני הניסוי מראים איך משתנה אחד (היסט של Contact Clip) משפיע על הכוח. מחקרים נוספים שנערכו הובילו לגילוי משתנים ואמדנים אחרים המשפיעים על כוח המגע וביצועי התושבת.
המחבר מבקש להודות ל-Ken Kraza ול-Terry Johnson על עזרתם בהכנת הדגמים וביצוע הניסויים.
הכתבה נמסרה באדיבות מגוון טכנולוגיות והנדסה נציגתה של חברת Ironwoodelectronics בישראל.
