Регистрация / Вход
Прислать материал

14.577.21.0225

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.577.21.0225
Тематическое направление
Транспортные и космические системы
Исполнитель проекта
федеральное государственное бюджетное учреждение "Научно-производственный комплекс "Технологический центр" МИЭТ"
Название доклада
Проведение исследований по разработке перспективной технологии создания миниатюрных, высокоинтегрированных 3D микросборок интеллектуальных силовых ключей для транспортных и космических систем
Докладчик
Басаев Александр Сергеевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Исследование и разработка новой перспективной технологии создания миниатюрных, высокоинтегрированных микросборок на основе методов объемной интеграции различных функциональных элементов для аппаратуры управления транспортными и космическими системами. Для создания миниатюрных высокоинтегрированных микросборок необходимо решить следующие конструктивно-технологические задачи: объединение разных функциональных элементов устройства в рамках единого корпуса микросборки, минимизация размеров изделия, обеспечение надёжности и радиационной стойкости микросборки, повышение технологичности процессов изготовления.
Актуальность и новизна исследования
Исследование и разработка технологий объемной интеграции является актуальной задачей, и интерес к разработке новых подходов и методик создания устройств на их основе непрерывно растет. Разрабатываемая технология будет нацелена на создание нового класса объектов электроники в виде функционально законченных устройств, объединяющих в едином конструктиве микросборки как силовые элементы, так и микросхемы управления. Такой подход позволяет использовать электронные компоненты, изготовленные по разным технологиям, что способствует повышению коэффициента выхода годных микросборок. Разрабатываемая технология позволит уменьшить массу и габариты, а также расширить функциональные возможности изделий при сохранении радиационной стойкости компонентов, что принципиально важно для применения в транспортных и космических системах. Работы по внедрению технологии 3D интеграции в замен стандартной 2D находятся на начальном этапе развития и аналогов предлагаемым разработкам в России на сегодняшний момент практически не существует.
Описание исследования

Поставленные задачи миниатюризации микросборки можно решить за счет использования современных методов объемной интеграции с применением и комбинированием различных технологий монтажа, таких как монтаж на шарики припоя (BGA-монтаж), монтаж на клей с ультразвуковой сваркой проволочных соединений, поверхностный монтаж и др.
Использование специально подобранных материалов для герметизации микросборки и последующего контроля качества заливки позволит обеспечить высокую надежность изделия.
Использование радиационно-стойкой элементной базы в составе изделия обеспечит возможность ее применения в области космических систем.
За счет предварительного контроля электрических параметров функциональных элементов изделия непосредственно перед сборкой можно повысить технологичность всего процесса и увеличить коэффициент выхода годных. 
Первый этап исследований по разработке перспективной технологии создания миниатюрных, высокоинтегрированных 3D микросборок интеллектуальных силовых ключей для транспортных и космических систем проводился в следующем порядке:
1) Анализ современной научно-технической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, для анализа мирового уровня и поиска существующих решений в области технологий трехмерной объемной интеграции, применимых к изделиям силовой электроники, в том числе проведение патентных исследований. 2) Разработка и исследование вариантов возможных схемотехнических, технологических и конструкционных решений по созданию экспериментального образца микросборки и обоснование выбора оптимального конструктивного варианта. Выбор в пользу определенной конструкции делался на основе проведенных теоретических расчетов надежности конструкции, с учетом технологических и производственных возможностей. 3) Для проверки надежности предлагаемых вариантов конструкции использовался метод компьютерного трехмерного моделирования с применением анализа конечных элементов (Finitе element method - FEM). 4) Разработка и исследование тестовой структуры базового матричного кристалла (БМК), обеспечивающего управление силовыми ключами. Разрабатываемый кристалл БМК должен изготавливаться по технологии, обеспечивающей радиационную стойкость согласно требованиям технического задания. 5) Разработка макетного образца микросборки для проверки основных характеристик силовых транзисторов и для исследования результирующей выделяемой мощности в режиме их одновременного включения и для проверки эффективности отвода генерируемого тепла. 

Результаты исследования

В рамках выполнения первого этапа работ был проведен аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему разработки перспективных технологий миниатюризации и корпусирования устройств силовой электроники и создания высокоинтегрированных микросборок, проведены патентные исследования. По результатам исследований был сделан вывод, что технологии объемной интеграции в основном развиваются в двух направлениях: интеграция на уровне кристаллов (SoC, 2.5D-3D IC, 2D-3D SiP), и на уровне подложек и микросборок (PoP, 3D-MID, LTCC, 3D на основе тонкопленочных технологий). Были исследованы основные технологические методы сборки подложек в стек для минимизации габаритов изделия. Близкими аналогами разрабатываемой технологии, являются 3D-MID и LTCC керамика, однако основным недостатком указанных методов является высокая стоимость используемых материалов и оборудования, поэтому их применение оправдывается только для серийного выпуска больших партий изделий. Предлагаемая же в рамках исследования технология создания высокоинтегрированных микросборок основывается на использовании стандартных печатных плат и традиционных технологий монтажа. В ходе выполнения этапа ПНИЭР была разработана схема электрическая принципиальная 12 канального интеллектуального  силового ключа, основывающаяся на применении радиационно-стойкой компонентной базы отечественного производства. Также, для реализации функции управления работой силовых ключей была разработана и изготовлена тестовая структура базового матричного кристалла (БМК). В ходе проведенной работы были разработаны и рассмотрены несколько конструктивно-технологических вариантов реализации миниатюрной высокоинтегрированной микросборки и проведена их аналитическая оценка с использованием методов компьютерного трехмерного моделирования. В ходе проведенного анализа были получены результаты распределения температур в объеме конструкции для различных используемых материалов герметизирующих компаундов и различных типов печатных плат, а также результаты расчета термо-механической надежности конструкции. На основании результатов расчета был выбран оптимальный вариант, основывающийся на сборке технологических подложек в стек друг над другом и формировании боковой межстековой металлизации. Применение теплопроводящих изоляционных герметиков обеспечивает с одной стороны, механическую прочность, а с другой стороны, эффективный отвод тепла, выделяемого силовыми транзисторами, размещенными на нижней плате. Для проверки работоспособности и сравнения результатов теоретических расчетов был разработан и изготовлен макет микросборки, включающий в себя: микроконтроллер, силовые транзисторы, датчики температуры, радиатор, внешний интерфейс для сбора данных с датчиков температуры и микроконтроллера.

 

Практическая значимость исследования
Ожидаемые результаты будут способствовать развитию научно-технического и производственно-технологического потенциала Российской Федерации в области разработки современной авиационной и космической техники. Результаты работы в дальнейшем должны обеспечить серийное производство ЭКБ класса "система в корпусе" для миниатюрных блоков систем управления бортовой аппаратуры и другой специализированной техники.
Постер

My_Poster_v3.ppt