UA140478U - Багатосенсорний модуль на гнучкій комутаційній платі - Google Patents

Abstract

Багатосенсорний модуль на гнучкій комутаційній платі містить множину напівпровідникових сенсорів, які об'єднані в електричну схему, багатошарову підставу, що виконана із гнучких фольгованих поліімідів і яка являє собою комутаційні шари з аналоговими й цифровими колами з контактними площинками й провідниками заземлення, навесні компоненти для поверхневого монтажу. Комутаційні шари виконані з безадгезивних алюміній-поліімідних фольгованих діелектриків, у яких в алюмінієвих шарах сформовані струмопровідні доріжки і пласкі контакти, а в шарах полііміду сформовані вікна для безпосереднього електричного й механічного з'єднання за допомогою мікрозварювання пласких алюмінієвих контактів комутаційних шарів з контактами сенсорів, а також із пласкими алюмінієвими провідниками заземлення. Алюмінієві комутаційні шари і провідники заземлення алюміній-поліімідних фольгованих діелектриків мають товщину 10-30 мкм, шари полііміду - 10-30 мкм, а гнучкі шари плати складені у вигляді пакету довжиною до 500 мм так, що верхній комутаційний шар із контактними площадками та нижній комутаційний шар із пласкими провідниками заземлення розділені шаром полііміду товщиною 25-75 мкм, який приклеєний до них адгезивним діелектричним матеріалом.

Description

Корисна модель належить до розробки й виробництва апаратури на основі виробів мікроелектроніки й напівпровідникових приладів як побутового, так і спеціального призначення й може бути широко використана у виробництві багатошарових друкованих плат, а також пласких багатокристальних безкорпусних модулів на гнучких багатошарових носіях, у тому числі, для детекторних систем елементарних часток.

Відомий модуль із напівпровідниковими мікросхемами й спосіб його виготовлення за патентом Російської Федерації на винахід Мо 2169962 "Модуль із напівпровідниковими мікросхемами та спосіб його виготовлення" |1|. Відповідно до опису цього винаходу, створення такого модуля з напівпровідниковими мікросхемами й такого способу виготовлення цього модуля з напівпровідниковими мікросхемами дозволяє забезпечити скорочення тракту передачі сигналу з метою мінімізації часу затримки сигналу, а також розміщення великої кількості мікросхем. Відповідно до винаходу монтажна поверхня модуля містить діелектричний плівковий шар з отворами для контактів мікросхем і друковану плату з множиною розташованих на ній контактних площинок, які з'єднані електрично з контактними площинками мікросхем за допомогою електропровідних контактних елементів. Кожний з електропровідних контактів являє собою або олов'яну кульку, або сформований з електропровідної пасти, або з електропровідного матеріалу (золота або алюмінієва кулька), які піддають хімічному електролітичному осадженню до з'єднання з контактними площинками плати.

Недоліком вказаного модуля-аналога з напівпровідниковими мікросхемами є зниження надійності пристрою за рахунок введення в конструкцію додаткових елементів для комутації і необхідності кріплення їх на навісні компоненти й плату.

Також відомий багато кристальний модуль, що виконується за технологією "кристал-на- платі" (Спір-оп-Воага, СОВ) |2). Технологія "кристал-на-платі" (СОВ) включає розташування мікросхем безпосередньо на монтажній поверхні друкованої плати. Кристали мікросхем приклеюються до плати й з'єднуються з нею тонкими дротами, як правило золотими, діаметром порядку 25 мкм. Потім вся конструкція заливається захисним компаундом. Перевагою багатокристальних СОВ модулів є низька вартість і висока механічна міцність.

Недоліком вказаного багатокристального СОВ модуля-аналога є порівняно великі габарити багатокристальних модулів через більші площі монтажних полів кристалів на платі, з'єднаних з

Зо використанням дроту.

Також відомий багатокристальний модуль, що виконується за технологією "кристал-на- гнучкому-носії" (Спір-оп-Ріех, СОР) |2)|. Технологія "кристал-на-гнучкому носії" (СОР) являє собою компонування, при якому кристали мікросхем, інші пасивні й активні компоненти розташовуються на тонкій поліїмідній плівці. Дана технологія забезпечує дуже малу товщину й масу готового виробу, що важливо при використанні такої збірки в компактних умовах.

До переваг носія на поліїмідній основі варто віднести високу термостійкість, стабільність електрофізичних і термомеханічних характеристик в експлуатації, високу механічну міцність на розрив, розтягання і злам у діапазоні товщин від 7 до 100 мкм, стійкість до хімічних впливів і високих температур у процесі технологічної обробки. Такий носій забезпечує автоматизацію процесів монтажу кристалів з більшою кількістю контактних площинок, оскільки струмоведучі доріжки на поверхні носія можуть бути виготовлені з високою точністю й розташовані з високою щільністю при малому, строго фіксованому зазорі між ними.

Основним недоліком багатокристального СОЕ модуля-аналога є його порівняно висока вартість.

Ще одним його недоліком також є більші габарити багатокристальних модулів, обумовлені більшими площами монтажних полів кристалів на платі, з'єднаних за допомогою дроту.

Найбільш близьким по технічній суті пропонованому технічному рішенню багатокристального детекторного модуля на гнучкій багатошаровій платі, прийнятий за прототип, є багатосенсорний модуль на гнучкій багатошаровій поліїмідній платі, описаний у роботі Лучано Муса "Вдосконалення внутрішньої детекторної системи АГІСА" |З), а також в роботі Бенедетто Ді Руцца "Піксельний модуль для вдосконалення внутрішньої детекторної системи АГІСА у Великому Адронному Коллайдері" (4.

Відповідно до описаного у цих джерелах технічного рішення, багатосенсорний модуль являє собою гібридну мікрозбірку на гнучкій багатошаровій платі довжиною 210,9 мм і шириною 33 мм.

У модулі на багатошаровій мідь-поліїмідній платі встановлені у два ряди по сім штук монолітних активних піксельних сенсорів КМОП з розмірами З0х15 мм і товщиною 100 мкм кожний для спостереження та виявлення елементарних часток. Як матеріал гнучкої комутаційної друкованої плати вибраний двосторонній безадгезивний мідь-полімідний матеріал Ругаїшх АРВ8Б5З5А компанії биРопі. При цьому верхній та нижній шари міді мають товщину 18 мкм, а шар поліїміду бо - 75 мкм. У верхньому шарі міді виконані комутуючі елементи аналогових та цифрових кіл модуля, у нижньому шарі - провідники заземлення. У шарі поліїміду сформовані вікна розміром 400х1200 мкм та 400х1600 мкм для безпосереднього електричного зв'язку за допомогою мікрозварювання алюмінієвим дротом товщиною 25 мкм вихідних алюмінієвих контактних площинок кремнієвих сенсорів з контактними площинками комутуючих елементів верхнього шару міді та контактних площинок верхнього комутаційного шару з контактними площинками нижнього комутаційного шару. При цьому контактні площинки верхнього і нижнього комутаційних шарів мають двошарові покриття типу Мі-Аи з товщиною нікелю 3-5 мкм та золота 60О-100 нм відповідно. На верхньому комутаційному шарі модуля встановлені навісні компоненти.

Недоліками зазначеного гнучкого багатосенсорного модуля-прототипу, виготовленого із двостороннього фольгованого міддю поліїміду, Є те, що застосування фольгованих міддю поліїімідних плівок не дозволяє повною мірою реалізувати переваги СОБР-технології при складанні детекторних модулів. З'єднання алюмінієвим дротом за допомогою ультразвукового зварювання алюмінієвих контактних площинок кремнієвих сенсорів з покритими нікель-золотом мідними площинками гнучких багатошарових плат - досить складний процес. Він вимагає застосування дуже високоточного й трудомісткого технологічного оснащення та устаткування.

При цьому значно ускладняється процес зварювання контактних площинок плат з контактними площинками сенсорів, а також збільшується кількість зварних з'єднань.

Додатковим недоліком прототипу є формування з'єднання гнучких кабелів із сенсорами за допомогою дроту, що обмежує можливості зменшення монтажних полів сенсорів і габаритних розмірів детекторних модулів, а також вимагає підвищеної точності та обережності при проведенні процесів складання виробів для того, щоб не допустити деформації алюмінієвих дротових з'єднань і закорототок між ними.

Крім цього, до недоліків можна віднести те, що мідь має радіаційну довжину майже в 6 разів меншу, аніж в алюмінію (Ході»8,9 см, Хосиє!,43 см), мідь майже в 3,5 рази важче алюмінію (уг-2,7 г/см3, уси-8,92 г/смУ), а також в 2 рази дорожче алюмінію.

В основу корисної моделі поставлена задача створення вдосконаленого багатосенсорного модуля на гнучкій комутаційній платі.

Поставлена задача вирішується тим, що багатосенсорний модуль на гнучкій комутаційній

Зо платі містить множину напівпровідникових сенсорів, які об'єднані в електричну схему, багатошарову підставу, що виконана із гнучких фольгованих поліїмідів і яка являє собою комутаційні шари з аналоговими й цифровими колами з контактними площинками й провідниками заземлення, навесні компоненти для поверхневого монтажу. Комутаційні шари виконані з безадгезивних алюміній-поліїмідних фольгованих діелектриків, у яких в алюмінієвих шарах сформовані струмопровідні доріжки і пласкі контакти, а в шарах поліїміду сформовані вікна для безпосереднього електричного й механічного з'єднання за допомогою мікрозварювання пласких алюмінієвих контактів комутаційних шарів з контактами сенсорів, а також із пласкими алюмінієвими провідниками заземлення. Алюмінієві комутаційні шари і провідники заземлення алюміній-полімідних фольгованих діелектриків мають товщину 10-30 мкм, шари поліїміду - 10-30 мкм, а гнучкі шари плати складені у вигляді пакету довжиною до 500 мм так, що верхній комутаційний шар із контактними площадками та нижній комутаційний шар із пласкими провідниками заземлення розділені шаром полімміду товщиною 25-75 мкм, який приклеєний до них адгезивним діелектричним матеріалом.

Зазначені суттєві ознаки заявленої корисної моделі є новими відносно прототипу, що обумовлює відповідність запропонованого пристрою вимогам новизни.

Виконання гнучкої багатошарової комутаційної друкованої плати з безадгезивних алюміній - поліїімідних фольгованих діелектриків, в алюмінієвих шарах яких сформовані струмопровідні доріжки і пласкі контакти, а в шарах поліміду сформовані вікна для безпосереднього електричного й механічного з'єднання за допомогою ультразвукового мікрозварювання алюмінієвих контактів комутаційних шарів з контактами сенсорів, а також із пласкими алюмінієвими провідниками заземлення забезпечує підвищення радіаційної стійкості і радіаційній довжини модуля, стійкості до механічних впливів і зменшення деформацій, викликаних змінами температури, забезпечує виключення корозії зварених з'єднань, зниження деградації електричних характеристик, підвищення надійності в експлуатації, а також спрощення технології складання багатосенсорного модуля за рахунок виключення з'єднань дротом або металізації наскрізних отворів у платі. Досягається цей технічний результат за рахунок високої еластичності й механічної міцності при вигині та інших механічних впливах системи алюміній-поліїмід у безадгезивному лакофольговому діелектрику та його стійкості до радіаційного випромінювання.

Конфігурація комутаційних елементів і заземлюючих провідників в алюмінієвій фользі і вікон у поліїміді виконується методами фотолітографії, що забезпечує високу точність одержання розмірів і дозволяє гранично мінімізувати зазори між суміжними алюмінієвими провідниками.

Процес травлення наскрізних вікон у шарі поліїміду набагато спрощується, тому що алюміній - поліімідний лакофольговий діелектрик виготовляється методом поливу на алюмінієву фольгу поліммідного лаку і не має адгезивних шарів. У пропонованому технічному рішенні всі міжелементні з'єднання здійснюються за допомогою алюмінію. Цей матеріал має фізико-хімічні властивості, що перешкоджають корозії, оскільки окісна плівка на алюмінії надійно охороняє його від подальшого окислювання при впливі навколишнього середовища. Крім цього, у процесі складання і монтажу модуля повністю виключаються короткі замикання в струмопровідних колах, тому що всі комутуючі елементи ізольовані один від іншого шарами поліїміду, а електричні й механічні зв'язки пласких виводів комутаційних шарів з іншими шарами здійснюються за допомогою точкового зварювання через вікна в поліїміді.

Виконання алюмінієвих комутаційних шарів та алюмінієвих провідників заземлення товщиною 10-30 мкм, шарів поліїміду 10-30 мкм забезпечує необхідні електричні параметри багатосенсорного модуля, зменшення його впливу на траєкторію та енергію часток, які проходять через нього. Розташування гнучких шарів носія, складених у вигляді пакета довжиною до 500 мм так, що комутаційний шар з контактними площинками та шар із пласкими провідниками заземлення розділені за допомогою шару поліїміду товщиною 25-75 мкм, що приклеєний до них адгезивним діелектричним матеріалом і при цьому пласкі провідники заземлення, що екранують, повністю перекривають аналогові та цифрові кола, що забезпечує мінімізацію емісії перешкод модуля по всій його площі й, відповідно, зменшення шумів сенсорів, зниження об'ємно-габаритних параметрів, ваги й питомої вартості багатосенсорного модуля.

Суть корисної моделі пояснюють креслення.

На Фіг. 1 схематично зображений у розрізі багатосенсорний детекторний модуль на гнучкій багатошаровій платі.

На Фіг. 2 схематично зображена в розрізі багатошарова гнучка комутаційна друкована плата.

На Фіг. З наведена фотографія існуючого зразка запропонованого багатосенсорного модуля

Зо на гнучкій багатошаровій платі (фронтальна сторона). на Фіг. 4 наведена фотографія існуючого зразка запропонованого багатосенсорного модуля на гнучкій багатошаровій платі (тильна сторона).

На вказаних зображеннях позиціями позначено: 1 - багатосенсорний модуль; 2 - кремнієвий сенсор;

З - струмопровідні алюмінієві шини й контакти верхнього комутуючого шару; 4 - пласкі алюмінієві провідники заземлення й контакти нижнього комутуючого шару; 5 - розділяюча поліїмідна прокладка між комутаційними шарами; 6 - шари адгезиву для приклейки розділяючої прокладки; 7 - ізолюючі поліїмідні шари комутаційних шарів; 8 - вікна в розділяючій поліїмідній прокладці та у поліїмідних шарах; 9 - контактні площадки сенсорів; 10 - пласкі монтажні контакти верхнього комутаційного шару з покриттям з 5пПВі для навісних

ЗМО компонентів.

Багатосенсорний модуль на гнучкій комутаційній друкованій платі 1 (Фіг. 1, 2, З, 4,) містить масив монолітних активних піксельних кремнієвих сенсорів КМОП 2 товщиною до 100 мкм (два ряди по 7 сенсорів у кожному). Комутаційні шари виконані з безадгезивних алюміній-полімідних фольгованих діелектриків виробництва ТОВ "Науково-виробниче підприємство "ЛТУ", в алюмінієвих шарах яких сформовані струмопровідні доріжки та пласкі контакти З і 4, а в шарах поліїміду 5 та 7 сформовані вікна 8 для безпосереднього електричного й механічного зв'язку за допомогою ультразвукового зварювання пласких алюмінієвих контактів комутаційних шарів З із пласкими алюмінієвими провідниками заземлення 4, а також алюмінієвих провідників шару 4 із контактами сенсорів 9. Алюмінієві комутаційні шари З і провідники заземлення 4 алюміній- поліїмідних фольгованих діелектриків мають товщину 30 мкм, шари поліїміду 7 мають товщину 20 мкм, гнучкі шари плати складені у вигляді пакету довжиною 211 мм так, що верхній комутаційний шар із контактними площинками З та нижній комутаційний шар із плоскими провідниками заземлення 4 розділені шаром поліїміду 5 товщиною 75 мкм, що приклеєний до них адгезивним діелектричним матеріалом 6. Верхній комутаційний шар З містить монтажні контактні площадки з покриттям з сплаву 5пВі 10 для монтажу навісних 5МО компонентів, в бо тому числі для резисторів, конденсаторів, що розв'язують, датчиків температури,

електроз'єднувачів тощо, які можуть бути змонтовані в модуль методом пайки та ультразвукового зварювання.

Працездатність багатосенсорного модуля на гнучкій багатошаровій платі підтверджена на дослідних зразках, які піддавалися прискореним випробуванням в умовах впливу форсованих навантажень. Дослідні зразки випробування витримали. При цьому зміни зовнішнього вигляду зразків та ознак критерію відмови не відзначено.

Реалізація корисної моделі на існуючій елементній базі й технологічному устаткуванні істотних технічних труднощів не представляє, що дозволяє зробити висновок про відповідність заявленого рішення вимозі патентоздатності "промислова придатність".

Джерела інформації: 1. Патент Российской Федерации "Модуль с полупроводниковьіми микросхемами и способ его изготовления" Мо 2169962// Бюллетень Федеральной службь! по интеллектуальной собственности, патентам и товарньім знакам "Изобретения. Полезнье модели". - 2001. - Мо 18. 2. Медведев А.М. Сборка й монтаж злектронньїх приборов/ А.М. Медведев. - М.:

Техносфера, 2007. - 256 с.

З. Гиспіапо Миза, АГІСА Іппег ТгаскКіпд бувієт Ордгаде// ЕСЕА Нідн І итіпозпйу ІНС

Ехрегтітепів УуогКк5Пор Аїх-Іез Ваіпз. - СЕВМ. 3-6 Осіобрег 2016. - Р. 20-28. 4. Вепедейцо бі Ви27а. ТНе Ріхе! Модиїе Рог Тне Іппег ТгасКіпд Зузіет Орагаде ОТГ АГІСА Аї

ІНС// 121 Ттепію УМ/огке5Ппор оп адмапсеа 5іїйсоп Вадіайоп Оеєїесіог. - Тгтепіо, 20-22 Рергиагу 2017. - Р. 9-16.

Claims (1)

1. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Багатосенсорний модуль на гнучкій комутаційній платі, що містить множину напівпровідникових сенсорів, які об'єднані в електричну схему, багатошарову підставу, що виконана із гнучких фольгованих поліїмідів і яка являє собою комутаційні шари з аналоговими й цифровими колами з контактними площинками й провідниками заземлення, навесні компоненти для поверхневого монтажу, який відрізняється тим, що комутаційні шари виконані з безадгезивних алюміній- поліїмідних фольгованих діелектриків, у яких в алюмінієвих шарах сформовані струмопровідні Зо доріжки і пласкі контакти, а в шарах полімміду сформовані вікна для безпосереднього електричного й механічного з'єднання за допомогою мікрозварювання пласких алюмінієвих контактів комутаційних шарів з контактами сенсорів, а також із пласкими алюмінієвими провідниками заземлення, при цьому алюмінієві комутаційні шари і провідники заземлення алюміній-поліїмідних фольгованих діелектриків мають товщину 10-30 мкм, шари поліїміду - 10- 30 мкм, а гнучкі шари плати складені у вигляді пакету довжиною до 500 мм так, що верхній комутаційний шар із контактними площадками та нижній комутаційний шар із пласкими провідниками заземлення розділені шаром поліїміду товщиною 25-75 мкм, який приклеєний до них адгезивним діелектричним матеріалом. Я ; щ й БІ шк о й щ Шок ДЖ ут, БЕРХУЛІЕУ ЕЕ вив Бо нин хм кеди Му В КК пеооеме я з НИВА НН Не НН НН В НН Не РУКА Н в в а ЕЕ КВН ЕК НН ЕН А НН НЕ НЕ НК НН КОН

   Фіг. 1