ИС Упаковка

Перейти к:

• Что такое упаковка ИС?
• Почему упаковка IC важна?
• Что такое упаковка IC
• Типы пакетов IC
• Соображения по дизайну ИС
• Какой наиболее распространенный тип упаковки IC?
• Альтернативные материалы корпуса ИС и методы сборки
• Что такое материал для прикрепления штампов?
• Типы проволочных соединений
• Инкапсуляторы
• Общие сведения об упаковке интегральных схем

Чтобы полупроводник надежно работал в течение многих лет использования, крайне важно, чтобы каждый чип оставался защищенным от элементов и возможных нагрузок. Это подводит нас к двум вопросам:что такое корпус интегральной схемы (ИС) и почему он необходим для ваших электронных приложений? Если вы работаете в электронной промышленности и не понимаете, как материал для упаковки ИС может работать на вас, вот базовый анализ идеи, лежащей в основе упаковки ИС.

Запросить бесплатное предложение

Что такое упаковка ИС?

Упаковка ИС относится к материалу, который содержит полупроводниковое устройство. Упаковка представляет собой корпус, который окружает материал схемы, чтобы защитить его от коррозии или физического повреждения и позволить установить электрические контакты, соединяющие его с печатной платой (PCB). Существует множество различных типов интегральных схем, поэтому необходимо учитывать различные типы корпусных систем ИС, поскольку разные типы схем имеют разные требования к внешней оболочке.

Почему упаковка IC важна?

Корпус ИС является последним этапом производства полупроводниковых приборов. На этом важном этапе полупроводниковый блок покрывается оболочкой, которая защищает ИС от потенциально повреждающих внешних элементов и коррозионного воздействия возраста. По сути, упаковка представляет собой кожух, предназначенный для защиты блока, а также для продвижения электрических контактов, передающих сигналы на печатную плату электронного устройства.

Технология упаковки ИС развивалась с 1970-х годов, когда производители корпусов для электроники впервые начали использовать корпуса с шариковой решеткой (BGA). На заре 21 века новые варианты технологий упаковки затмили пакеты с массивом штыревой сетки, а именно пластиковая четырехъядерная плоская упаковка и тонкая маленькая упаковка. По мере развития нулевых такие производители, как Intel, открыли эру массивов наземных сетей.

Между тем массивы шаровых решеток с перевернутыми кристаллами (FCBGA), которые вмещают большее количество контактов, чем другие типы корпусов, вытеснили BGA. FCBGA содержит входные и выходные сигналы по всему кристаллу, а не только по краям.

Типы пакетов IC

Существуют различные способы классификации конструкций корпусов ИС в зависимости от формы. Таким образом, существует два типа корпусов ИС:с выводной рамкой и с подложкой.

Как называются типы пакетов IC?

Помимо основного структурного определения пакета ИС, дополнительные категории различают вторичные типы взаимосвязи. Дополнительную информацию о различных категориях пакетов IC можно найти ниже:

• Массив точечной сетки: Они предназначены для сокетов.
• Пакеты с выводной рамкой и двухрядные: Эти пакеты предназначены для сборок, в которых штифты проходят через отверстия.
• Комплект весов для чипов: Корпус в масштабе чипа – это корпус с одним кристаллом, предназначенный для непосредственного поверхностного монтажа, площадь которого в 1,2 раза меньше площади кристалла.
• Четыре плоской упаковки: Пакет с выводной рамкой безвыводного варианта.
• Четырехъядерный без отведения: Крошечный корпус размером с микросхему, используемый для поверхностного монтажа.
• Многочиповый пакет: Многочиповые пакеты или многочиповые модули объединяют несколько ИС, дискретных компонентов и полупроводниковых кристаллов на подложке, благодаря чему многочиповый корпус напоминает более крупную ИС.
• Пакет массива площадей: Эти пакеты обеспечивают максимальную производительность, сохраняя при этом пространство, позволяя использовать любую часть площади поверхности чипа для соединения.

Важно отметить, что многие компании используют пакеты массивов областей. Важнейшим примером в этом отношении является корпус BGA, который поставляется в различных форматах, в том числе в корпусах размером с крошечный чип, иногда называемых корпусами QFN, и в более крупных корпусах. В конструкции BGA используется органическая подложка, и ее лучше всего применять в многочиповых структурах. Многочиповые модули и пакеты являются ведущими альтернативами решениям, использующим формат «система на кристалле». Другие варианты включают в себя пакеты двухэтапного и двухповерхностного соединения.

Кроме того, в отраслевом жаргоне закрепилась категория сборки интегральных схем на основе пластины, известная как упаковка на уровне пластины (WLP). В корпусах на уровне пластины построение происходит на лицевой стороне пластины, создавая корпус размером с флип-чип. Еще одним пакетом на уровне пластины является упаковка на уровне пластины с разветвлением (FOWLP), которая представляет собой более продвинутую версию обычных решений WLP. В отличие от WLP, где вафли нарезаются после прикрепления внешних слоев упаковки, в FOWLP сначала происходит нарезка вафель.

Вопросы по проектированию интегральных схем

Выбор правильного пакета ИС для ваших приложений начинается со знания технической информации о широком спектре проектных соображений, которые учитываются при производстве корпусов ИС. Например, вам нужно знать правильный состав материалов и подложек для вашего корпуса ИС. Также важно знать разницу между жесткими и ленточными носителями упаковки. Многие компании также рассматривают возможность использования ламината в качестве альтернативы выводным рамкам и выбирают подложки, которые хорошо работают с металлическими проводниками.

Узнайте больше о некоторых из основных соображений дизайна ниже.

Композиция материала

Производительность корпуса ИС во многом зависит от его химического, электрического и материального состава. Несмотря на свои функциональные различия, упаковки с выводной рамкой и ламината в значительной степени зависят от состава материала. Пакеты со свинцовой рамкой, преобладающий формат, используют серебряную или золотую проволочную отделку, прикрепленную методом точечного покрытия. Это делает процесс проще и доступнее.

В керамических корпусах Alloy 42 является широко используемым типом металла, потому что он работает с основным материалом. В пластиковых корпусах предпочтительнее использовать медные выводы, поскольку они защищают паяное соединение и обеспечивают проводимость. Из-за правил, действующих на определенных территориях, материал также является одним из критических факторов для пластиковых упаковок для поверхностного монтажа.

Из-за пересмотра европейских стандартов свинцовая отделка стала предметом пристального внимания при сборке упаковки следующего уровня. Цель состояла в том, чтобы найти жизнеспособную замену оловянно-свинцовым припоям, которые легко наносятся и долгое время были основным продуктом в отрасли. Однако производителям еще предстоит объединиться вокруг единого решения, отчасти из-за широко распространенной конкуренции среди поставщиков. Проблема с лидами вряд ли решится сама собой в ближайшее время.

Альтернатива лид-фреймам

Начиная с конца 1970-х годов, ламинаты появились как альтернатива выводным рамкам в сборках чип-плата. Сегодня ламинаты широко распространены в индустрии упаковочных решений для интегральных схем из-за их относительной экономической эффективности по сравнению с керамическими подложками. Самые популярные ламинаты — это органические, высокотемпературные ламинаты, которые обеспечивают превосходные электрические характеристики, а также являются более доступными.

Применимые подложки

На фоне роста популярности полупроводниковых корпусов также возрос спрос на соответствующие подложки и переходники. Подложка — это часть корпуса ИС, которая придает плате механическую прочность и позволяет ей подключаться к внешним устройствам. Промежуточный модуль включает соединительную маршрутизацию в пакете. В некоторых случаях слова «подложка» и «переходник» взаимозаменяемы.

Разница между жесткими и ленточными носителями

Подложки для упаковки бывают жесткими и ленточными. Жесткие подложки прочны и имеют определенную форму, тогда как ленточные подложки тонкие и гибкие. На заре производства ИС подложки состояли из керамического материала. Сегодня большинство подложек изготавливается из органических материалов.

Если подложка состоит из нескольких тонких слоев, уложенных друг на друга и образующих жесткую подложку, она называется ламинатной подложкой. Двумя наиболее распространенными ламинатными подложками в производстве ИС являются FR4 и бисмалеимид-триазин (BT). Первый состоит из эпоксидной смолы, а второй представляет собой высококачественный полимерный материал.

Частично благодаря своим изоляционным качествам и низкой диэлектрической проницаемости смола BT стала одним из популярных материалов для ламинирования в производстве интегральных схем. В BGA чаще всего используется BT из всех подложек. BT также стал излюбленной смолой для ламинатов CSP. Между тем, конкуренты по всему миру производят новые альтернативные эпоксидные смолы и эпоксидные смеси, которые угрожают BT конкурировать с деньгами, возможно, снижая цены в целом, поскольку рынок становится более конкурентным в ближайшие годы.

В качестве альтернативы жестким подложкам ленточные подложки в основном изготавливаются из полиимида и других термостойких и прочных материалов. Преимущество ленточных подложек заключается в их способности одновременно перемещать и переносить схемы, что делает ленточные подложки предпочтительным выбором для дисководов и других устройств, которые переносят схемы при быстром и постоянном движении. Другим основным преимуществом ленточных подложек является их малый вес, что означает, что они не добавляют ни малейшего веса наклеиваемой поверхности.

Подложки для металлических проводников

Корпуса ИС также должны иметь металлические проводники, которые могут направлять сигналы на различные соединительные элементы. Поэтому очень важно, чтобы субстраты облегчали этот процесс. Подложки направляют входные и выходные сигналы чипа к другим функциям системы в пакетах. Размещение фольги, обычно медной, которая приклеивается к ламинату в подложке, обеспечивает металлическую проводимость. Поверх меди часто наносят иммерсионные слои золота и никеля для предотвращения взаимной диффузии и окисления.

Какие типы пакетов IC наиболее распространены?

Выводные рамки являются наиболее распространенными типами корпусов ИС. Вы можете использовать эти пакеты для соединенных проволокой штампов с серебряным или позолоченным покрытием. Для пластиковых корпусов для поверхностного монтажа производители часто используют медные материалы для выводной рамки. Медь обладает высокой проводимостью и чрезвычайно податлива, поэтому она может быть полезна для этой цели.

Альтернативные материалы корпуса ИС и методы сборки

Многие производители пытаются отказаться от настоящих корпусов ИС с выводной рамкой, но они так часто используются так долго, что для некоторых это является трудным переходом. Наиболее распространенные пакеты включают следующее:

• Двойные встроенные пакеты: Двойной линейный корпус состоит из двух рядов электрических контактов вдоль горизонтальных краев прямоугольной микросхемы. Двойной линейный корпус крепится к печатной плате либо через сквозное отверстие, либо через разъем.
• Небольшие контурные пакеты: Тонкий малогабаритный корпус (TSOP) представляет собой компонент ИС, который состоит из прямоугольной формы с небольшими штырями вдоль горизонтальных краев. TSOP часто встречаются в микросхемах, питающих ОЗУ и флэш-память.
• Четыре плоских упаковки: Счетверенный плоский корпус (QFP) представляет собой плоский квадратный компонент ИС с выводами вдоль каждого из четырех краев. QFP нельзя монтировать в сквозное отверстие, а гнезда для корпусов этого типа редко доступны. QFP могут иметь от 32 до 304 контактов, в зависимости от диапазона шага. Варианты QFP включают низкопрофильные и тонкие. Японские производители электроники впервые использовали QFP в 1970-х годах, однако этот тип упаковки не получил распространения в Северной Америке и Европе до начала 1990-х годов.
• Массивы сетки шаров: BGA — это корпус для поверхностного монтажа с чипом, который обычно используется в компьютерном оборудовании. В отличие от других корпусов ИС, где можно соединить только периметр, вся нижняя поверхность может быть установлена ​​на BGA. Из-за более коротких шаровых соединений BGA обеспечивают одни из самых высоких скоростей среди всех корпусов ИС. BGA широко распространены на картах RAM и USB-картах, включая карты RAM и динамиков. Процесс пайки BGA требует точности.

Для корпусов подложек, таких как корпуса на керамической основе, потребуется сплав, который по коэффициенту теплового расширения (КТР) аналогичен керамическому, например, Iconel или Alloy 42. В процессе крепления штампа мы прикрепляем штамп к подложке с помощью специального штампа. -прикрепите материалы, которые мы можем использовать при сборке проволокой лицом вверх. Крайне важно избегать зазоров в прикрепленном материале, так как они могут привести к горячим точкам. Хороший материал для крепления к кристаллу является электро- и теплопроводным, что делает его идеальным для корпусов подложек.

Вместо этого вы можете использовать ламинат, если вам нужна более высокая производительность или вы имеете дело с большим количеством операций ввода-вывода. Корпуса из ламината являются отличной недорогой альтернативой керамическим подложкам, а также имеют более низкую диэлектрическую проницаемость.

Что такое материал для прикрепления штампов?

Этот тип корпуса ИС выполняет две основные функции. Во-первых, защитить штамп от повреждений, которые могут вызвать внешние факторы. Второй заключается в перераспределении входных и выходных данных с управляемым точным шагом. Кроме того, корпус имеет стандартизированную структуру, которая правильно направляет тепловые пути от сложенного кристалла. В целом конструкция лучше подходит для электрических испытаний и более устойчива к ошибкам.

Материалы для присоединения штампов представляют собой либо жидкие, либо пленочные материалы, которые производители разрабатывают таким образом, чтобы избежать выделения газов, что может ухудшить качество соединения проводов. Эти материалы также служат в качестве буфера напряжения, поэтому матрица не разрушается, если КТР не совсем соответствует подложке.

Существуют различные методы нанесения материалов для прикрепления штампов, некоторые из которых сложнее, чем другие. В большинстве случаев крепление штампом применяется к сборкам, где проволочное соединение находится на лицевой поверхности. Во всех случаях материалы для крепления к штампу являются теплопроводными. В некоторых сборках крепление к штампу также обеспечивает электропроводность. Чтобы пятна не нагревались вместе с матрицей, производители обычно стараются не допускать образования пустот в материале. Материалы для крепления штампов, как жидкие, так и пленочные, устойчивы к выделению газов и защищают штампы от повреждений.

Типы проволочных соединений

Проволочные сборки бывают трех форматов:

• Термокомпрессионное соединение
• Термозвуковое склеивание шариков
• Ультразвуковая клиновидная сварка при комнатной температуре

Выбранный вами тип соединения проводов будет иметь различные возможности сборки. Для проволочного соединения обычно используется золотая проволока, хотя вместо нее можно использовать медную проволоку, если среда сборки богата азотом. Соединение клиньев алюминиевой проволокой может быть экономичной альтернативой.

Ультразвуковое соединение начинается с подачи проволоки через отверстие в поверхности сборки компонента. Процесс включает соединение матрицы и подложки.

Термозвуковое соединение — это процесс, используемый для соединения кремниевых ИС с компьютерами. В процессе собираются компоненты центральных процессоров, которые объединяют схемы персональных компьютеров и ноутбуков.

Термозвуковые связи состоят из тепловой, механической и ультразвуковой энергии. Машины, осуществляющие этот процесс, содержат преобразователи, преобразующие электрическую энергию в пьезоэлектричество.

Термокомпрессионное соединение — это метод, при котором два металла соединяются с помощью сочетания силы и тепла. Этот метод попеременно называют сваркой пластин, диффузионной сваркой, сваркой в ​​твердом состоянии и соединением давлением. Термокомпрессионное соединение защищает электрические конструкции и блоки устройств перед монтажом на поверхность. Метод включает диффузию поверхности и границы зерна.

Инкапсуляторы

Герметики являются последней частью корпуса ИС и служат для защиты проводника и проводов от внешних и физических повреждений. Они могут быть изготовлены из эпоксидной смолы или смесей эпоксидных смол, силикона, полиимида или вулканизируются на основе растворителя или при комнатной температуре. Остальные компоненты, которые вы выберете, будут зависеть от конкретных потребностей ваших интегральных схем и ваших приложений.

Печатные платы могут быть уязвимы для электростатической пыли в промышленных и автомобильных условиях. Чтобы защитить механические свойства печатных плат, производители теперь используют герметизирующие смолы.

В качестве защитного барьера герметики и герметики очень эффективны для предотвращения повреждения механизмов ПХД пылью и другими атмосферными элементами. При достаточном количестве смол герметики могут защитить печатные платы от вибрации, ударов и воздействия внешних факторов. Чтобы приложение работало эффективно, смолы должны быть протестированы на предмет их пригодности в различных потенциальных рабочих условиях. Функциональность объектов в этих настройках также должна быть оценена.

В качестве альтернативы заливочным и герметизирующим смолам некоторые производители используют конформные покрытия, которые плотно прилегают к форме каждой платы и обеспечивают прочность и долговечность, не влияя на вес или размеры печатной платы. Покрытия обычно тестируются в нормальных атмосферных условиях. Каждое испытание определяет влияние данного покрытия на электрические и механические характеристики исследуемой печатной платы.

Герметизирующие материалы бывают трех основных разновидностей. Основным материалом является эпоксидная смола, чистая или смешанная. Эпоксидные смолы состоят из органических смол и, как правило, доступны по цене, отсюда и их популярность среди производителей. Другим широко распространенным материалом, используемым в герметизирующих микросхемах ИС, является силикон, который не основан на углероде и, следовательно, не является органической смолой. Силиконовые смолы обычно изготавливаются на основе растворителей. С другой стороны, некоторые смолы вулканизируются при комнатной температуре, и контакт с влагой может их отверждать. Силиконы популярны благодаря своей гибкости как в горячих, так и в холодных условиях.

Заливочные и герметизирующие смолы бывают нескольких различных составов, как и конформные покрытия. Каждый состав сбалансирован для определенного диапазона атмосферных условий. С помощью испытаний производители могут определить, какие составы лучше всего подходят для конкретных условий. В обычной ситуации большинство типов смол и покрытий обеспечивают достаточную защиту печатной платы. В более суровых условиях доска обычно требует покрытия специальным материалом, например акрилом. Если печатная плата предназначена для использования в погруженных условиях, наиболее подходящим вариантом является покрытие повышенной прочности.

Смолы на основе силикона обеспечивают оптимальную производительность печатных плат в различных условиях. Для конструкций печатных плат силикон обычно предпочтительнее полиуретана или эпоксидной смолы. Между двумя последними полиуретан является более надежным материалом в различных условиях. Полиуретановые смолы могут быть эффективными в морских условиях в качестве защиты от погружения в соленую воду.

Понимание упаковки микросхем

Чтобы оставаться на вершине рынка, крайне важно быть в курсе тенденций в области упаковки интегральных схем. Таким образом, вы сможете оставаться конкурентоспособными и делать правильные инвестиции на рынке упаковочных материалов для интегральных схем. Различные сегменты рынка влияют на цену, популярность и доступность упаковочных материалов. Кроме того, тенденции в региональном масштабе могут влиять на рост или снижение использования упаковочных материалов в определенных уголках мира.

Чтобы ознакомиться с новостями, статистикой и информацией о тенденциях на рынке ИС, заинтересованным сторонам следует ознакомиться с отчетом о рынке полупроводников и упаковочных материалов для ИС, в котором все разбито по категориям и приложениям, и все это в рамках отрасли ИС. Эксперты в отрасли используют управление проектными данными для сбора и анализа информации о проектных решениях, каждый из которых представляет свои идеи в качестве производителя, поставщика и розничного продавца и предоставляет полную картину по всей сетке создания ценности.

В любой момент на рынок могут повлиять внезапные, неожиданные события, включая стихийные бедствия, изменение климата, политические потрясения, прорывные технологии и культурные сдвиги. Как заинтересованная сторона на фронте IC, чтобы оставаться на вершине упаковки IC, вы должны распознавать тенденции, касающиеся производства, поставок, экспорта, импорта, ценообразования, анализа целостности и общего темпа роста упаковочных материалов, и регулярно проверять их, чтобы вы могли планировать , планируйте бюджет соответствующим образом и защитите свой доход.

Упаковка ИС от Millennium Circuits

Как видите, корпус микросхемы для электронных систем состоит из множества элементов, и, как игроку в электронной промышленности, важно понимать их и быть в курсе новых разработок в области передовых корпусов, особенно в том, что касается того, как они влияют на ваши компоненты в отношении требований к производительности. . Некоторые аспекты упаковки ИС, вероятно, останутся относительно стабильными в ближайшие годы, в то время как другие могут значительно измениться, и вы захотите оставаться впереди игры. Зная, где могут произойти изменения, вы сможете лучше реагировать на них.

Если у вас есть какие-либо вопросы о различных типах корпусов ИС или о чем-либо, связанном со схемами или печатными платами, свяжитесь со специалистами Millennium Circuits прямо сейчас. Мы очень гордимся тем, что помогаем нашим клиентам получить полное представление об электронике, с которой мы работаем. Мы будем рады предоставить вам необходимую информацию о конструкции и проверке, чтобы вы могли принимать наилучшие решения в отношении электронных компонентов для своего бизнеса.

Запросить бесплатное предложение