IC упаковка: защита полупроводниковых кристаллов для долгосрочной надежности

Быстрый переход:

• Что такое IC упаковка?
• Почему IC упаковка важна?
• Что такое IC упаковка
• Типы IC упаковок
• Соображения дизайна IC
• Какой самый частый тип IC упаковки
• Альтернативные материалы и методы сборки IC упаковки
• Что такое материал ди-аттача (die-attach)?
• Типы сборки проводной связки (Wire Bond Assembly Types)
• Инкапсулянты (Encapsulants)
• Понимание IC упаковки

Для того чтобы полупроводник надежно работал много лет использования, критично для каждого кристалла оставаться защищенным от элементов и возможных стрессов. Это приводит нас к двум вопросам — что такое упаковка интегральной схемы (IC), и почему она необходима для ваших электронных приложений? Если вы работаете в электронной промышленности и не ясны, как материал IC упаковки может работать для вас, вот базовое разложение идеи за IC упаковкой.

Запросить бесплатный расчет

 

Что такое IC упаковка?

IC упаковка относится к материалу, содержащему полупроводниковое устройство. Корпус — это чехол, окружающий материал цепи для защиты от коррозии или физического повреждения и позволяющий монтаж электрических контактов, соединяющих его с печатной платой (PCB). Существует много разных типов интегральных схем, и поэтому есть разные типы дизайнов систем IC упаковки для рассмотрения, так как разные типы дизайнов цепей будут иметь разные потребности когда речь идет об их внешнем чехле.

Почему IC упаковка важна?

IC упаковка — последняя стадия в производстве полупроводниковых устройств. В этот важный этап, полупроводниковый блок получает покрытие корпусом, защищающим IC от потенциально повреждающих внешних элементов и коррозионных эффектов возраста. Корпус по сути — оболочка, спроектированная для защиты блока и также для продвижения электрических контактов, доставляющих сигналы к печатной плате электронного устройства.

Технология IC упаковки эволюционировала с 1970-х когда ball grid array (BGA) упаковки впервые пришли в использование среди производителей упаковки электроники. На заре 21-го века, более новые опции в технологиях упаковки затмили pin grid array упаковки, а именно plastic quad flat pack и thin small outline package. По мере прогресса 2000-х, производители вроде Intel ввели эру land grid array упаковок.

Между тем, flip-chip ball grid arrays (FCBGA), размещающие больше количества выводов, чем другие типы упаковок, заменили BGA. FCBGA содержит входные и выходные сигналы по всей площади кристалла, в отличие от только краев.

Типы IC упаковок

Существует различные способы категоризировать дизайны IC упаковки на основе формирования. Таким образом, есть два типа IC упаковок: lead-frame тип (на выводной раме) и substrate тип (на подложке).

Каковы имена типов IC упаковок?

Позади базового структурного определения IC упаковки, дальнейшие категории отличают вторичные типы интерконнекта. Дальнейшая информация о разных категориях IC упаковок найдена ниже:

• Pin-grid array: для сокетирования.
• Lead-frame и dual-inline упаковки: эти упаковки для сборок, где выводы идут через отверстия.
• Chip scale package: однокристальная, прямая поверхностно-монтируемая упаковка, с площадью меньше 1.2x площади кристалла.
• Quad flat pack: lead-frame упаковка безвыводного типа.
• Quad flat no-lead: крошечная упаковка, размером с кристалл, для поверхностного монтажа.
• Multichip package: мультичип упаковки, или мультичип модули, интегрируют множественные IC, дискретные компоненты и полупроводниковые кристаллы на подложку, делая так, что мультичип упаковка похожа на более крупный IC.
• Area array package: эти упаковки предлагают максимальную производительность, сохраняя пространство, позволяя любой части поверхности кристалла использоваться для интерконнекта.

Важно отметить, что многие компании используют area array упаковки. Главный пример — BGA упаковка, приходящая в различных форматах, включая крошечные chip scale упаковки — иногда называемые QFN упаковками — и более крупные упаковки. BGA конструкция включает органическую подложку, и ее лучшее применение — в мультичип структурах. Мультичип модули и упаковки — ведущие альтернативы решениям, использующим формат system-on-chip. Другие опции включают двухступенчатые и двойные поверхностные интерконнект упаковки.

Дополнительно, категория для вейфер IC сборки, известная как wafer-level packaging (WLP), набрала популярность в отраслевом жаргоне. В wafer-level упаковках, конструкция происходит на лице вейфера, создавая упаковку размером с flip chip. Другой вейфер-уровень пакет — fan-out wafer-level packaging (FOWLP), более продвинутая версия конвенциональных WLP решений. В отличие от WLP где вейфер нарезается после присоединения внешних слоев упаковки, в FOWLP нарезка вейфера происходит первой.

Соображения дизайна IC

Выбор правильной IC упаковки для ваших приложений начинается с знания технической информации о широком спектре соображений дизайна, входящих в производство IC упаковок. Например, вы захотите быть осведомленным о правильных материальных композициях и подложках для вашей IC упаковки. Также важно знать разницу между жесткими и ленточными подложками упаковки. Многие компании также рассматривают использование ламинатов как альтернативы выводным рамам и выбирают подложки, хорошо работающие с металлическими проводниками.

Узнайте больше о некоторых топовых соображениях дизайна ниже.

Материальная композиция

Производительность IC упаковки в значительной степени опирается на ее химический, электрический и материальный состав. Несмотря на их функциональные различия, lead-frame и ламинатные упаковки оба сильно опираются на материальную композицию. Lead-frame упаковки, преобладающий формат, используют серебряные или золотые wire-bond финиши, присоединенные методом спот-платирования. Это делает процесс проще и более доступным.

На керамических упаковках, Alloy 42 — широко используемый тип металла, потому что он работает с базовым материалом. На пластиковых упаковках, медная выводная рама предпочтительна, потому что она защищает паяное соединение и предлагает проводимость. Из-за политик в определенных территориях, материал также один из критических факторов на поверхностно-монтируемых пластиковых упаковках.

Из-за ревизий европейских стандартов, свинцовый финиш был вопросом интенсивного scrutinity на next-level упаковочной сборке. Цель — найти жизнеспособные замены для олово-свинцовых припоев, которые легко наносятся и были долгодавним основой в отрасли. Однако производители еще не унифицировались вокруг единственного решения, частично из-за распространенной конкуренции среди поставщиков. Проблема свинца маловероятно разрешится само собой в ближайшее время.

Альтернатива выводным рамам

Начиная с поздних 1970-х, ламинаты появились как альтернатива выводным рамам в чип-к-плате сборках. Сегодня ламинаты широко распространены по всей отрасли IC упаковочных решений, из-за их относительной стоимоэффективности по сравнению с керамическими подложками. Наиболее популярные ламинаты — органические, высокотемпературные типы, которые предоставляют превосходные электрические характеристики и также более доступны.

Применимые подложки

С ростом популярности полупроводниковых упаковок, также был увеличен спрос на применимые подложки и интерпозеры. Подложка — часть IC упаковки, дающая плате ее механическую прочность и позволяющая соединяться с внешними устройствами. Интерпозер позволяет соединительную маршрутизацию в упаковке. В некоторых случаях слова «подложка» и «интерпозер» взаимозаменяемы.

Разница между жесткими и ленточными подложками упаковки

Подложки упаковки приходят в жестких и ленточных вариантах. Жесткие подложки тверды и определены в своей форме, тогда как ленточные подложки тонкие и гибкие. В ранние дни IC производства, подложки состояли из керамического материала. Сегодня большинство подложек сделаны из органического материала.

Если подложка состоит из множественных тонких слоев, сложенных для формирования жесткой подложки, она известна как ламинатная подложка. Два самых частых ламинатных подложки в IC производстве — FR4 и bismaleimide-triazine (BT). Первая состоит из эпоксиды, вторая — высококлассного смольного материала.

Из-за частично своих изоляционных качеств и низкой диэлектрической постоянной, BT смола появилась в IC отрасли как один из предпочтительных ламинатных материалов. На BGA, BT — наиболее часто используемая из всех подложек. BT также стала предпочтительной смолой для chip scale package (CSP) ламинатов. Тем временем конкуренты по всему миру производят новые эпоксидные и эпоксид-смешанные альтернативы, которые угрожают дать BT бег за его деньгами, возможно снижая цены в целом по мере того как рынок становится более конкурентоспособным в грядущие годы.

Как альтернатива жестким подложкам, ленточные подложки в основном сделаны из полиимида и других типов температурно-стойких, долговечных материалов. Преимущество ленточных подложек — их способность одновременно двигаться и нести цепи, что делает ленточные подложки предпочтительным выбором в дисководах и других устройствах, несущих цепи среди быстрого, постоянного движения. Другое главное преимущество ленточных подложек — их низкий вес, означающий, что они не добавляют даже малейшее измерение тяжести к применяемой поверхности.

Подложки для помощи металлическим проводникам

IC упаковки также должны приходить с металлическими проводниками, которые могут маршрутизировать сигналы к различным интерконнектирующим особенностям. Поэтому существенно для подложек помогать облегчать этот процесс. Подложки маршрутизируют входные и выходные сигналы чипа к другим особенностям на системе в упаковках. Размещение фольги, типично меди, связанной с ламинатами в подложке, достигает металлической проводимости. Иммерсионные слои золота и никеля часто наносятся как финиши поверх меди для предотвращения интердиффузии и окисления.

Каковы самые частые типы IC упаковок?

Выводные рамы — самые частые типы IC упаковок. Вы бы использовали эти упаковки для wire-bond взаимосвязанных кристаллов, с серебряным или золотым-платированным финишем. Для поверхностно-монтируемых пластиковых упаковок производители часто используют медные материалы выводных рам. Медь высокопроводима и экстремально комплаентна, так что может быть выгодной для этого назначения.

Альтернативные материалы и методы сборки IC упаковки

Многие производители пытаются уйти от фактических свинцовых финишей выводных рам IC упаковок, но они были в таком частом использовании так долго, что это трудный переход для некоторых. Самые частые упаковки включают:

• Dual inline packages: dual inline пакет состоит из двух рядов электрических выводов вдоль горизонтальных краев прямоугольного IC куска. Dual inline пакет монтируется на печатную плату либо через through-hole, либо через сокет.
• Small outline packages: thin small outline пакет (TSOP) — IC компонент, состоящий из прямоугольной формы с маленькими выводами вдоль горизонтальных краев. TSOPs распространены на IC, питящих RAM и flash память.
• Quad flat packages: quad flat пакет (QFP) — плоский, квадратный IC компонент с выводами вдоль каждого из четырех краев. QFPs не могут быть through-hole смонтированы, и сокеты редко доступны для упаковок этого типа. QFPs могут иметь от 32 до 304 выводов, в зависимости от диапазона шага. Варианты QFP включают low-profile и thin. Японские производители электроники первыми использовали QFPs в 1970-х, хотя тип упаковки не набрал牵引 в Северной Америке и Европе до ранних 90-х.
• Ball grid arrays: BGA — чип-несущая поверхностно-монтируемая упаковка, обычно видимая в компьютерном оборудовании. В отличие от других IC упаковок, где только периметр может соединяться, вся нижняя поверхность может монтироваться на BGA. Из-за более коротких шариковых соединений, BGA предлагают некоторые из самых высоких скоростей всех IC упаковок. BGA распространены на RAM стиках и USB картах, включая RAM и спикер карты. Процесс пайки на BGA требует прецизии.

Подложечные упаковки, такие как керамические, будут требовать сплав, похожий по коэффициенту термического расширения (CTE) к керамике, как Iconel или Alloy 42. В процессе ди-аттача, мы связываем кристалл с подложкой специальными материалами ди-аттача, которые мы можем использовать в face-up wire-bond сборке. Критично избегать зазоров в присоединенном материале, так как они могут вести к горячим точкам. Хороший материал ди-аттача электрически и термически проводим, делая его идеальным для подложечных упаковок.

Вы бы использовали ламинат вместо этого если вам нужна более высокая производительность или вы имеете дело с высокими I/O подсчетами. Ламинатные упаковки — отличная низкозатратная альтернатива керамическим подложкам и имеют более низкую диэлектрическую постоянную также.

Что такое материал ди-аттача (die-attach)?

Этот тип IC упаковки служит двум первичным функциям. Первая — защитить кристалл от повреждений, которые внешние факторы могут вызвать. Вторая — перераспределить вход и выход к управляемому тонкому шагу. Дополнительно, пакет предоставляет стандартизированную структуру, направляющую термический путь правильно, прочь от стопки кристаллов. Общая структура лучше подходит для электрических тестов и более устойчива к ошибкам.

Материалы ди-аттача — либо жидкие, либо пленочные материалы, которые производители проектируют для избегания выгазирования (outgassing), которое могло бы деградировать качество проводной связи. Эти материалы также служат буфером стресса, так что кристалл не трескается, если КТР не совсем совпадает с подложкой.

Существуют разные методы применения материалов ди-аттача, некоторые более сложные других. Для большинства использований, ди-аттач наносится на сборки, где проводная связка на лице поверхности. Во всех случаях, материалы ди-аттача термически проводимы. На определенных сборках, ди-аттач также предоставляет электрическую проводимость. Для предотвращения точек от превращения слишком горячими вместе с кристаллом, производители вообще ищут предотвратить пустоты в материале. Материалы ди-аттача, как жидкие, так и пленочные, сопротивляются выгазированию и защищают кристаллы от повреждений.

Типы сборки проводной связки (Wire Bond Assembly Types)

Проводные сборки приходят в трех форматах:

• Термо-сжатие связывание (Thermo-compression bonding)
• Термосоник ball bonding (Thermosonic ball bonding)
• Ультразвуковое wedge bonding при комнатной температуре (Room temperature ultrasonic wedge bonding)

Тип сборки проводной связки, который вы выберете, придет с разными возможностями сборки. Проводная связка типично использует золотой провод, хотя вы можете использовать медный провод вместо этого если у вас азото-богатая сборка среда. Wedge-bonding с алюминиевым проводом может быть экономичной альтернативой.

Ультразвуковое связывание начинается с подачи провода через отверстие в поверхности компонента сборки. Процесс включает связку кристалла и подложки.

Термосоническое связывание — процесс для соединения кремниевых IC к компьютерам. Процесс собирает компоненты центральных процессоров, интегрирующих схемы персональных компьютеров и ноутбуков.

Термосонические связи состоят из термических, механических и ультразвуковых энергий. Машины, проводящие этот процесс, содержат преобразователи, трансформирующие электрическую энергию в пьезоэлектричество.

Термо-сжатие связывание — метод, соединяющий два металла через смесь силы и тепла. Метод альтернативно называется вейфер bonding, диффузионное bonding, твердотельное сваркивание и давление joining. Термо-сжатие связывание защищает электрические структуры и устройственные пакеты в avance поверхностного монтажа. Метод включает диффузию поверхности и зернистой границы.

Инкапсулянты (Encapsulants)

Инкапсулянты — последний кусок IC упаковки и служат для защиты проводника и проводов от экологического и физического повреждения. Они могут быть сделаны из эпоксиды или эпоксидных смесей, силикона, полиимида или либо растворительно-базированных, либо комнатной температуры вулканизируемых (RTV). Остальные компоненты, которые вы выберете, будут зависеть от специфических потребностей ваших интегральных схем и ваших приложений.

Печатные платы могут быть уязвимы к электростатической пыли в промышленных и автомобильных средах. Для защиты механических свойств PCB, производители теперь используют инкапсуляционные смолы.

Как защитный барьер, поттинг (potting) и инкапсулянты высокоэффективны в предотвращении пыли и других атмосферных элементов от вреда механизмам PCB. С достаточными смолами, инкапсулянты могут защитить PCB от стрессов вибрации, удара и внешних элементов. Для работы приложения эффективно, смолы должны быть протестированы на их пригодность в различных потенциальных рабочих средах. Функциональность единиц в этих настройках также должна быть оценена.

Как альтернатива поттингу и инкапсуляционным смолам, некоторые производители используют конформальные покрытия (conformal coatings), которые облегают форму каждой платы и предлагают прочность и долговечность, не влияя на вес или размеры PCB. Покрытия обычно тестируются в нормальных атмосферных настройках. Каждый тест ставит эффект данного покрытия на электрические и механические возможности PCB под экзамен.

Материалы инкапсулянтов приходят в трех базовых вариациях. Первичный материал — эпоксид, чистый или смешанный. Эпоксиды состоят из органических смол и обычно доступны, отсюда их популярность среди производителей. Другое широко распространенное материал, используемое в инкапсулянтах IC чипов — силикон, который не углерод-базирован и поэтому не органическая смола. Силиконовые смолы обычно растворительно-базированные. Альтернативно, некоторые смолы комнатной температуры вулканизируемые, и контакт с влагой может их отверждать. Силиконы популярны из-за их гибкости в горячих так и холодных настройках.

Поттинг и инкапсуляционные смолы приходят в нескольких разных формулировках, как и конформальные покрытия. Каждая формулировка сбалансирована для специфического диапазона атмосферных условий. Через тестирование производители могут определить, какие формулировки лучше подходят для конкретных сред. В нормальной ситуации, большинство типов смол и покрытий предложат достаточно защиту для PCB. В более суровых настройках, плата обычно потребует покрытия с специальным материалом, таким как акрил. Если PCB предназначена для использования в погруженной настройке, extra-strength покрытия среди наиболее подходящих опций.

Смолы, сделанные из силикона, предоставляют оптимальную производительность PCB в диапазоне сред. Для PCB дизайнов, силикон обычно предпочтительнее полиуретана или эпоксида. Между теми последними двумя, полиуретан более надежный материал в различных настройках. Полиуретановые смолы могут быть эффективны в морских настройках как защита в погружении в соленую воду.

Понимание IC упаковки

Чтобы держаться на вершине рынка, критично оставаться в курсе трендов в IC упаковке. Таким образом, вы можете оставаться конкурентоспособным и делать правильные инвестиции в рынок материалов IC упаковки. Различные рыночные сегменты влияют на цену, популярность и доступность упаковочных материалов. Дополнительно, тренды на региональном масштабе могут влиять на то, поднимаются и падают ли упаковочные материалы в использовании в определенных углах мира.

Для новостей, статистики и информации о трендах в IC рынке, заинтересованные стороны должны читать Semiconductor and IC Packaging Materials Market отчет, который разбивает вещи согласно категориям и приложениям, все в рамках IC отрасли. Эксперты внутри отрасли используют design data management для сбора и ревью информации о дизайнерских решениях, каждый принося свои инсайты к столу как производители, поставщики и ритейлеры, предоставляя полную картину через ценностную сетку.

В любой данный момент, внезапные, неожиданные события могут влиять на рынок, включая природные катастрофы, изменение климата, политические потрясения, разрушительные технологии и культурные сдвиги. Как заинтересованная сторона на IC фронте, оставаться на вершине IC упаковки требует от вас распознавать тренды касательно производства, поставки, экспорта, импорта, ценообразования, анализа целостности и общего темпа роста упаковочных материалов, и исследовать их регулярно так что вы можете планировать, бюджетировать соответственно и защищать вашу выручку.

IC Упаковка от Millennium Circuits

Как вы видите, есть много элементов к IC упаковке для электронных систем, и как игрок в электронной промышленности, существенно понимать их и оставаться в курсе новых разработок в продвинутой упаковке — особенно касательно как они влияют на ваши компоненты относительно требований производительности. Некоторые аспекты IC упаковки, вероятно, останутся относительно стабильными в грядущие годы, пока другие могут измениться значительно, и вы захотите оставаться впереди игры. Знание, где изменения вероятно придут, позволяет вам реагировать на них лучше.

Если у вас есть вопросы о различных типах IC упаковки или чем-либо связанном с цепями или печатными платами, свяжитесь с экспертами Millennium Circuits сейчас. Мы принимаем огромную гордость в помощи нашим клиентам иметь полное понимание электроники, с которой мы работаем. Мы счастливы предоставить вам информацию о дизайне и верификации, которую вам нужно, так что вы можете делать лучшие решения об электронных компонентах для вашего бизнеса.

 

Запросить бесплатный расчет