Pakowanie układów scalonych: Co to jest i dlaczego potrzebujesz go dla swoich urządzeń elektronicznych?

Pakowanie układów scalonych-Kiedy widzisz słowo; opakowanie IC, co jest pierwszą rzeczą, która przychodzi Ci na myśl?

Oczywiście, ochrona. A może bezpieczeństwo. Niezależnie od tego, jakie słowo wybierzesz, jest ono dopuszczalne. A to dlatego, że opakowania IC umożliwiają dłuższą żywotność półprzewodników.

Jeśli jesteś inżynierem, powinieneś o nich wiedzieć. I pomogłoby, gdybyś używał ich, aby twój półprzewodnik działał przez wiele lat bez rozwijania wad.

Nie szkodzi, jeśli nie wiesz o pakowaniu układów scalonych. Mówilibyśmy o tym obszernie w dalszej części tego postu.

Ale jak to działa?

Pakowanie układów scalonych sprawia, że każdy układ scalony na płytce PCB jest chroniony przed ewentualnymi naprężeniami i żywiołami.

Tak więc, czy jesteś gotowy na jakąś dogłębną wiedzę na temat pakowania układów scalonych? W takim razie przejdźmy do artykułu.

1. Czym jest pakowanie układów scalonych?

Zdefiniujemy opakowanie IC, znane również jako opakowanie układu scalonego, w prostych słowach.

Tak więc odnosi się ono do każdego komponentu, który posiada urządzenie półprzewodnikowe. A opakowanie jest obudową, która otacza urządzenie układu. Ponadto, jego głównym celem jest zapobieganie urządzeniu z:

Fizycznym uszkodzeniem

Korozji

Ale to nie wszystko.

Służy również jako platforma, która umożliwia stykom elektrycznym na nim zamontowanym połączenie z płytką drukowaną.

Jeśli chodzi o pakowanie układów scalonych, należy rozważyć różne opcje. A to ze względu na różne dostępne obwody. Również te obwody mają inne wymagania ze względu na ich zewnętrzną powłokę.

Na jakim etapie niezbędne jest pakowanie układów scalonych?

Zazwyczaj opakowanie IC jest ostatnim etapem produkcji urządzeń półprzewodnikowych. Stąd na tym etapie komponent półprzewodnikowy jest chroniony w obudowie. I to opakowanie obudowy robi jedną rzecz. Chroni układ scalony przed ewentualnym uszkodzeniem przez elementy zewnętrzne. Dodatkowo, chroni go przed korozją.

Tak więc, sprawa wygląda następująco.

Pakiet obudów jest obudową. Jest odpowiedzialny za ochronę bloku urządzenia. A także pomaga promować istotne elementy. Jednym z nich są styki elektryczne. Komponenty te pomagają w przenoszeniu sygnałów do płytki drukowanej urządzenia elektronicznego.

Historia pakowania układów scalonych

Od lat 70-tych XX wieku technologia pakowania układów scalonych odnotowuje stały wzrost. Początkowo były to opakowania typu BGA (ball grid array). I większość producentów elektroniki również go używała.

Ale później, na początku XXI wieku, nowsze odmiany wyprzedziły pakiety pin-grid array.

Nowe odmiany nazwali:

Plastic quad flat pack

Cienki pakiet o małym obrysie

W miarę upływu czasu, kilka manufaktur, jak Intel, wprowadziło do istnienia pakiety typu land grid array.

W międzyczasie pakiety flip-chip ball grid arrays (FCBGAs) prześcignęły BGAs. A to dlatego, że FCBGAs mieszczą więcej pinów niż inne konstrukcje pakietów.

Ponadto, FCBGA ma sygnały wejściowe i wyjściowe powyżej kompletnej matrycy, w przeciwieństwie do krawędzi.

2. Różne rodzaje opakowań układów scalonych

Istnieje około dziesięciu różnych typów opakowań układów scalonych. Ale w tym artykule wymienimy cztery.

2.1 Opakowania z otworami przelotowymi

To opakowanie IC jest strukturą montażową używaną dla części elektronicznych. Obejmują one użycie ołowiu (Pb) na częściach, które wkłada się do wywierconych otworów w PCB.

Zostają one również przyklejone do podkładek na odwrotnej stronie. A dzieje się to za pomocą zmechanizowanych maszyn do montażu wkładek. Lub poprzez zastosowanie montażu ręcznego, czyli umieszczanie ręczne.

Opakowania do montażu przelotowego są idealne dla części, które nie nadają się do montażu powierzchniowego. Przykładem mogą być termiczne półprzewodniki mocy i duże transformatory.

2.2 Opakowania do montażu powierzchniowego

Montaż powierzchniowy IC odnosi się do metody, w której komponenty elektryczne są montowane bezpośrednio na zewnętrznej stronie PCB.

Każde urządzenie elektryczne, które wykorzystuje tę metodę pakowania IC jest urządzeniem do montażu powierzchniowego (SMD).

Ponadto, pojawienie się technologii pakowania w montażu powierzchniowym pochłonęło pakowanie w montażu przelotowym.

Dlaczego tak się stało?

Dlatego, że SMT wspierała zwiększoną automatyzację produkcji. I umożliwia poprawę jakości i redukcję kosztów.

Ale to nie Wszystko.

Opakowania do montażu powierzchniowego mają platformę, która pozwala na dopasowanie większej liczby komponentów do określonej powierzchni.

Ponadto, w porównaniu do montażu przelotowego, SMT jest mniejsze. A to dlatego, że ma mniejsze wyprowadzenia lub nie ma ich wcale. Ponadto posiada następujące cechy:

Płaskie styki.

Ołów w różnych stylach lub krótkie piny

Zakończenia na zewnętrznej stronie komponentu

Matrycę kulek lutowniczych

2.3 Opakowania Chip-Scale

Inną nazwą dla opakowań Chip-Scale jest opakowanie typu chip-size. Nazwa ta pochodzi od tego, że jest to jedno z niewielu opakowań, które występują w rozmiarze chipa.

Ale to nie Wszystko.

Aby pakiet IC został zakwalifikowany jako chip-scale, musi spełniać następujące kryteria:

Być pojedynczym elementem (single-die)

Być przeznaczony do bezpośredniego montażu powierzchniowego

Powierzchnia mniejsza niż 1,2 raza od wielkości matrycy.

W 1993 roku Gen Murakami z Hitachi Cable i Junichi Kasai z Fujitsu zaproponowali powyższą koncepcję. Jednak to Mitsubishi Electric stworzyło pierwsze demo koncepcyjne.

Ale to nie Wszystko.

Technologia na skalę chipową wymaga następujących elementów:

Po pierwsze, interpozytor, gdzie formuje się kulki lub pady, musi trzymać matrycę. I to opakowanie jest podobne do technologii pakowania tablic kulkowych flip-chipów.

Po drugie, pady mogą być nadrukowane lub wytrawione bezpośrednio na płytce krzemowej. I w ten sposób uzyskuje się opakowanie, które ma niemalże rozmiar krzemowej matrycy. Doskonałym przykładem takiego opakowania jest water-level chip-scale package (WL-CSP) lub water-level package (WLP).

W latach 90. ubiegłego wieku rozpoczęto produkcję WL-CSP. Jednak wiele firm rozpoczęło jego masową produkcję na początku lat 2000. Advanced Semiconductor Engineering jest doskonałym przykładem firmy, która masowo produkowała WL-CSP.

2.4 Pakowanie układów scalonych-Pakowanie układów scalonych-Siatka kulkowa

Ball grid array to rodzaj opakowania wykorzystywany do trwałego montażu mikroprocesorów.

Ale to nie Wszystko.

Pakiet zapewnia również więcej pinów połączeniowych niż pakiet płaski lub podwójny w linii.

Stąd też najlepszą częścią tego pakietu jest:

Można wykorzystać całą dolną powierzchnię, a nie tylko obwód. A ślady łączące się z pakietem prowadzą do kulek lub przewodów.

To nie Wszystko.

Te kulki lub druty łączą matrycę z przeciętnie krótszymi pakietami, które są tylko na obwodzie. W końcu pakiet przynosi większą prędkość i lepszą wydajność.

Ponadto, jako inżynier, potrzebujesz precyzyjnej kontroli, aby lutować urządzenia BGA. A to z powodu bardzo delikatnego układu. Tak więc większość firm trzyma się zautomatyzowanych procesów, aby uniknąć błędów.

3. Jakie są wymagane materiały dla pakietów IC i tryb montażu

Wymagane materiały używane do budowy różnych pakietów IC są kluczowe.

Dlaczego?

To dlatego, że trzy czynniki tworzą fundamenty pakietu. Są to:

Właściwości chemiczne

Właściwości fizyczne

elektryczność (właściwości elektryczne)

Ale to nie wszystko

Wydajność pakietu jest również czynnikiem ograniczającym

Dowiedzmy się więcej o trzech głównych materiałach opakowaniowych

3.1 Pakowanie układów scalonych-Dla materiału ramy odniesienia

Materiał ramy linii odniesienia jest głównym materiałem opakowania IC Dlatego inżynierowie używają ich głównie do wiązania linii odniesienia i wiązania linii odniesienia Idealnym przykładem jest złoto lub srebro

Wykończenia te są powlekane wewnętrznym obszarem spawania metodą powlekania punktowego Dzięki temu zaoszczędzisz mnóstwo pieniędzy To dlatego, że metale szlachetne nie są łatwe do połączenia z uszczelniaczem

3.2 W przypadku uszczelnień ceramicznych

Inconel lub Alloy 42 to typowy wybór opakowań ceramicznych Dlaczego, Pułkowniku Ponieważ istnieje związek między stopem a CTE Ze względu na kruchość ceramiki, ścisłe dopasowanie jest kluczową cechą

Jednak niskie CTE mogą mieć szkodliwy wpływ na rekwizyty Sytuacja będzie jeszcze gorsza, jeśli zostaną zainstalowane ostateczne komponenty oprawy montażowej powierzchni Jednak wielkość CTE odgrywa ważną rolę Możemy połączyć wszystko z niezgodnością większości typowych płyt PCB

Należy również zauważyć, że metale niskiego CTE mają dobrą reputację jako ramy odniesienia Są idealne dla plastikowych opakowań DIP i ceramicznych

Jednak materiał ramy odniesienia miedzi jest zazwyczaj idealnym wyborem dla opakowań z tworzywa sztucznego Dzieje się tak, ponieważ są w stanie zapewnić zgodność z przepisami, aby zapewnić, że połączenia lutowane będą przenoszone

Ale to nie Wszystko

Miedź ma większą przewodność elektryczną, co jest wielką przewagą

Pakowanie układów scalonych-Materiał warstwowy 3.3

W przypadku pakietów IC można zastąpić materiał laminowany ramką odniesienia Są one przydatne w przypadku dużej liczby operacji we/ wy Może szukacie wysokiej wydajności

Ale powinieneś wiedzieć

od końca lat 70-tych Następnie używają ich w układach chipowych Więc jeśli przyjrzycie się chipowi, zauważycie coś Udostępnia wszystkie niezbędne elementy w jednym pakiecie

Poza tym, ma torbę, która znajduje się tam, gdzie była

Ponadto opakowanie laminowane jest opłacalnym wyborem Jest nawet tańszy niż cienkie i grube płyty ceramiczne Więc większość inżynierów używa go szeroko ze względu na wartość ekonomiczną

Ponadto inżynierowie wolą nowe, cieplejsze laminaty organiczne a nie tylko dlatego, że cena/ wydajność jest wysoka ale mają lepsze właściwości elektryczne Dobrym przykładem jest niska stała dielektryczna

4. Chip podłączony do materiału

Materiał do dołączenia rdzenia rury jest doskonały w przypadku łączenia rdzenia z płytą fundamentową Na początku wydaje się to łatwe, ale ma wiele wymagań w zależności od zastosowań

Jednak w większości przypadków umieszczenie chipa jest idealnym rozwiązaniem do montażu wiązania linii odniesienia skierowanego do góry Więc jest to przewodnik cieplny ale w niektórych przypadkach jest to przewodzący przewodnik

Ponadto proces połączenia chipa musi być niedostępny w materiale połączeniowym Dzięki temu można uniknąć gorących punktów na chipie Im więcej mocy chipa, tym więcej wartości

5. Pakowanie układów scalonych-Środki uszczelniające

Środek uszczelniający jest bardziej jak ostatnia część opakowania IC Więc jego główną funkcją jest ochrona Uszczelnienia chronią delikatne połączenia i chipy przed uszkodzeniami środowiskowymi i fizycznymi

Trzeba więc używać tego precyzyjnie i ostrożnie Dzięki temu można zapobiec przepływowi przewodów, co może spowodować zwarcie przewodów

Ale to nie Wszystko

W przypadku opakowań IC dostępne są trzy podstawowe typy materiałów opakowaniowych

5.1 Mieszanki epoksydowe i epoksydowe

Epoksydy i mieszanki epoksydowe są dość popularne wśród producentów. W końcu żywice organiczne są najbardziej rozpowszechnione w zastosowaniach konstrukcyjno-inżynieryjnych. Plus, to korzystne połączenie wydajności cieplnej i właściwości przy niskiej cenie.

5.2 Pakowanie układów scalonych-Materiały silikonowe

Materiały silikonowe są drugimi co do popularności materiałami kapsułkującymi. Są one przydatne w przypadku układów scalonych. Bez wątpienia, sposób przetwarzania i utwardzania materiałów silikonowych jest podobny do żywic organicznych.

Ale ten materiał nie jest żywicą organiczną.

Istnieją dwa podstawowe rodzaje żywic silikonowych:

Wulkanizowane w temperaturze pokojowej (RTV)

Na bazie rozpuszczalnika

Można też uzyskać utwardzenie (przekształcenie silikonu w ciało stałe) za pomocą różnych mechanizmów. I zależy to od rodzaju materiału silikonowego, który wybierzesz.

Jeśli chodzi o room-temperature-vulcanizable, to można go utwardzić albo przez:

Dodanie katalizatora

Wystawienie na działanie wilgoci (wilgotność pokojowa)

Z drugiej strony, najczęstszym sposobem, w jaki możesz utwardzić żywice rozpuszczalnikowe, jest metoda termiczna. Jednak żywice rozpuszczalnikowe można utwardzać dopiero po odparowaniu rozpuszczalnika.

Żywice silikonowe są popularnym wyborem dla CSP dążących do uzyskania zgodności. A to dlatego, że żywice te są elastyczne w zakresie temperatur (-650 do 1500C).

5.3 Polyimide

Ten enkapsulant nie jest tak popularny jak poprzednie na tej liście. Rzadko też można go znaleźć w recepturach klejów die-attach. Ale jest dość powszechny, jeśli chodzi o elastyczne PCB. I to sprawia, że wspaniały wybór dzięki jego korzystnych cech, takich jak:

Niezwykła odporność na chemikalia

Imponujące właściwości elektryczne

Wyjątkowa trwałość

Doskonała wytrzymałość na rozciąganie

Stabilność w szerokim zakresie temperatur

Duża odporność na temperaturę

Szeroki zakres temperatur pracy od -2000 do 3000C

6. Pakowanie układów scalonych-Łączenie drutów

Klejenie drutu jest procesem przydatnym do produkcji urządzeń półprzewodnikowych. Polega on również na wykonywaniu połączeń między układem scalonym lub innym urządzeniem półprzewodnikowym a jego opakowaniem.

Klejenie drutu jest również przydatne, jeśli planujesz połączyć układ scalony z inną elektroniką. Lub jeśli chcesz stworzyć połączenie między dwoma płytkami drukowanymi. Metoda ta jest najbardziej opłacalna. I można go używać przy częstotliwościach powyżej 100Hz.

Następujące materiały składają się na przewody łączące:

Srebro

Aluminium

Złoto

Miedź

Złote druty są dość powszechne w klejeniu przewodów. Ale jeśli masz środowisko montażowe bogate w azot, drut miedziany jest dobrą opcją.

Jeśli chcesz ekonomiczną alternatywę, możesz zaklinować wiązanie za pomocą drutu aluminiowego.

Zespoły w wiązaniu drutowym występują w trzech formatach:

Ultradźwiękowe klejenie klinowe w temperaturze pokojowej

Wiązanie termokompresyjne

Termosoniczne klejenie kulkowe

Wiązanie ultradźwiękowe obejmuje matrycę i podłoże. Dodatkowo, zaczyna się od wykorzystania otworu w powierzchni zespołu komponentów do podawania drutu.

Jeśli chcesz połączyć krzemowe układy scalone w komputerach, idealnym rozwiązaniem jest użycie klejenia termosonicznego. A procedura pomaga w montażu komponentów procesorów. W związku z tym integruje układy scalone laptopów i komputerów PC.

Klejenie termokompresyjne polega na łączeniu dwóch metali za pomocą mieszanki ciepła i siły. Proces ten pomaga chronić pakiety urządzeń i struktury elektryczne przed montażem powierzchniowym.

7. Pakowanie układów scalonych-Łączenie płytek (Wafer bonding)

Klejenie waflowe działa na poziomie wafla. Jest ono przydatne do produkcji:

Optoelektroniki

Systemy mikroelektromechaniczne (MEMS)

Mikroelektronika

Systemów nanoelektromechanicznych (NEMS).

Ta technologia pakowania zapewnia stabilną mechanicznie i hermetycznie zamkniętą obudowę. Do tego jego zakres średnic wynosi 12 cali przy produkcji urządzeń mikroelektronicznych. W przeciwieństwie do tego, MEMS/NEMS ma zakres średnic od 4 do 8 cali.

Wafer bonding pomaga chronić wrażliwe struktury wewnętrzne NEMS i MEMS przed wpływami środowiska. Przykładowe wpływy środowiskowe to:

Gatunki utleniające

Temperatura

Wilgoć

Wysokie ciśnienie

Tak więc, opakowanie powinno spełniać następujące wymagania:

Rozpraszanie ciepła

Optymalne utrzymanie przepływu energii i informacji

Włączenie elementów o różnych technologiach

Ochrona przed wpływami środowiska

Kompatybilność z otaczającymi peryferiami

8. Pakowanie układów scalonych-Projektowanie opakowań układów scalonych

Projektowanie opakowań układów scalonych nowej generacji jest najlepszym sposobem na osiągnięcie następujących celów:

Gęstość funkcjonalna

Integracja heterogeniczna

Skalowanie krzemowe

Ponadto, w przypadku wielu zastosowań, jest to idealne rozwiązanie dla zmniejszenia całkowitego rozmiaru opakowania.

W związku z tym, homogeniczne i heterogeniczne pakowanie układów scalonych zapewnia drogę do osiągnięcia następujących celów:

Szybszy czas wprowadzania na rynek

Odporność na zużycie krzemu

Zwiększonej funkcjonalności urządzenia

Obecnie pojawiły się różne platformy technologiczne układów scalonych, które spełniają następujące wymagania:

Wysoka wydajność

Optymalizacja zasilania

Efektywność kosztowa

I zaspokajają potrzeby różnych branż takich jak:

Sztuczna inteligencja (AI)

Obliczenia o wysokiej wydajności (HPC)

Aerospace

Medycyna

IoT

Obliczenia mobilne

Motoryzacja

5G

Wirtualna rzeczywistość (VR)

Rzeczywistość rozszerzona (AR)

Musimy jednak zauważyć jedną rzecz dotyczącą nowych technologii pakowania układów scalonych.

Przynoszą one wyjątkowe wąskie gardła dla przestarzałych metodologii i narzędzi projektowych.

Tak więc, jeśli twój zespół projektowy musi używać tych nowych opakowań IC, musi zrobić jedną rzecz.

Musi pracować nad optymalizacją i weryfikacją całego systemu inżynieryjnego. Oznacza to, że nie można zatrzymać się na pojedynczych elementach - trzeba uruchomić wszystko.

Ponadto, powinniście znać ten fakt:

PCB w małej skali oparte na laminacie lub zabudowie jest dość podobne do tradycyjnego projektowania podłoża do pakowania układów scalonych. I tradycyjni producenci PCB mogą projektować i budować stare pakiety IC za pomocą zmodyfikowanych narzędzi PCB.

Ale z nowoczesnymi, zaawansowanymi pakietami dostępnymi dzisiaj to już inna gra. Wykorzystują one najnowsze metody produkcji, procesy i materiały. Ponadto, są one dość podobne do procesów odlewniczych krzemu.

Wymagają również świeżego i innowacyjnego podejścia do projektowania i weryfikacji na każdym poziomie.

Jedno wyzwanie związane z pakowaniem układów scalonych, którego każdy inżynier musi uniknąć

Mając do czynienia z najnowszą technologią pakowania układów scalonych, inżynierowie muszą unikać następujących problemów:

Dokładnego łączenia podłoży - ponieważ może być ono jednocześnie pasywne i aktywne.

Ponieważ podłoża i urządzenia pochodzą z różnych źródeł, jedno jest pewne. Projekty pakietów IC będą pochodzić w różnych formatach, co jest kłopotliwe.

Pakowanie układów scalonych-Rozwiązanie

Pomocne będzie, jeśli będziesz na bieżąco z najnowszymi pakietami IC. A projekty muszą wspierać i obejmować:

Integrację wielodomenową

Złote oznakowanie

Cyfrowe prototypowanie

Skalowalność i zasięg

Precyzyjne przekazanie produkcji

Pakowanie

Nie sposób przecenić znaczenia wyboru właściwego opakowania układu scalonego. Dzięki idealnemu opakowaniu nie trzeba się martwić o korozję lub uszkodzenie płytki drukowanej.

Dlatego poświęciliśmy czas na szczegółowe wyjaśnienie kwestii opakowań układów scalonych.

Tak więc, zanim zdecydujesz się na rodzaj opakowania IC, którego potrzebujesz, rozważ te czynniki:

Łączność

Koszt

Moc

Zdolność montażowa

W ten sposób będziesz w stanie zawęzić swoje opcje do najdrobniejszego minimum.

Proszę więc dać nam znać, które opakowanie IC będzie pasowało do Twoich potrzeb. Możesz również skontaktować się z nami i podzielić się swoimi pomysłami i sugestiami