Технология на IC пакети: Ръководство за типове и технологии за опаковане

Въведение в технологията за опаковане на ИС

Интегралните схеми (IC) са основата на всички съвременни електронни системи. Технологията за опаковане осигурява жизненоважен интерфейс между силициевите чипове и външната среда, като позволява мащабни приложения, миниатюризация и високонадеждна работа. Това ръководство проследява историята на развитието на технологията за опаковане на интегрални схеми – от първоначалните големи постижения до съвременните върхови решения.

Добрият чип пакет не само трябва да защитава чипа, но и да отговаря на изисквания като стабилни електрически характеристики, ефективно отвеждане на топлина, прости производствени процеси и висока издръжливост. От традиционното DIP опаковане до иновативни технологии като 3D опаковане и FOWLP, технологията за опаковане непрекъснато еволюира.

Основи на IC опаковането

Какво е IC пакет? Защо е важен?

Пакет на интегрална схема (IC) е защитно ограждане, използвано за надеждно монтиране и свързване на чипове (или при модули с няколко чипа и напреднали пакетиращи технологии) в електронна система. Основните му функции включват:

• Защита: Защитава чиповете на интегрални схеми от влага, удар, замърсяване и електростатично разрядване.
• Електрическо свързване: Чиповете се свързват към по-големи системи чрез метални жици, оловни топчета или контактни площи, което осигурява мощна предавателна способност на сигнала.
• Термално управление: Помага за отвеждане на топлината, генерирана от интегралните схеми, към печатната платка или околната среда, осигурявайки така надеждна и непрекъсната работа. Подобряването на топлоотвеждането е от решаващо значение за високомощни и високочестотни схеми.
• Идентификация: Този документ съдържа цялата необходима информация за сглобяване, експлоатация и поддръжка, както и за спазване на законовите и регулаторните изисквания.

Обхват на това всеобхватно ръководство

Това ръководство за избор и проектиране на IC пакети отговаря на въпросите:

• Какви са често срещаните типове IC пакети?
• От гледна точка на електрониката, термодинамиката, механиката и производството – какво е еднаквото и какво различното между различните видове корпуси за интегрални схеми?
• Докато полупроводниковата технология продължава да се развива, как се промени технологията за опаковане на ИС?
• Колко важна е новата иновативна технология за опаковане за изкуствения интелект, 5G и Интернета на нещата?
• Кое решение за опаковане най-добре отговаря на изискванията на вашето приложение?

С други думи, това е всеобхватен и важен наръчник. Целта му е да помогне на читателите да разберат типовете интегрални схеми, да изберат подходящи корпуси и да разберат глобалните тенденции в технологията за опаковане.

Основните компоненти на корпусите за ИС

Основни компоненти на корпуса

Независимо от типа на корпуса, всички корпуси за интегрални схеми имат няколко основни компонента, които се комбинират, за да се получат високопроизводителни и надеждни електронни продукти:

• ИС кристал (чип): Сърцата обикновено се произвеждат с помощта на напреднала полупроводникова производствена технология, като основен материал е силицият.
• Субстрат на пакета: Може да свърже сигурно чиповете (чрез технология за свързване с жички или flip-chip) и осигурява платформа за предаване на сигнали между чипа и външни изводи или оловни топчета.
• Изводи, топчета или контактни площи: Тези изводи се намират отстрани, отдолу или по всичките четири страни на пакета и се използват за свързване с PCB.
• Материал за капсулиране или запечатване: Пластмасови или керамични материали, използвани за механична и околната защита.
• Маркировки: Идентификационни маркировки, партидни номера, маркировки за ориентация и възможни функции за защита от фалшифициране.
• Елементи за подобряване на топлоотвода: Отворени топлинни контактни площи, радиатори и топлинни плочи могат да подобрят топлинния режим.

Материали за корпуси на ИС и техните механични свойства

Материали за опаковка на ИС

Тъй като технологията за опаковка става все по-сложна, изборът на материали за опаковка става все по-важен.

• Пластмаса/епоксид: Той е достъпен и подходящ за повечето търговски приложения, но неговата производителност е ограничена в среди с висока температура и влажност.
• Керамика: Те притежават отлична надеждност и са подходящи за приложения с висока мощност, военни и аерокосмически приложения, особено за издържане на висок термичен и механичен стрес.
• Метал/композит: Топлоотводи и карета за изводи все по-често се използват в силови полупроводници и високочестотни приложения.

Таблица с материали за опаковка:

Механични свойства и характеристики на опаковката

• Устойчивост към вибрации/удари: Това е от съществено значение за автомобилната, аерокосмическата и индустриалната електроника.
• Чувствителност към влага: В зависимост от нивото на чувствителност към влага (MSL), пластмасовата опаковка изисква внимателно съхранение/обработка.
• Размери на опаковката: Това ще повлияе върху разположението на PCB, височината на подредбата в 3D IC приложения и дебелината на устройството в мобилни устройства.
• Възможност за повърхностно монтиране: Чрез директното закрепване на компонентите към PCB този метод на опаковане позволява по-ефективна автоматизирана сглобка.

Типове, размери и класификации на IC опаковки

За да се подпомогне експлозивният растеж на приложения в области като Интернет на нещата, високопроизводителни изчисления, автомобили и носими устройства, са се появили различни видове опаковки.

Технология с преминаващи отвори

• Двойна редица корпус (DIP): Най-ранният тип корпус за интегрални схеми. Тези компоненти са малки, надеждни и лесни за свързване или подмяна. Все още могат да се срещнат в прототипи, енергийни системи и по-стари продукти.
• TO-92, TO-220: Този тип корпус често се използва за транзистори с малък сигнал (TO-92) и за силови устройства (TO-220), което позволява сигурно монтиране и лесно свързване към радиатори.

Повърхностно монтиране ( SMT ) и повърхностно монтирани корпуси

• Корпус с малки размери (SOP), SOIC: Повърхностно монтираните корпуси (SOP) се използват широко в битова електроника и автомобилна електроника. SOP корпусите са по-тънки от SOIC корпусите, което позволява по-висока плътност на проводниците върху платката.
• Квадратен плосък корпус (QFP): Този пакет има изводи от всички четири страни, което го прави подходящ за микроконтролери и програмируеми логически масиви (FPGA) с голям брой изводи.
• Квадратен плосък безизводен (QFN): Изводите не стърчат извън тялото на пакета; контактните площи се намират в долната част на пакета. Основните предимства на този дизайн са отличното отвеждане на топлина и ефективното използване на пространството.
• Транзистор в малък корпус (SOT): Малките транзистори/диоди, използвани в технологията за повърхностно монтиране, имат висока плътност.

Масиви и напреднали технологии за опаковка на ИС

• Решетъчен масив от кълбовидни изводи (BGA): Оловни кълбове под чипа са подредени в решетъчна структура. Този дизайн има плътност на свързване от стотици до хиляди, затова е идеален за централни процесори, FPGA и високоскоростна памет.
• Решетъчен масив с контактни площи (LGA): Подобно на BGA, но с позлатени контактни площи – идеално за сървърни централни процесори, осигуряващо висока надеждност и висока плътност.
• Опаковка с размер на чип (CSP): Почти толкова малка, колкото самият чип — идеална за смартфони, медицински уреди и Интернета на нещата.
• Опаковане на ниво пластинка (WLP): Тези опаковки се формират директно на ниво пластинка, което позволява ултрамалки, високопроизводителни и нископрофилни решения.

Специални напреднали опаковки (продължение)

• Система в опаковка (SiP): Няколко чипа и пасивни/активни компоненти са интегрирани в единична опаковка. Тези чипове са подходящи за носими устройства, микро-радио уреди, напреднали ИС и възли на Интернета на нещата. Те максимизират използването на пространството и обединяват множество функции в една опаковка.
• 3D ИС / Опаковане на 3D ИС / 3D опаковане: Структури от подредени чипове (чрез използване на чрез-силициеви преходи и технологии за свързване на пластинки) осигуряват високопропуснато комуникиране между чипове и безпрецедентна интеграция. 3D ИС са отличителен признак на най-новите процесори за изкуствен интелект и висококласни мобилни SoC.

Типове интегрални схеми и приложения

Информация, съдържаща се в пакет на ИС

Информацията, маркирана с лазер или гравирана върху всеки пакет на интегрална схема, е от решаващо значение, тъй като влияе не само върху монтажа, но и върху производителността на системата.

• Номер на детайл и тип пакет: За идентификация, набавяне и контрол на качеството.
• Размери/очертание на пакета: Определя размера, разстоянието между изводите и тяхното разположение за проектиране и оформление на контактните площи.
• Конфигурация на пинове: Подредбата на изводите, контактните площи или кълбата и сигналите или функциите, които те представляват.
• Материал/околната среда: Съответства на RoHS и не съдържа олово, като осигурява защита срещу влага и химикали.
• Кодове на партидата и дати: Проследяване за качествен контрол и гаранционно проследяване.
• Ориентационни и монтажни маркировки: Изрязвания, точки, фаски или лазерни маркировки показват пин 1 и правилната ориентация.
• Топлинни характеристики: Максимална температура на прехода, разсейване на мощността и указания за подобряване на топлинните показатели.

Конструкция на корпуса на ИС Стандарти

Конструирането на опаковките се управлява от строги стандарти, които гарантират надеждност, съвместимост и възможност за производство.

• IPC-7351: Дефиниране на стандартни шаблони за повърхностно монтирани компоненти, за да се осигури последователност на корпусите при проектирането на PCB и автоматизираната сглобка.
• ANSI Y32.2-1975: Дефинира схематични символи за всички типове корпуси на интегрални схеми.
• ISO 10303-21: Форматът STEP е задължителен за обмен на 3D модели на контури и размери на корпуси между инструменти за проектиране.
• Стандартизация по JEDEC и SEMI: Особено за полупроводникови корпуси от множество източници, термичните характеристики, чувствителността към влажност, тестваемостта и съвместимостта на корпусите са от голямо значение.
• Съответствие с RoHS/REACH: Осигуряване материалите за опаковане на интегрални схеми да отговарят на глобалните екологични стандарти.

Правила и най-добри практики за проектиране на корпуси на интегрални схеми

Опаковката на интегрална схема трябва да вземе предвид редица електрически, топлинни и механични изисквания, включително:

• Следвайте насоките на IPC и JEDEC за отпечатъци: Шаблони на падове, оптимизирани за повърхностно монтиране.
• Оптимизирайте топлинните пътища: Използвайте оголени падове, термични виаси и достатъчен меден слой под топлинния пакет.
• Проверете разстоянието между падовете и щифтовете: Изберете разстояние на пакета, което отговаря на точността на процеса на сглобяване. Пакети с малко разстояние като BGAs или QFNs може да изискват рентгеново инспектиране и да увеличат разходите за сглобяване.
• Използвайте ясни маркери за ориентация: Щифт 1 е ясно обозначен на пакета и съвпада с шелаковия печат на PCB, за да се предотвратят грешки при сглобяване.
• Проектиране за производственост: Избягвайте използването на твърде много типове пакети на една и съща PCB и избирайте стандартни, масово произвеждани пакети, когато е възможно, за да се гарантират оптимални разходи за опаковане и стабилност на веригата за доставки.
• Използване на инструменти за симулация: Най-новите комплекти за автоматизация на електронния дизайн (EDA) могат да симулират цялостността на сигнала, механичното напрежение и топлинната производителност, което прави избора и интеграцията на разширени пакети по-надеждни.

Как да изберете подходящия IC пакет

При избора на пакет или тип пакет вземете предвид следните фактори:

1. Технически изисквания: За високоскоростни, нискочестотни или приложения с висока плътност на мощността, BGA или 3D IC пакетите са по-подходящи. SOIC или QFN пакетите предлагат икономически ефективно решение за много приложения със средна мощност.
2. Термични съображения: CPU и силови ИС изискват по-добро отвличане на топлината — търсете пакети с радиатори, топлинни подложки или напреднала субстратна технология.
3. Механични и околните изисквания: Когато трябва да се имат предвид фактори като вибрации, удар или влага (например в автомобилни или промишлени системи за управление), напредналите керамични или метални пакети могат да осигурят максимална защита.
4. Възможности за производство и монтаж: SMT опаковката осигурява най-висока производителност за автоматизирана сглобяване; опаковката с вътрешни отвори може да е подходяща за прототипи и определени приложения с високи изисквания за надеждност.
5. Размер на опаковката и ограничения на PCB: За ултра-компактни форм-фактори (преносими устройства, слухови апарати), използвайте CSP, QFN или WLP; за продукти, съвместими с пробни платки или традиционни продукти, използвайте DIP или SOIC.
6. Цена и верига за доставки: Стандартните решения за опаковане обикновено могат да намалят разходите за опаковане и да съкратят сроковете за доставка. При проектиране за масово производство ние се фокусираме върху избора на често срещани, вече произведени типове опаковки. Това улеснява получаването на компонентите и контрола върху разходите.

Предизвикателства и ограничения в опаковането на ИС

Въпреки че технологията за опаковане на полупроводници се е подобрила значително, някои текущи предизвикателства все още изискват внимание:

• Топлинно разсейване: Докато консумацията на енергия от чиповете продължава да нараства, възможностите за надеждно отвеждане на топлината при традиционните корпуси достигат своите граници. Въпреки нови разработки като FOWLP и вградени топлинни пътища, изборът на корпус все още е от съществено значение, особено за SoC с голямо топлинно натоварване.
• Ограничения при миниатюризацията: Намаляването на размера на корпуса увеличава трудността при монтиране, деформиране и инспектиране на фини структури (особено при BGA и WLP), което повишава риска от скъпи повреди в експлоатация.
• Цялостност на сигнала при високи честоти: По-високите скорости на предаване на данни означават, че загубата на сигнал, взаимното влияние и електромагнитните смущения са по-трудни за контролиране вътре в корпуса. Въпреки че напредналите проекти на субстрати и екраниране подобряват производителността, те също увеличават разходите за опаковане.
• Механична надеждност: Корпусът трябва да издържа на ударите, вибрациите и многократните температурни промени, особено при сурови условия, като тези в автомобили и промишлена електроника.
• Съответствие с околната среда и регулаторните изисквания: Пред изправящите се все по-строги правила, производителите трябва да гарантират, че опаковъчните материали са нетоксични, пригодни за рециклиране и съответстват на международните стандарти RoHS/REACH/за околната среда.
• Сложен процес на сглобяване: При напредналите процеси за опаковане (SiP, 3D IC, FOWLP), сглобяването може да включва натрупване на чипове, производство на нива на пластинка и сложни технологии за свързване чрез тел или flip-chip.

Бъдещи тенденции в технологията за опаковане на ИС

Иновации в опаковането – на хоризонта

• Fan-out Wafer-Level Packaging (FOWLP): Напредналите процеси за интеграция на схеми включват поставяне на чипа върху субстрат, опаковане и след това преразпределение на чипа чрез фини проводници — постигане на висока I/O производителност и отвеждане на топлина в тънка и мащабируема форма.
• 3D опаковане и чиплети: Истинско 3D IC натрупване, интеграция на системи въз основа на чипове и напреднали типове опаковки с вертикални/хоризонтални междусвръзки дефинират следващата ера на мащабируемост по производителност и функционалност в единична опаковка.
• Биоразградими материали: За намаляване на електронните отпадъци се изследват опаковъчни материали за интегрални схеми, като компостиращи се пластмаси и нетоксични материали за капсулиране, които вече се използват в някои еднократни битови продукти.
• Интелигентни опаковки: Комбинацията от сензори за здраве, активно охлаждане (микрофлуидика/ефект на Пелтие) и самостоятелен мониторинг на налягане и температура е предимство за критични приложения.
• Проектиране на опаковки, задвижвано от изкуствен интелект: Изкуственият интелект вече може да ускори автоматичната оптимизация на типа опаковка, разпределението на изводите и структурата на субстрата, като едновременно подобрява електрическите, топлинните и икономически показатели.

Често задавани въпроси (FAQ) относно технологията на опаковки за ИС

В: Какви са най-често срещаните типове опаковки за ИС днес?

A: SOP, QFP, QFN, BGA, CSP и WLP са станали често срещани типове опаковки в съвременните електронни продукти. Въпреки това, опаковките с преминаващи отвори (DIP, TO-220) все още се използват в някои специални приложения и прототипни продукти.

В: Каква е разликата между повърхностно монтирани опаковки и технологията с преминаващи отвори?

A: Устройствата за повърхностно монтиране са проектирани специално за автоматизирана сглобка директно върху повърхността на печатни платки, като предлагат по-малки размери на опаковките, по-висока плътност на веригите и по-надеждна работа при високи скорости. Напротив, технологията за монтиране с преминаващи отвори изисква щифтовете да бъдат вмъкнати в предварително пробити отвори на PCB, което осигурява здрава механична връзка, но изисква повече място на платката. Докато повърхностното монтиране е станало стандарт в съвременното масово производство, технологията с преминаващи отвори все още е незаменима при верификация на прототипи, силова електроника и приложения, изискващи висока механична якост.

В: Какви иновативни методи за опаковане се използват в момента при напредналите ИС?

О: Технологиите за опаковане на напреднали интегрални схеми включват 3D опаковане на ИС, fan-out опаковане на кръгло ниво, системно в опаковка, опаковане на чипово ниво, както и съвременни технологии за свързване с тел и flip-chip свързване. Тези методи могат ефективно да подобрят електрическите параметри, да постигнат висока плътност на изводите и значително да оптимизират ефективността на отвеждане на топлина – което е от решаващо значение за приложения с висока мощност или висока честота.

В: Как е еволюирало опаковането на ИС, за да поддържа нуждите на високоскоростни вериги и изкуствен интелект?

A: С появата на центрове за данни, ускорители за изкуствен интелект и 5G, технологията за опаковане на интегрални схеми трябва непрекъснато да еволюира, за да се минимизират паразитните ефекти и да се подобри топлинната производителност. Решения за опаковане като BGA, напреднали субстрати, термично проводими преходи, 3D опаковане и вградени пасивни компоненти са станали незаменими. Тримерните интегрални схеми и архитектури на чипове позволяват плътната интеграция на множество функционални компоненти в един пакет, което значително подобрява изчислителната плътност и енергийната ефективност.

В: Кои материали за опаковане са най-подходящи за висока надеждност или сурови среди?

Керамичното и метално опаковане предлагат изключителна механична якост, топлопроводност и устойчивост към външни условия, което ги прави идеален избор за приложения в автомобилната, военната и аерокосмическата промишленост. За потребителска електроника и електронни продукти с общо предназначение, пластмасовите и композитни опаковки с добра пломбираща способност обикновено осигуряват най-добрия баланс между икономическа ефективност и издръжливост.

В: Как да избера подходящото опаковане за моето приложение?

О: При избора на тип опаковане на интегрална схема трябва да се имат предвид електрическите характеристики, консумацията на енергия, ограниченията по размер на опаковката, наличните производствени процеси и изискванията за надеждност от страна на крайния потребител. Еднакво важни са стабилността на веригата за доставки, общата притежателна цена (включително монтаж и инспекция) и съответните сертификати (съответствие с RoHS, JEDEC и IPC). Това всеобхватно ръководство за избор на опаковка за интегрални схеми ще ви предостави поетапни насоки!

Заключение

Поради нарастващото търсене на миниатюризация, висока скорост, висока енергийна ефективност и висока надеждност в електрониката, технологията за опаковане на интегрални схеми преминава през безпрецедентно развитие. Съвременната технология за опаковане, като ключов мост между прецизни силиконови чипове и здрави взаимносвързани устройства, подпомага иновативни приложения в широк кръг от области – от умни носими устройства до автономни превозни средства. Както може да се види в това изчерпателно ръководство по технологията за опаковане на интегрални схеми, изборът на правилното решение за опаковане не е второстепенно разглеждане, а основен ключов фактор, който определя успеха или провала на всяка интегрална схема или електронен компонент.