Technologie IC balení: Průvodce typy a technologiemi balení

Úvod do technologie pouzder IC

Integrované obvody (IO) tvoří základ všech moderních elektronických systémů. Jejich balení poskytuje klíčové rozhraní mezi křemíkovými čipy a vnějším prostředím a umožňuje široké aplikace, miniaturizaci a provoz s vysokou spolehlivostí. Tento průvodce sleduje historii vývoje technologie zabalení integrovaných obvodů, od počátečních významných průlomů až po současné nejmodernější řešení.

Kvalitní čipové balení musí nejen chránit čip, ale také splňovat požadavky jako stabilní elektrický výkon, efektivní odvod tepla, jednoduché výrobní procesy a vysoká odolnost. Od tradičního DIP balení až po inovativní technologie jako 3D balení a FOWLP se technologie balení neustále vyvíjí.

Základy IC balení

Co je to IC balení? Proč je důležité?

Pouzdro integrovaného obvodu (IC) je ochranný kryt používaný k bezpečnému uchycení a propojení čipů (nebo v případě vícečipových modulů a pokročilého pouzdření) v elektronickém systému. Mezi jeho hlavní funkce patří:

• Ochrana: Chrání čipy integrovaných obvodů před vlhkostí, nárazy, znečištěním a elektrostatickým výbojem.
• Elektrické připojení: Čipy jsou prostřednictvím kovových drátů, pájecích kuliček nebo plošek připojeny k větším systémům, což umožňuje silný přenos signálu.
• Tepelné řízení: Pomáhá odvádět teplo generované integrovanými obvody na desku plošných spojů nebo do okolí, čímž zajišťuje spolehlivý a nepřetržitý provoz. Zlepšení odvodu tepla je klíčové pro výkonné a vysokofrekvenční obvody.
• Identifikace: Tento dokument obsahuje veškeré informace potřebné pro montáž, provoz a údržbu, stejně jako pro splnění právních a regulačních požadavků.

Rozsah tohoto komplexního průvodce

Tento průvodce výběrem a návrhem pouzder IC odpovídá na otázky:

• Jaké jsou běžné typy pouzder IC?
• Z hlediska elektroniky, termodynamiky, mechaniky a výroby – co je shodného a co se liší u různých typů integrovaných obvodů?
• Jak se s dalším vývojem polovodičové technologie měnila technologie pouzder integrovaných obvodů?
• Jak důležitá je nová inovativní technologie pouzdr pro AI, 5G a Internet věcí?
• Které řešení pouzdrování nejlépe vyhovuje vašim aplikačním požadavkům?

Slovy, toto je komplexní a důležitý průvodce. Má za cíl pomoci čtenářům porozumět typům integrovaných obvodů, vybírat vhodná pouzdra a porozumět globálním trendům v technologii pouzdrování.

Stavební kameny pouzder integrovaných obvodů

Základní součásti pouzdra

Bez ohledu na typ pouzdra mají všechna pouzdra integrovaných obvodů několik základních společných součástí, které jsou kombinovány za účelem vytvoření výkonných a spolehlivých elektronických produktů:

• Čip (diele): Srdce jsou obvykle vyráběna pomocí pokročilých polovodičových výrobních technologií, přičemž hlavním materiálem je křemík.
• Podložka balíčku: Může bezpečně připojit čipy (pomocí drátového spojování nebo flip-chip technologie) a poskytnout platformu pro přenos signálů mezi čipem a externími vývody nebo pájecími kuličkami.
• Vývody, kuličky nebo plošky: Tyto vývody jsou umístěny na straně, spodní části nebo na všech čtyřech stranách pouzdra a slouží k připojení k desce plošných spojů (PCB).
• Kapalina nebo těsnicí materiál: Plastové nebo keramické materiály používané pro ochranu před mechanickým poškozením a vlivy prostředí.
• Označení: Identifikační značky, čísla šarží, označení směru a možné protikluzové prvky.
• Prvky pro zlepšení tepelného chování: Odkryté tepelné plošky, chladiče a tepelné destičky mohou zlepšit tepelné management.

Materiály pro integrované obvody a jejich mechanické vlastnosti

Materiály pro pouzdra integrovaných obvodů

Jak se technologie pouzdrňování stává stále složitější, výběr materiálů pro pouzdra získává na stále větším významu.

• Plast/epoxid: Je cenově dostupný a vhodný pro většinu komerčních aplikací, ale jeho výkon je omezen v prostředích s vysokou teplotou a vlhkostí.
• Keramické: Mají vynikající spolehlivost a jsou vhodné pro vysokovýkonové, vojenské a letecké aplikace, zejména pro odolávání vysokým tepelným a mechanickým zatížením.
• Kov/kompozit: Chladiče a vývody jsou stále častěji používány u výkonových polovodičů a vysokofrekvenčních aplikací.

Tabulka materiálů pro pouzdra:

Mechanické vlastnosti a vlastnosti balení

• Odolnost proti vibracím/nárazům: Je klíčová pro automobilový, letecký a průmyslový elektronický průmysl.
• Citlivost na vlhkost: Na základě úrovně citlivosti na vlhkost (MSL) vyžadují plastová balení pečlivé skladování/obrátku.
• Rozměry balení: To ovlivní rozmístění na desce plošných spojů, výšku vrstvení u 3D integrovaných obvodů a tloušťku zařízení u mobilních přístrojů.
• Možnost povrchové montáže: Tato metoda balení umožňuje efektivnější automatizované sestavování tím, že komponenty přímo připevňuje k desce plošných spojů.

Typy, velikosti a klasifikace pouzder integrovaných obvodů

Pro podporu explozivního růstu aplikací v oblastech jako Internet věcí, výkonné počítačové systémy, automobily a nositelné zařízení se objevily různé typy balení.

Technologie propustných kontaktů

• Dvouřadý obvodový pouzdro (DIP): Nejstarší typ pouzdra integrovaného obvodu. Tyto součástky jsou malé, spolehlivé a snadno připojitelné nebo nahraditelné. Stále je můžete najít v prototypových zařízeních, napájecích systémech a starších produktech.
• TO-92, TO-220: Tento typ pouzdra se běžně používá pro tranzistory malého signálu (TO-92) a výkonové součástky (TO-220), což umožňuje pevné upevnění a snadné připojení k chladičům.

Povrchová montáž ( SMT ) a povrchově montovaná pouzdra

• Malé obdélníkové pouzdro (SOP), SOIC: Pouzdra SOP pro povrchovou montáž jsou široce používána v spotřební elektronice a automobilové elektronice. Pouzdra SOP jsou tenčí než pouzdra SOIC, což umožňuje vyšší hustotu zapojení na desce plošných spojů.
• Čtvercové ploché pouzdro (QFP): Tento pouzdro má piny na všech čtyřech stranách, což z něj činí vhodnou volbu pro mikrokontroléry a programovatelná hradlová pole (FPGA) s velkým počtem pinů.
• Quad Flat No-Lead (QFN): Piny nevyčnívají za tělo pouzdra; kontaktní plošky jsou umístěny na spodní straně pouzdra. Hlavní výhody tohoto provedení spočívají v excelentní odvodně tepla a efektivním využití prostoru.
• Small-Outline Transistor (SOT): Malé tranzistory/diody používané ve technologii povrchové montáže mají vysokou hustotu.

Pouzdra pro pole a pokročilé integrované obvody

• Ball Grid Array (BGA): Pájecí kuličky pod čipem jsou uspořádány do mřížkového vzoru. Toto řešení nabízí hustotu připojení ve stovkách až tisících, díky čemuž je ideální pro procesory, FPGA a paměti s vysokou rychlostí.
• Land Grid Array (LGA): Podobné jako BGA, ale s ploškami pokovenými zlatem – ideální pro serverové procesory, nabízí vysokou spolehlivost a hustotu.
• Chip Scale Packaging (CSP): Téměř stejně malé jako samotný čip – ideální pro chytré telefony, lékařská zařízení a internet věcí.
• Wafer-Level Packaging (WLP): Tyto pouzdra jsou vytvářena přímo na úrovni waferu, což umožňuje extrémně malé, vysokým výkonem a nízkým profilem vybavené řešení.

Speciální pokročilé pouzdra (pokračování)

• System-in-Package (SiP): Více čipů a pasivních/aktivních součástek je integrováno do jednoho pouzdra. Tyto čipy se hodí pro nositelná zařízení, mikrorádia, pokročilé integrované obvody a uzly IoT. Maximalizují využití prostoru a kombinují více funkcí v jednom pouzdře.
• 3D IC / 3D IC Packaging / 3D Packaging: Skládané struktury čipů (využívající technologie through-silicon vias a spojování waferů) umožňují komunikaci mezi čipy s vysokou propustností a bezprecedentní integraci. 3D IC jsou typické pro nejmodernější procesory umělé inteligence a high-end mobilní SoC.

Typy pouzder integrovaných obvodů a jejich aplikace

Informace obsažené v pouzdře integrovaného obvodu

Informace laserem vyznačené nebo vyryté na každém pouzdře integrovaného obvodu jsou velmi důležité, protože ovlivňují nejen montáž, ale i výkon systému.

• Číslo součástky a typ pouzdra: Pro identifikaci, nákup a kontrolu kvality.
• Rozměry pouzdra/obrys: Určuje velikost, rozteč vývodů a umístění pro návrh a uspořádání plošek.
• Konfigurace pinů: Uspořádání pinů, plošek nebo matic a signálů nebo sil, které reprezentují.
• Detaily materiálu/životního prostředí: Je vyhovující normě RoHS a je bezolovnatý, disponuje ochranou proti vlhkosti a chemikáliím.
• Kódy šarže a datové kódy: Sledovatelnost pro kontrolu kvality a záruky.
• Značky orientace a montáže: Vybrání, tečky, zkosení nebo laserové značení označují pin 1 a správnou orientaci.
• Tepelné hodnocení: Maximální teplota přechodu, disipace výkonu a pokyny pro zlepšení tepelného chování.

Návrh pouzdra integrovaného obvodu Standardy

Návrh balení je řízen přísnými standardy, které zajišťují spolehlivost, provozní kompatibilitu a vyrábětelnost.

• IPC-7351: Definujte standardní vzory plošek pro povrchově montované součástky, aby byla zajištěna konzistence pouzder při návrhu desek plošných spojů a automatické montáži.
• ANSI Y32.2-1975: Definuje schématické značky pro všechny typy pouzder integrovaných obvodů.
• ISO 10303-21: Formát STEP je nezbytný pro výměnu 3D modelů obrysů pouzder a jejich rozměrů mezi návrhovými nástroji.
• Standardizace JEDEC a SEMI: U polovodičových pouzder s více dodavateli jsou velmi důležité tepelné hodnocení, citlivost na vlhkost, testovatelnost a kompatibilita pouzder.
• Shoda s RoHS/REACH: Zajistěte, aby materiály pouzder integrovaných obvodů splňovaly globální environmentální normy.

Pravidla a osvědčené postupy pro návrh pouzder integrovaných obvodů

Balení integrovaného obvodu musí brát v úvahu řadu elektrických, tepelných a mechanických požadavků, včetně:

• Dodržujte pokyny pro plošný spoj dle IPC a JEDEC: Vzory plošek optimalizované pro povrchovou montáž.
• Optimalizujte tepelné cesty: Použijte odhalené plošky, tepelné přechodové díry (thermal vias) a dostatečnou měděnou vrstvu pod tepelným pouzdrem.
• Zkontrolujte rozteč plošek a pinů: Vyberte rozteč pouzdra, která odpovídá přesnosti vašeho montážního procesu. Pouzdra s jemnou roztečí (např. BGA nebo QFN) mohou vyžadovat rentgenovou kontrolu a mohou zvýšit náklady na montáž.
• Používejte jasné značky orientace: Pin 1 je na pouzdru jasně označen a sladěn s popiskem na samolepce desky plošných spojů (PCB silkscreen), aby se předešlo chybám při montáži.
• Návrh pro výrobní uskutečnitelnost: Vyhněte se použití příliš mnoha typů pouzder na stejné desce plošných spojů a vždy, kdy je to možné, upřednostňujte standardní, sériově vyráběná pouzdra, abyste zajistili optimální náklady na balení a stabilitu dodavatelského řetězce.
• Využijte simulačních nástrojů: Nejnovější sady pro automatizaci elektronického návrhu (EDA) mohou simulovat integritu signálu, mechanické namáhání a tepelný výkon, čímž se zvyšuje spolehlivost výběru a integrace pokročilých pouzder.

Jak vybrat správné pouzdro integrovaného obvodu

Při výběru pouzdra nebo typu pouzdra vezměte v úvahu následující faktory:

1. Požadavky na výkonnost: Pro aplikace s vysokou rychlostí, nízkým šumem nebo vysokou hustotou výkonu jsou vhodnější pouzdra BGA nebo 3D IC. Pouzdra SOIC nebo QFN nabízejí cenově výhodné řešení pro mnoho středních výkonových aplikací.
2. Tepelné aspekty: CPU a výkonové integrované obvody vyžadují lepší odvod tepla – hledejte pouzdra s chladiči, tepelnými podložkami nebo pokročilou technologií substrátu.
3. Mechanické a provozní požadavky: Když je třeba brát v úvahu faktory, jako je vibrace, náraz nebo vlhkost (např. v automobilových nebo průmyslových řídicích aplikacích), mohou pokročilá keramická nebo kovová pouzdra poskytnout maximální ochranu.
4. Vyrobitelnost a montáž: SMT balení nabízí nejvyšší propustnost pro automatizované montážní procesy; průchozí pouzdra mohou být vhodná pro prototypování a určité aplikace s vysokými požadavky na spolehlivost.
5. Velikost pouzdra a omezení desky plošných spojů: Pro extrémně kompaktní rozměry (přenosná zařízení, sluchadla) použijte CSP, QFN nebo WLP; pro produkty kompatibilní s breadboardem nebo tradiční provedení použijte DIP nebo SOIC.
6. Náklady a dodavatelský řetězec: Standardní řešení pro pouzdrování obvykle snižují náklady na balení a zkracují dodací lhůty. Při návrhu pro sériovou výrobu se zaměřujeme na výběr běžných, již existujících typů pouzder. To usnadňuje získání součástek a udržuje náklady pod kontrolou.

Výzvy a omezení v pouzdření integrovaných obvodů

I když se technologie pouzdrování polovodičů velmi výrazně zlepšila, stále existují určité probíhající výzvy, které vyžadují pozornost:

• Odvedení tepla: Jak pokračuje nárůst spotřeby výkonu čipů, spolehlivé možnosti odvodu tepla tradičních pouzder se blíží ke svým limitům. I přes nové vývojové kroky, jako je FOWLP a integrované tepelné cesty, je výběr pouzdra stále velmi důležitý, zejména u SoC s vysokým tepelným zatížením.
• Limity miniaturizace: Jak se zmenšuje velikost pouzdra, roste obtížnost montáže, deformace a kontroly jemných struktur (zejména u BGA a WLP), čímž se zvyšuje riziko nákladných poruch v provozu.
• Integrita signálu při vysokých frekvencích: Vyšší rychlosti přenosu dat znamenají, že ztráta signálu, přeskoky a elektromagnetické interference jsou uvnitř pouzdra těžší ke kontrole. I když pokročilé návrhy substrátů a stínění zlepšují výkon, zvyšují také náklady na pouzdření.
• Mechanická spolehlivost: Pouzdro musí odolávat rázům, vibracím a opakovaným změnám teploty, zejména za náročných podmínek, jaké se vyskytují například v automobilech a průmyslové elektronice.
• Dodržování environmentálních a regulačních předpisů: Vzhledem k čím dál přísnějším předpisům musí výrobci zajistit, že balicí materiály jsou netoxické, recyklovatelné a vyhovují mezinárodním standardům RoHS/REACH a dalším environmentálním normám.
• Složitý proces montáže: Při pokročilých procesech zabalení (SiP, 3D IC, FOWLP) může montážní proces zahrnovat skládání čipů, výrobu na úrovni waferu a složité technologie drátového spojování nebo flip-chip.

Budoucí trendy v technologii pouzder pro integrované obvody

Inovace v pouzdrech, které se rýsují na obzoru

• Fan-out Wafer-Level Packaging (FOWLP): Pokročilé procesy integrace obvodového pouzdra zahrnují umístění čipu na substrát, jeho zalití a následnou redistribuci čipu pomocí jemného zapojení – čímž je dosaženo vysokého výkonu I/O a odvodu tepla v tenké a škálovatelné podobě.
• 3D pouzdření a čiplety: Skutečné 3D IC vrstvení, čipová integrace systému a pokročilé typy zapouzdření s vertikálními/horizontálními interkonektivy definují další éru škálovatelnosti výkonu a funkčnosti v jediném balení.
• Biodrobnitelné materiály: Za účelem minimalizace elektroodpadu jsou zkoumány balicí materiály pro integrované obvody, jako jsou kompostovatelné plasty a netoxické pasivační materiály, které již byly použity u některých jednorázových spotřebních výrobků.
• Chytrá balení: Kombinace senzorů zdravotního stavu, aktivního chlazení (mikrofluidika/Pečetův jev) a samo-sebe monitorování tlaku a teploty je výhodná pro kritické aplikace.
• Návrh balení řízený umělou inteligencí: Umělá inteligence nyní může urychlit automatickou optimalizaci typu balení, přiřazení pinů a struktury substrátu, čímž současně zlepšuje elektrický, tepelný a cenový výkon.

Často kladené otázky (FAQ) o technologii IC pouzder

Otázka: Jaké jsou nejběžnější typy IC pouzder dnes?

A: SOP, QFP, QFN, BGA, CSP a WLP se staly běžnými typy pouzder v moderních elektronických produktech. Pouzdra s přívody pro otvory (DIP, TO-220) jsou však stále používána v některých speciálních aplikacích a prototypových produktech.

Q: Jaký je rozdíl mezi povrchově montovanými pouzdry a technologií s přívody pro otvory?

A: Součástky pro povrchovou montáž jsou speciálně navrženy pro automatizované osazování přímo na povrch tiskovených spojů, mají menší rozměry pouzder, vyšší hustotu zapojení a spolehlivější provoz při vysokých rychlostech. Naopak technologie s přívody pro otvory vyžaduje vložení pinů do předvrtaných otvorů na desce plošných spojů, čímž vzniká pevné mechanické spojení, ale zároveň vyžaduje více místa na desce. Zatímco povrchová montáž se stala průmyslovým standardem pro moderní sériovou výrobu, technologie s přívody pro otvory je stále nezbytná při ověřování prototypů, výkonové elektronice a aplikacích vyžadujících vysokou mechanickou pevnost.

Otázka: Jaké inovativní techniky balení jsou nyní používány u pokročilých integrovaných obvodů?

Odpověď: Mezi pokročilé technologie balení integrovaných obvodů patří 3D IC balení, fan-out wafer-level balení, systém v balení, čipové balení, stejně jako moderní technologie drátového spojování a flip-chip spojování. Tyto metody mohou efektivně zlepšit elektrický výkon, dosáhnout vysoké hustoty pinů a výrazně optimalizovat účinnost odvádění tepla – což je klíčové pro aplikace vysokovýkonových nebo vysokofrekvenčních integrovaných obvodů.

Otázka: Jak se balení integrovaných obvodů vyvíjelo, aby podporovalo potřeby vysokorychlostních obvodů a umělé inteligence?

A: Se vznikem datových center, akcelerátorů umělé inteligence a sítí 5G musí technologie zapouzdření integrovaných obvodů neustále evoluovat, aby minimalizovala parazitní efekty a zlepšila tepelný výkon. Řešení pro zapouzdření, jako jsou BGA, pokročilé substráty, tepelně vodivé přechodové díry, 3D zapouzdření a vestavěné pasivní součástky, se stala nepostradatelnými. 3D integrované obvody a architektury čipů umožňují těsnou integraci více funkčních komponent do jednoho pouzdra, čímž výrazně zvyšují výpočetní hustotu a energetickou účinnost.

Q: Které materiály pro zapouzdření jsou nejvhodnější pro aplikace vyžadující vysokou spolehlivost nebo pro náročné prostředí?

Keramické a kovové pouzdra nabízejí vynikající mechanickou pevnost, tepelnou vodivost a odolnost vůči prostředí, což je činí ideální volbou pro aplikace v automobilovém průmyslu, vojenském a leteckém průmyslu. U spotřební elektroniky a běžných elektronických výrobků obvykle dosahují nejlepší rovnováhy mezi cenovou náročností a odolností plastová a kompozitní pouzdra s dobrými těsnicími vlastnostmi.

Q: Jak vybrat správné pouzdro pro mou aplikaci?

A: Při výběru typu pouzdra integrovaného obvodu je třeba zohlednit elektrické vlastnosti, spotřebu energie, omezení velikosti pouzdra, dostupné výrobní procesy a požadavky na spolehlivost koncového uživatele. Stejně důležité jsou stabilita dodavatelského řetězce, celkové náklady vlastnictví (včetně montáže a inspekce) a příslušná certifikace (shoda s RoHS, JEDEC a IPC). Tento komplexní průvodce výběrem pouzder integrovaných obvodů poskytne podrobné krokové pokyny!

Závěr

Vzhledem k rostoucí poptávce po miniaturizaci, vysoké rychlosti, vysoké energetické účinnosti a vysoké spolehlivosti v elektronice prochází technologie pouzdrování integrovaných obvodů bezprecedentním vývojem. Moderní technologie pouzdrování, která slouží jako klíčový most mezi přesnými křemíkovými čipy a odolnými propojenými zařízeními, podporuje inovativní aplikace v široké škále oblastí – od chytrých nositelných zařízení až po autonomní vozidla. Jak je patrné z tohoto komplexního průvodce technologií pouzdrování integrovaných obvodů, výběr správného řešení pouzdrování není otázkou druhořadého významu, ale klíčovým faktorem, který určuje úspěch či neúspěch jakéhokoli integrovaného obvodu nebo elektronické součástky.