IC-pakketeknologi: Typer og pakketechnologivejledning

Introduktion til IC-pakketeknologi

Integrerede kredsløb (IC'er) udgør grundlaget for alle moderne elektroniske systemer. Deres pakke-teknologi skaber et afgørende interface mellem siliciumchips og det ydre miljø, og muliggør store applikationer, miniatyrisering samt drift med høj pålidelighed. Denne guide følger udviklingshistorien for integrerede kredsløbs-pakke-teknologi, fra de første store gennembrud til de nuværende førende løsninger.

En god chippakning skal ikke blot beskytte chippen, men også opfylde krav som stabil elektrisk ydelse, effektiv varmeafledning, enkle fremstillingsprocesser og høj holdbarhed. Fra den traditionelle DIP-pakning til innovative teknologier såsom 3D-pakning og FOWLP udvikler pakke-teknologien sig konstant.

Grundlæggende om IC-pakninger

Hvad er en IC-pakning? Hvorfor er den vigtig?

Et integreret kredsløb (IC) pakke er en beskyttende indkapsling, der bruges til sikkert at montere og forbinde chips (eller i tilfælde af flerchip-moduler og avanceret pakning) i et elektronisk system. Dets primære funktioner inkluderer:

• Beskyttelse: Beskytter integrerede kredsløbs-chips mod fugt, stød, forurening og elektrostatisk udledning.
• Elektrisk tilslutning: Chips forbindes til større systemer via metaltråde, lodbolder eller kontakter, hvilket muliggør effektiv signaloverførsel.
• Termisk forvaltning: Det hjælper med at aflede varme, som integrerede kredsløb genererer, til printpladen eller omgivelserne, og sikrer derved pålidelig og vedvarende drift. Forbedring af varmeafledning er afgørende for højtydende og højfrekvente kredsløb.
• Identifikation: Dette dokument indeholder alle oplysninger, der kræves for samling, drift og vedligeholdelse, samt overholdelse af lovmæssige og reguleringsmæssige krav.

Omfanget af denne omfattende guide

Denne guide til valg og design af IC-pakker besvarer:

• Hvad er de almindelige typer af IC-pakker?
• Set i forhold til elektronik, termodynamik, mekanik og produktion – hvad er det samme, og hvad er forskelligt mellem forskellige typer af IC-pakker?
• Efterhånden som halvlederteknologien udvikler sig, hvordan har IC-pakketeknologien ændret sig?
• Hvor vigtig er ny, innovativ pakketeknologi for kunstig intelligens (AI), 5G og internettet af ting?
• Hvilken pakkningløsning passer bedst til dine applikationskrav?

Med et ord er dette en omfattende og vigtig guide. Den har til formål at hjælpe læsere med at forstå integrerede kredsløbstyper, vælge passende pakker og forstå globale tendenser inden for pakkningsteknologi.

De grundlæggende byggesten i IC-pakker

Grundlæggende pakkedele

Uanset pakketypen deler alle integrerede kredsløbspakker nogle få grundlæggende komponenter, som kombineres for at skabe højtydende og pålidelige elektroniske produkter:

• IC-die (chip): Die'ne fremstilles typisk ved hjælp af avanceret halvlederproduktionsteknologi, hvor silicium er det primære materiale.
• Pakkeunderlag: Det kan sikkert forbinde chips (ved brug af wire bonding eller flip-chip-teknologi) og give en platform til overførsel af signaler mellem chippen og eksterne ben eller lodkugler.
• Ben, kugler eller pads: Disse ben er placeret på siden, i bunden eller på alle fire sider af pakken og bruges til at forbinde til printpladen (PCB).
• Indkapslings- eller forseglingsmateriale: Kunststof eller keramiske materialer bruges til maskiner og miljøbeskyttelse.
• Mærkninger: Identifikationsmærkninger, batchnumre, retningssymboler og mulige modforfalskningsfunktioner.
• Termiske forbedringsfunktioner: Eksponerede termiske pads, kølelegemer og varmeplader kan forbedre termisk styring.

IC-pakke Materialer og Mekaniske Egenskaber

Materialer til IC-pakning

Når pakketeknologien bliver mere og mere kompleks, bliver valget af pakningsmaterialer stadig vigtigere.

• Plast/epoxy: Det er prisvenligt og velegnet til de fleste kommercielle anvendelser, men dets ydeevne er begrænset i højtemperatur- og højfugtighedsomgivelser.
• Keramik: De har fremragende pålidelighed og er velegnede til højtydende, militære og rumfartsapplikationer, især til at modstå store termiske og mekaniske belastninger.
• Metal/komposit: Kølelegemer og ledende rammer anvendes i stigende grad i effektsemikonduktorer og højfrekvensapplikationer.

Tabel over pakningsmaterialer:

Mekaniske egenskaber og pakkefunktioner

• Vibration/Stødsikkerhed: Det er afgørende for bil-, luftfarts- og industriellelektronikindustrien.
• Fugtfølsomhed: Basert på MSL (fugtfølsomhedsniveau) kræver plastemballage omhyggelig opbevaring/håndtering.
• Pakkestørrelser: Dette vil påvirke PCB-layout, stablede højde i 3D IC-anvendelser og enhedstykkelse i mobile enheder.
• Overflademonteringskapacitet: Ved at fastgøre komponenter direkte til PCB gør denne emballagemetode en mere effektiv automatiseret montage mulig.

IC-pakketyper, størrelser og klassifikationer

For at understøtte den eksplosive vækst i anvendelser inden for områder såsom internettet af tingene, højtydende databehandling, automobiler og bærbare enheder, er der opstået forskellige emballagetyper.

Gennemhuls teknologi

• Dobbelt rækkepakke (DIP): Den tidligste integrerede kredsløbspakke. Disse komponenter er små, pålidelige og nemme at tilslutte eller udskifte. De kan stadig findes i prototyper, strømsystemer og ældre produkter.
• TO-92, TO-220: Denne type pakke anvendes almindeligvis til småsignalkomponenter (TO-92) og effektkomponenter (TO-220), hvilket gør det muligt at montere dem sikkert og nemt tilslutte kølelegemer.

Overflademonterings teknologi ( SMT ) og overflademonterede pakker

• Small-Outline Package (SOP), SOIC: Overflademonterede åbne (SOP) pakker anvendes bredt i forbruger- og bil-elektronik. SOP-pakker er tyndere end SOIC-pakker, hvilket giver mulighed for højere ledningsdensitet på print.
• Quad Flat Package (QFP): Denne pakke har ben på alle fire sider, hvilket gør den velegnet til mikrocontrollere og felterprogrammerbare logikporte (FPGA'er) med et stort antal ben.
• Quad Flat No-Lead (QFN): Benene rækker ikke ud over pakkens krop; kontaktfladerne befinder sig i bunden af pakken. De vigtigste fordele ved denne konstruktion er, at den fungerer fremragende til varmeafledning og effektivt udnytter pladsen.
• Small-Outline Transistor (SOT): De små transistorer/dioder, der anvendes i overflademonterings teknologi, har en høj tæthed.

Array og avancerede IC-pakke-teknologier

• Ball Grid Array (BGA): Lodboldene under chippen er arrangeret i et gittermønster. Denne konstruktion har en interconnect-tæthed på fra hundredvis til tusindvis, så den er perfekt til CPU'er, FPGA'er og hurtig hukommelse.
• Land Grid Array (LGA): Lignende BGA, men med guldpladerede pads – ideel til server-CPU'er og tilbyder høj pålidelighed og høj densitet.
• Chip Scale Packaging (CSP): Næsten lige så lille som selve chippen – ideel til smartphones, medicinsk udstyr og internettet af tingene.
• Wafer-Level Packaging (WLP): Disse pakker dannes direkte på waferniveau, hvilket muliggør ekstremt små, højtydende og flade løsninger.

Specielle avancerede pakker (fortsat)

• System-in-Package (SiP): Flere chips og passive/aktive komponenter integreres i ét enkelt pakke. Disse chips passer til bærbare enheder, mikroradios, avancerede integrerede kredsløb og IoT-noder. De maksimerer pladsudnyttelsen og kombinerer flere funktioner i én pakke.
• 3D IC / 3D IC-pakning / 3D-pakning: Stablede chiplandskaber (ved brug af gennemsiliciumforbindelser og wafer-bonding-teknologier) muliggør højhastigheds kommunikation mellem chips og uslet integration. 3D IC er et kendetegn for nyeste AI-processorer og high-end mobile SoCs.

Typer af IC-pakker og anvendelser

Information indeholdt i et IC-pakke

Den information, der er lasermarkeret eller gravureret på hvert integreret kredsløbspakke, er meget vigtig, da den påvirker ikke kun samlingen, men også systemets ydelse.

• Delnummer og pakketype: Til identifikation, indkøb og kvalitetskontrol.
• Pakkemål/omrids: Angiver størrelse, ledningsafstand og placering til design og kontaktlayout.
• Pindkonfiguration: Opstillingen af pinner, kontakter eller bolde og de signaler eller funktioner, de repræsenterer.
• Materiale/miljømæssige detaljer: Opfylder RoHS og er blyfri, med beskyttelse mod fugt og kemikalier.
• Lotkoder og dateringskoder: Sporbarhed til kvalitets- og garantisporing.
• Orienterings- og monteringsmærker: Notcher, prikker, afrundninger eller lasermarkeringer angiver pin 1 og korrekt orientering.
• Termiske vurderinger: Maksimal spændingstemperatur, effekttab og retningslinjer for forbedret termisk ydeevne.

IC-pakkeudformning Standarder

Pakkeudformningen styres af strenge standarder, der sikrer pålidelighed, interoperabilitet og fremstillingsvenlighed.

• IPC-7351: Definer standardkontaktflader for overflademonterede komponenter for at sikre konsistens i printpladedesign og automatiseret montage.
• ANSI Y32.2-1975: Definerer skematiske symboler for alle typer af IC-pakker.
• ISO 10303-21: STEP-formatet er afgørende for udveksling af 3D-modeller af pakkekonturer og dimensioner mellem designværktøjer.
• JEDEC og SEMI-standardisering: Især for flerkilde halvlederpakker er termiske vurderinger, fugtfølsomhed, testbarhed og pakkemæssig kompatibilitet meget vigtige.
• RoHS/REACH-overensstemmelse: Sikr, at integrerede kredsløbspakningsmaterialer opfylder globale miljøstandarder.

Regler og bedste praksis for IC-pakkeudformning

Pakningen af en integreret kreds skal tage højde for en række elektriske, termiske og mekaniske krav, herunder:

• Følg IPC- og JEDEC-anbefalinger for footprint: Optimerede kontaktflade-mønstre til overflademonterede pakninger.
• Optimer termiske stier: Brug eksponerede flader, termiske gennemgange og tilstrækkelig kobberlag under den termiske pakning.
• Tjek kontaktflade- og pindafstand: Vælg en pakkeafstand, der passer til nøjagtigheden i din montageproces. Finpitch BGAs eller QFNs kan kræve røntgeninspektion og kan øge montageomkostningerne.
• Anvend tydelige orienteringsmærker: Pin 1 er tydeligt markeret på pakningen og justeret med PCB-silkeskærmen for at undgå montagefejl.
• Design til producibilitet: Undgå at bruge for mange pakketyper på samme printkort, og vælg standardiserede, masseproducerede pakker, hvor det er muligt, for at sikre optimale emballageomkostninger og stabil forsyningskæde.
• Udnyt simuleringsværktøjer: De nyeste elektroniske designautomatiseringsværktøjer (EDA) kan simulere signalintegritet, mekanisk spænding og termisk ydeevne, hvilket gør valg og integration af avancerede pakker mere pålidelige.

Hvordan man vælger den rigtige IC-pakke

Overvej følgende faktorer, når du vælger en pakke eller pakketype:

1. Ydelsesanmodninger: For højhastigheds-, lavstøjs- eller høj-effekttæthedsapplikationer er BGA- eller 3D IC-pakker mere velegnede. SOIC- eller QFN-pakker tilbyder en omkostningseffektiv løsning til mange applikationer med mellemstor effekt.
2. Termiske hensyn: Processorer og effekt-IC'er kræver bedre varmeafledning – søg efter pakker med kølelegemer, varmeafledningspads eller avanceret substratteknologi.
3. Mekaniske og miljømæssige krav: Når faktorer som vibration, stød eller fugt skal overvejes (f.eks. i automobil- eller industrielle styreenheder), kan avancerede keramiske eller metalpakninger give maksimal beskyttelse.
4. Producibilitet og samling: SMT-pakning giver den højeste gennemstrømning for automatiseret samling; gennemborede pakninger kan være velegnede til prototyping og visse applikationer med høje krav til pålidelighed.
5. Pakkestørrelse og PCB-begrænsninger: Til ekstremt kompakte formfaktorer (bærbare enheder, høreapparater) skal der anvendes CSP, QFN eller WLP; til brætvenlige eller traditionelle produkter anvendes DIP eller SOIC.
6. Omkostninger og varestrøm: Standardpakkeløsninger kan typisk reducere pakkeomkostningerne og forkorte leveringstiderne. Når der designes til masseproduktion, fokuserer vi på at vælge almindelige, allerede-tilgængelige pakketyper. Dette gør det nemt at skaffe komponenterne og holde omkostningerne under kontrol.

Udfordringer og begrænsninger i IC-pakning

Selvom halvlederindkapslings teknologi er blevet meget forbedret, er der stadig nogle udfordringer, som kræver opmærksomhed:

• Varmeledning: Da chipsets strømforbrug fortsat stiger, nærmer de pålidelige varmeafledningsmuligheder for traditionelle indkapslinger sig deres grænser. Med nye udviklinger som FOWLP og integrerede termiske stier er valg af indkapsling stadig meget vigtigt, især for varmehungrende SoCs.
• Miniaturiseringgrænser: Når indkapslingens størrelse formindskes, stiger sværhedsgraden ved samling, deformation og inspektion af fine strukturer (især for BGA og WLP), hvilket øger risikoen for kostbare fejl i feltet.
• Signalintegritet ved høje frekvenser: Højere dataoverføringshastigheder betyder, at signaltab, krydsindstråling og elektromagnetisk interferens er vanskeligere at kontrollere inde i indkapslingen. Selvom avancerede substrat- og afskærmningsdesigns forbedrer ydeevnen, øger de også indkapslingsomkostningerne.
• Mekanisk pålidelighed: Emballage skal kunne modstå stød, vibrationer og gentagne temperaturændringer, især under barske forhold som dem, der opleves af automobiler og industrielle elektronikkomponenter.
• Miljømæssig overholdelse og reguleringskrav: Overfor stadig strengere regler skal producenter sikre, at emballagematerialer er ikke-giftige, genanvendelige og i overensstemmelse med globale RoHS/REACH/miljøstandarder.
• Kompleks samleproces: I avancerede emballageprocesser (SiP, 3D IC, FOWLP) kan samleprocesser omfatte chippiling, wafer-niveau produktion samt komplekse wire bonding- eller flip-chip-teknologier.

Fremtidstrends inden for IC-emballageteknologi

Emballageinnovationer på vej

• Fan-out Wafer-Level Packaging (FOWLP): Avancerede kredsløbsemballageintegrationsprocesser indebærer, at chippen placeres på et substrat, emballeres og derefter omfordelt ved hjælp af finafbrydning – hvilket giver høj I/O-ydelse og varmeafledning i en tynd og skalerbar form.
• 3D-emballage og chiplets: Sand 3D IC-stabling, chipbaseret systemintegration og avancerede pakketyper med vertikale/horizontale interconnects definerer den næste æra for ydelsesskalering og funktionalitet i et enkelt pakke.
• Biologisk nedbrydelige materialer: For at minimere elektronikaffald forskes der i emballagematerialer til integrerede kredsløb, såsom komposterbare plastmaterialer og ikke-giftige indkapslingsmaterialer, og de er allerede blevet anvendt i nogle engangsforbrugerprodukter.
• Smarte pakker: Kombinationen af helbredsensorer, aktiv køling (mikrofluidik/Peltier-effekt) og selvovervågning af tryk og temperatur er en fordel ved kritiske applikationer.
• AI-dreven pakkeudvikling: AI kan nu fremskynde den automatiske optimering af pakketype, pindeling og substratstruktur og derved samtidig forbedre elektrisk, termisk og økonomisk ydeevne.

Ofte stillede spørgsmål (FAQ) omkring IC-pakketeknologi

Q: Hvad er de mest almindelige typer af IC-pakker i dag?

A: SOP, QFP, QFN, BGA, CSP og WLP er blevet almindelige pakketyper i moderne elektroniske produkter. Gennemhullspakninger (DIP, TO-220) anvendes dog stadig i nogle specielle applikationer og prototypemæssige produkter.

Q: Hvad er forskellen mellem overflademonterede pakninger og gennemhulsteknologi?

A: Overflademonterede komponenter er specifikt designet til automatiseret montage direkte på overfladen af printkort og har mindre pakkestørrelser, højere kredstætheder og mere pålidelig højhastighedsdrift. I modsætning hertil kræver gennemhulsmontage, at pinnerne indsættes i forudborede huller på printpladen, hvilket danner en solid mekanisk forbindelse, men kræver mere plads på pladen. Selvom overflademontering er blevet industrian standarden for moderne masseproduktion, er gennemhulsteknologien stadig uundværlig ved prototypeverifikation, effektelektronik og applikationer, der kræver høj mekanisk styrke.

Q: Hvilke innovative emballageteknikker anvendes nu i avancerede integrerede kredsløb?

A: Avancerede teknologier til emballering af integrerede kredsløb omfatter 3D IC-emballering, fan-out wafer-level emballering, system-i-emballering, chip-niveau emballering samt moderne wire bonding- og flip-chip bonding-teknologier. Disse metoder kan effektivt forbedre den elektriske ydeevne, opnå høj pindensitet og markant optimere varmeafledningseffektiviteten – hvilket er afgørende for applikationer med høj effekt eller høj frekvens.

Q: Hvordan har emballeringen af integrerede kredsløb udviklet sig for at imødekomme behovene i højhastighedskredsløb og kunstig intelligens?

A: Med udviklingen inden for datacentre, AI-acceleratorer og 5G skal integrerede kredsløbspakninger løbende udvikles for at minimere parasitiske effekter og forbedre termisk ydeevne. Pakkeløsninger såsom BGA, avancerede substrater, varmeledende gennemgange, 3D-pakning og integrerede passive komponenter er blevet uundværlige. 3D-integrerede kredsløb og chip-arkitekturer muliggør en tæt integration af flere funktionskomponenter i et enkelt pakke, hvilket markant forbedrer regnetæthed og energieffektivitet.

Q: Hvilke pakningsmaterialer er bedst til høj pålidelighed eller krævende miljøer?

A: Keramisk og metalindkapsling tilbyder fremragende mekanisk styrke, varmeledningsevne og modstand over for miljøpåvirkninger, hvilket gør dem til ideelle valg for anvendelser i bilindustrien samt militære og rumfartsapplikationer. Til forbrugerelektronik og almindelige elektroniske produkter opnår plast- og kompositindkapsling med gode tætningsegenskaber typisk den bedste balance mellem omkostningseffektivitet og holdbarhed.

Q: Hvordan vælger jeg den rigtige indkapsling til min applikation?

A: Når du vælger en type integreret kredsløbsindkapsling, bør du overveje elektriske egenskaber, strømforbrug, størrelsesbegrænsninger for emballagen, tilgængelige produktionsprocesser og krav til pålidelighed fra slutbrugeren. Lige så vigtige er stabiliteten i forsyningskæden, den samlede ejerskabsomkostning (inklusiv montage og inspektion) samt relevante certificeringer (overensstemmelse med RoHS, JEDEC og IPC). Denne omfattende guide til valg af integreret kredsløbsindkapsling giver trin-for-trin vejledning!

Konklusion

På grund af den stigende efterspørgsel efter miniatyrisering, høj hastighed, høj energieffektivitet og høj pålidelighed i elektronikken udvikler integrerede kredsløbspakke-teknologi sig i et hidtil uset tempo. Moderne pakke-teknologi fungerer som en afgørende bro mellem præcise siliciumchips og robuste sammenkoblede enheder og understøtter innovative anvendelser inden for et bredt spektrum af områder – fra smarte bærbare enheder til autonome køretøjer. Som du kan se i denne omfattende guide til integrerede kredsløbspakke-teknologier, er valg af den rigtige pakkning ikke en sekundær overvejelse, men en kernefaktor, der afgør succes eller fiasko for ethvert integreret kredsløb eller elektronisk komponent.