Teknologi Pakej IC: Panduan Jenis dan Teknologi Pengepakan

Pengenalan kepada Teknologi Pengekodan IC

Litar bersepadu (IC) membentuk asas bagi semua sistem elektronik moden. Teknologi pengekodannya menyediakan antara muka penting antara cip silikon dan persekitaran luar, serta membolehkan aplikasi skala besar, pengecilan saiz, dan operasi yang tinggi kebolehpercayaannya. Panduan ini mengikuti sejarah perkembangan teknologi pengekapsulan litar bersepadu, daripada terobosan utama awal hingga penyelesaian terkini yang inovatif.

Pengekapan cip yang baik tidak hanya perlu melindungi cip tersebut, tetapi juga memenuhi keperluan seperti prestasi elektrik yang stabil, peresapan haba yang efisien, proses pengeluaran yang mudah, dan ketahanan yang tinggi. Daripada pengekapsulan DIP tradisional kepada teknologi inovatif seperti pengekapsulan 3D dan FOWLP, teknologi pengekapsulan sentiasa berkembang maju.

Asas Pengekapsulan IC

Apakah Pengekapsulan IC? Mengapa Ia Penting?

Pakej litar bersepadu (IC) ialah perumahan pelindung yang digunakan untuk memasang dan menyambung cip dengan selamat (atau, dalam kes modul pelbagai cip dan pengepakan lanjutan) di dalam sistem elektronik. Fungsi utamanya termasuk：

• Perlindungan: Melindungi cip litar bersepadu daripada kelembapan, hentaman, pencemaran, dan pelepasan elektrostatik.
• Sambungan Elektrik: Cip disambungkan ke sistem yang lebih besar melalui wayar logam, bola solder, atau pad, membolehkan penghantaran isyarat yang berkuasa.
• Pengurusan haba: Ia membantu menyebarkan haba yang dijanakan oleh litar bersepadu ke papan litar bercetak atau ke persekitaran, seterusnya memastikan operasi yang boleh dipercayai dan berterusan. Meningkatkan peresapan haba adalah penting bagi litar berkuasa tinggi dan frekuensi tinggi.
• Pengecaman: Dokumen ini mengandungi semua maklumat yang diperlukan untuk pemasangan, operasi, dan penyelenggaraan, serta pematuhan terhadap keperluan undang-undang dan peraturan.

Skop Panduan Komprehensif Ini

Panduan pemilihan dan rekabentuk pakej IC ini menjawab:

• Apakah jenis pakej IC yang biasa?
• Dari segi elektronik, termodinamik, mekanik dan pembuatan—apakah yang sama dan apakah yang berbeza antara pelbagai jenis pekapan IC?
• Seiring dengan perkembangan teknologi semikonduktor, bagaimanakah teknologi pekapan IC turut berubah?
• Betapa pentingkah teknologi pekapan inovatif baharu untuk AI, 5G dan Internet of Things?
• Penyelesaian pekapan manakah yang paling sesuai dengan keperluan aplikasi anda?

Secara umum, ini adalah panduan yang komprehensif dan penting. Ia bertujuan membantu pembaca memahami jenis litar bersepadu, memilih pekapan yang sesuai, serta memahami trend global dalam teknologi pekapan.

Blok Binaan Pekapan IC

Komponen Asas Pekapan

Tanpa mengira jenis pekapan, semua pekapan litar bersepadu berkongsi beberapa komponen asas, yang digabungkan untuk menghasilkan produk elektronik berprestasi tinggi dan boleh dipercayai:

• IC Die (Cip): Hati biasanya dibuat menggunakan teknologi pembuatan semikonduktor termaju, dengan silikon sebagai bahan utama.
• Substrat Pakej: Ia boleh menyambung cip dengan selamat (menggunakan teknologi penyambungan wayar atau flip-chip) dan menyediakan platform untuk memindahkan isyarat antara cip dan pin luaran atau bola solder.
• Pin, Bola atau Pad: Pin-pin ini terletak di sisi, bahagian bawah, atau keempat-empat sisi pakej dan digunakan untuk disambungkan kepada PCB.
• Bahan Enkapsulasi atau Perapian: Bahan plastik atau seramik yang digunakan untuk perlindungan mesin dan persekitaran.
• Tanda Pengenalan: Tanda pengenalan, nombor kelompok, tanda arah, dan ciri anti-pemalsuan yang mungkin.
• Ciri Peningkatan Termal: Pad termal terdedah, perumput haba, dan plat haba boleh meningkatkan pengurusan haba.

Bahan dan Sifat Mekanikal Pakej IC

Bahan untuk Pengekalan IC

Dengan semakin kompleksnya teknologi pengekalan, pemilihan bahan pengekalan menjadi semakin penting.

• Plastik/Epoksi: Ia mampu milik dan sesuai untuk kebanyakan aplikasi komersial, tetapi prestasinya terhad dalam persekitaran suhu tinggi dan kelembapan tinggi.
• Keramik: Mereka mempunyai kebolehpercayaan yang sangat baik dan sesuai untuk aplikasi kuasa tinggi, ketenteraan dan angkasa lepas, terutamanya untuk menahan tekanan haba dan mekanikal yang tinggi.
• Logam/Komposit: Perolakan haba dan bingkai pengurung semakin digunakan dalam semikonduktor kuasa dan aplikasi frekuensi tinggi.

Jadual Bahan Pengekalan:

Sifat Mekanikal dan Ciri Pembungkusan

• Rintangan Getaran/Hentakan: Ia adalah penting bagi industri automotif, aerospace, dan elektronik industri.
• Kepekaan terhadap Kelembapan: Berdasarkan MSL (Tahap Kepekaan Kandungan Air), pembungkusan plastik memerlukan penyimpanan/pemegangan yang teliti.
• Dimensi Pembungkusan: Ini akan menjejaskan susunan PCB, ketinggian timbunan dalam aplikasi IC 3D, dan ketebalan peranti dalam peranti mudah alih.
• Keupayaan Pemasangan Permukaan: Dengan memasang komponen secara langsung pada PCB, kaedah pembungkusan ini membolehkan pemasangan automatik yang lebih efisien.

Jenis, Saiz, dan Pengkelasan Pakej IC

Untuk menyokong pertumbuhan pesat aplikasi dalam bidang seperti Internet of Things, pengkomputeran prestasi tinggi, kenderaan, dan peranti boleh pakai, pelbagai jenis pembungkusan telah muncul.

Teknologi Lubang Tembus

• Pakej Dua Baris Dwikutub (DIP): Pakej litar bersepadu yang paling awal. Komponen ini kecil, boleh dipercayai, dan mudah disambung atau diganti. Anda masih boleh menemuinya dalam prototaip, sistem kuasa dan produk lama.
• TO-92, TO-220: Jenis pakej ini biasanya digunakan untuk transistor isyarat kecil (TO-92) dan peranti kuasa (TO-220), membolehkan pemasangan yang kukuh dan sambungan mudah ke pendingin haba.

Teknologi Pemasangan Permukaan ( SMT ) dan Pakej Pemasangan Permukaan

• Pakej Bentuk Kecil (SOP), SOIC: Pakej SOP yang dipasang pada permukaan banyak digunakan dalam elektronik pengguna dan elektronik automotif. Pakej SOP lebih nipis daripada pakej SOIC, membolehkan ketumpatan pendawaian PCB yang lebih tinggi.
• Pakej Rata Empat Sisi (QFP): Pakej ini mempunyai pin pada keempat-empat sisinya, menjadikannya sesuai untuk mikropemproses dan tatasusun pintu logik boleh atur semula (FPGA) dengan bilangan pin yang besar.
• Quad Flat No-Lead (QFN): Pin tidak melebihi badan pakej; tompok-tompok terletak di bahagian bawah pakej. Kelebihan utama reka bentuk ini ialah ia berfungsi dengan baik untuk peresapan haba dan menggunakan ruang secara cekap.
• Small-Outline Transistor (SOT): Transistor/diod kecil yang digunakan dalam teknologi pemasangan permukaan mempunyai ketumpatan tinggi.

Teknologi Pengekodan Array dan IC Lanjutan

• Ball Grid Array (BGA): Bola solder di bawah cip disusun dalam corak grid. Reka bentuk ini mempunyai ketumpatan interkoneksi antara ratusan hingga ribuan, oleh itu sangat sesuai untuk CPU, FPGA, dan ingatan berkelajuan tinggi.
• Land Grid Array (LGA): Sama seperti BGA, tetapi dengan tompok bersalut emas—ideal untuk CPU pelayan, menawarkan kebolehpercayaan tinggi dan ketumpatan tinggi.
• Pengekalan Skala Cip (CSP): Hampir sekecil cip itu sendiri—sesuai untuk telefon pintar, peranti perubatan, dan Internet bagi Perkakasan.
• Pengepakan Peringkat Wafer (WLP): Pengekapan ini dibentuk secara langsung pada peringkat wafer, membolehkan penyelesaian yang sangat kecil, prestasi tinggi, dan profil rendah.

Pengekapan Lanjutan Khas (berterusan)

• Sistem-dalam-Satu-Pengekapan (SiP): Beberapa cip dan komponen pasif/aktif diintegrasikan ke dalam satu pek. Cip-cip ini sesuai untuk peranti boleh pakai, radio mikro, IC lanjutan, dan nod IoT. Mereka memaksimumkan penggunaan ruang dan menggabungkan pelbagai fungsi ke dalam satu pek.
• 3D IC / Pengepakan 3D IC / Pengepakan 3D: Struktur cip bertindih (menggunakan teknologi vias silikon-menembusi dan penyambungan wafer) membolehkan komunikasi cip-ke-cip berjalur lebar tinggi dan integrasi yang tiada tandingan. 3D IC adalah ciri utama pemproses AI terkini dan SoC mudah alih prestasi tinggi.

Jenis-jenis Pengekapan IC dan Aplikasinya

Maklumat yang Terkandung dalam Pakej IC

Maklumat yang ditanda atau diukir dengan laser pada setiap pakej litar bersepadu adalah sangat penting, kerana ia memberi kesan tidak sahaja kepada perakitan tetapi juga prestasi sistem.

• Nombor Bahagian dan Jenis Pakej: Untuk pengenalan, perolehan, dan kawalan kualiti.
• Dimensi/Bentuk Pakej: Menentukan saiz, jarak pin, dan penempatan untuk rekabentuk dan susunan pad.
• Konfigurasi Pin: Susunan pin, pad, atau bola serta isyarat atau fungsi yang diwakilinya.
• Butiran Bahan/Persekitaran: Mematuhi RoHS dan bebas plumbum, dengan perlindungan terhadap kelembapan dan bahan kimia.
• Kod Lot dan Kod Tarikh: Boleh dikesan untuk penjejakan kualiti dan waranti.
• Tanda Orientasi dan Pemasangan: Gigik, titik, chamfer, atau tanda laser menunjukkan pin 1 dan orientasi yang betul.
• Kadaran Terma: Suhu simpang maksimum, pelesapan kuasa, dan garis panduan untuk peningkatan prestasi terma.

Reka Bentuk Pakej IC Piawaian

Reka bentuk pembungkusan dikawal oleh piawaian yang ketat, memastikan kebolehpercayaan, keserasian, dan kebolehdibuat

• IPC-7351: Tentukan corak tompok piawai untuk pakej peranti lekapan permukaan bagi memastikan kekonsistenan pakej dalam rekabentuk PCB dan pemasangan automatik.
• ANSI Y32.2-1975: Menentukan simbol skematik untuk semua jenis pakej IC.
• ISO 10303-21: Format STEP adalah penting untuk pertukaran model 3D lakaran luar dan dimensi pakej antara alat rekabentuk.
• Pemeriwayatan JEDEC dan SEMI: Terutamanya untuk pakej semikonduktor pelbagai sumber, penarafan haba, kepekaan kelembapan, kebolehujian, dan keserasian pakej adalah sangat penting.
• Kepatuhan RoHS/REACH: Memastikan bahan pembungkusan litar bersepadu memenuhi piawaian persekitaran global.

Peraturan dan Amalan Terbaik untuk Reka Bentuk Pakej IC

Pembungkusan litar bersepadu mesti mengambil kira pelbagai keperluan elektrik, haba, dan mekanikal, termasuk:

• Ikut garis panduan tapak oleh IPC dan JEDEC: Corak pad dioptimumkan untuk pembungkusan pemasangan permukaan.
• Optimumkan Laluan Haba: Gunakan pad terdedah, via haba, dan lapisan tembaga yang mencukupi di bawah pakej haba.
• Semak Jarak Pad dan Pin: Pilih jarak pakej yang sesuai dengan ketepatan proses perakitan anda. BGA atau QFN berjarak halus mungkin memerlukan pemeriksaan sinar-X dan boleh meningkatkan kos perakitan.
• Gunakan Tanda Orientasi yang Jelas: Pin 1 ditandakan dengan jelas pada pakej dan sejajar dengan skrin sutera PCB untuk mengelakkan ralat perakitan.
• Reka Bentuk untuk Kekelolaan Pengeluaran: Elakkan menggunakan terlalu banyak jenis pakej pada papan litar bercetak (PCB) yang sama, dan pilih pakej piawai yang dikeluarkan secara besar-besaran sekiranya boleh untuk memastikan kos pembungkusan yang optimum dan kestabilan rantaian bekalan.
• Gunakan Alat Simulasi: Kit automasi rekabentuk elektronik (EDA) terkini boleh mensimulasikan integriti isyarat, tekanan mekanikal, dan prestasi haba, menjadikan pemilihan dan penyepaduan pakej lanjutan lebih boleh dipercayai.

Cara Memilih Pakej IC yang Tepat

Pertimbangkan faktor-faktor berikut apabila memilih pakej atau jenis pakej:

1. Kebutuhan Prestasi: Bagi aplikasi berkelajuan tinggi, rendah hingar, atau berketumpatan kuasa tinggi, pakej BGA atau pakej IC 3D adalah lebih sesuai. Pakej SOIC atau QFN menawarkan penyelesaian yang berkesan dari segi kos untuk kebanyakan aplikasi kuasa sederhana.
2. Pertimbangan haba: CPU dan IC kuasa memerlukan peresapan haba yang lebih baik—cari pakej dengan pendingin haba, pad haba, atau teknologi substrat lanjutan.
3. Keperluan Mekanikal dan Persekitaran: Apabila faktor seperti getaran, hentakan, atau kelembapan perlu dipertimbangkan (contohnya dalam aplikasi kawalan automotif atau industri), pakej seramik maju atau logam boleh memberikan perlindungan maksimum.
4. Kefeasalan Pengeluaran dan Pemasangan: Pengepakan SMT menawarkan kelajuan pengeluaran tertinggi untuk pemasangan automatik; pengepakan melalui lubang mungkin sesuai untuk pemprototaipan dan aplikasi tertentu yang memerlukan kebolehpercayaan tinggi.
5. Saiz Pakej dan Kekangan PCB: Untuk bentuk yang sangat padat (peranti mudah alih, alat bantu pendengaran), gunakan CSP, QFN, atau WLP; untuk produk yang serasi dengan papan percubaan atau tradisional, gunakan DIP atau SOIC.
6. Kos dan Rantai Bekalan: Penyelesaian pengepakan piawai biasanya dapat mengurangkan kos pengepakan dan memendekkan masa penghantaran. Apabila mereka bentuk untuk pengeluaran besar-besaran, kami memberi tumpuan kepada pemilihan jenis pakej biasa yang telah sedia ada. Ini memudahkan mendapatkan komponen dan mengawal kos.

Cabaran dan Had dalam Pengepakan IC

Walaupun teknologi pengekodan semikonduktor telah meningkat dengan ketara, terdapat beberapa cabaran berterusan yang masih memerlukan perhatian:

• Perelepan Haba: Dengan peningkatan penggunaan kuasa cip, keupayaan pelbagai pengekodan tradisional untuk melepaskan haba secara boleh dipercayai hampir mencapai had. Walaupun terdapat perkembangan baharu seperti FOWLP dan laluan haba terbina dalam, pemilihan pekge tetap sangat penting, terutamanya untuk SoC yang menghasilkan banyak haba.
• Had Miniaturisasi: Apabila saiz pekge berkurang, kesukaran dalam pemasangan, ubah bentuk, dan pemeriksaan struktur halus meningkat (terutamanya untuk BGA dan WLP), sehingga meningkatkan risiko kegagalan mahal di lapangan.
• Integriti Isyarat pada Frekuensi Tinggi: Kadar transmisi data yang lebih tinggi bermakna kehilangan isyarat, sambungan silang, dan gangguan elektromagnetik lebih sukar dikawal di dalam pekge. Walaupun rekabentuk substrat lanjutan dan perisai meningkatkan prestasi, ia juga menambah kos pengekodan.
• Kebolehpercayaan Mekanikal: Pembungkusan mesti mampu menahan hentakan, getaran, dan perubahan suhu yang berulang, terutamanya dalam keadaan yang mencabar seperti yang dialami oleh kenderaan bermotor dan elektronik industri.
• Pematuhan Persekitaran dan Peraturan: Dengan menghadapi peraturan yang semakin ketat, pengilang mesti memastikan bahan pembungkusan adalah tidak toksik, boleh dikitar semula, dan mematuhi piawaian global RoHS/REACH/persekitaran.
• Proses Pemasangan yang Kompleks: Dalam proses pembungkusan lanjutan (SiP, 3D IC, FOWLP), proses pemasangan boleh termasuk penindanan cip, pengeluaran pada peringkat wafer, dan teknologi pengikatan dawai atau flip-chip yang kompleks.

Trend Masa Depan dalam Teknologi Pembungkusan IC

Inovasi Pembungkusan yang Akan Datang

• Pembungkusan Peringkat Wafer Fan-out (FOWLP): Proses integrasi pembungkusan litar maju melibatkan penempatan cip di atas substrat, membungkusnya, dan kemudian mengagih semula cip menggunakan pendawaian halus—mencapai prestasi I/O tinggi dan pelepasan haba dalam bentuk yang nipis dan boleh diskalakan.
• pembungkusan 3D dan Chiplet: Penyusunan IC 3D sebenar, integrasi sistem berasaskan cip, dan jenis pengepakan lanjutan dengan sambungan menegak/mendatar mentakrifkan era seterusnya dalam penskalaan prestasi dan fungsi dalam satu pakej tunggal.
• Bahan Biodegradasi: Untuk meminimumkan sisa elektronik, bahan pengepakan untuk litar bersepadu, seperti plastik boleh kompos dan bahan penyegel bukan toksik, sedang dikaji dan telah digunakan dalam sesetengah produk pengguna pakai buang.
• Pakej Pintar: Gabungan sensor kesihatan, penyejukan aktif (mikrofluidik/kesan Peltier), dan pemantauan sendiri tekanan dan suhu adalah kelebihan bagi aplikasi kritikal.
• Reka Bentuk Pakej Berdayakan AI: AI kini boleh mempercepatkan pengoptimuman automatik jenis pakej, penetapan pin, dan struktur substrat, seterusnya meningkatkan prestasi elektrik, haba, dan kos secara serentak.

Soalan Lazim (FAQ) Mengenai Teknologi Pakej IC

S: Apakah jenis pakej IC yang paling biasa digunakan hari ini?

A: SOP, QFP, QFN, BGA, CSP, dan WLP telah menjadi jenis pengepakan yang biasa dalam produk elektronik moden. Walau bagaimanapun, pakej melalui-lubang (DIP, TO-220) masih digunakan dalam sesetengah aplikasi khas dan produk prototaip.

S: Apakah perbezaan antara pakej pemasangan permukaan dan teknologi melalui-lubang?

J: Peranti pemasangan permukaan direka khusus untuk pemasangan automatik terus pada permukaan papan litar bercetak, dengan saiz pakej yang lebih kecil, ketumpatan litar yang lebih tinggi, dan operasi kelajuan tinggi yang lebih boleh dipercayai. Sebaliknya, teknologi pemasangan melalui-lubang memerlukan pin dimasukkan ke dalam lubang yang telah dilubang pada PCB, yang boleh membentuk sambungan mekanikal yang kukuh tetapi memerlukan lebih banyak ruang papan. Walaupun pemasangan permukaan telah menjadi piawaian industri untuk pengeluaran besar moden, teknologi melalui-lubang masih mustahak dalam pengesahan prototaip, elektronik kuasa, dan aplikasi yang memerlukan kekuatan mekanikal yang tinggi.

Soalan: Apakah teknik pengepakan inovatif yang kini digunakan dalam litar bersepadu (IC) terkini?

Jawapan: Teknologi pengepakan litar bersepadu terkini termasuk pengepakan IC 3D, pengepakan peringkat wafer keluaran helaian, sistem-dalam-pengepakan, pengepakan peringkat cip, serta teknologi pengikatan dawai dan pengikatan flip-chip moden. Kaedah-kaedah ini dapat meningkatkan prestasi elektrik secara berkesan, mencapai ketumpatan pin yang tinggi, dan mengoptimumkan kecekapan pelbagai haba secara signifikan—yang amat penting bagi aplikasi litar bersepadu berkuasa tinggi atau frekuensi tinggi.

Soalan: Bagaimanakah pengepakan IC berkembang untuk menyokong keperluan litar berkelajuan tinggi dan AI?

A: Dengan kemunculan pusat data, akselerator AI, dan 5G, teknologi pengekalan litar bersepadu perlu terus berkembang bagi meminimumkan kesan parasit dan meningkatkan prestasi terma. Penyelesaian pengekalan seperti BGA, substrat maju, via pengalir haba, pengekalan 3D, dan komponen pasif terbenam telah menjadi sangat penting. Litar bersepadu 3D dan seni bina cip membolehkan integrasi rapat pelbagai komponen berfungsi ke dalam satu pakej tunggal, seterusnya meningkatkan ketumpatan pengiraan dan kecekapan tenaga secara ketara.

S: Bahan pengekalan manakah yang terbaik untuk persekitaran yang memerlukan kebolehpercayaan tinggi atau persekitaran mencabar?

Pembungkusan seramik dan logam menawarkan kekuatan mekanikal, konduktiviti terma, dan rintangan persekitaran yang luar biasa, menjadikan mereka pilihan ideal untuk aplikasi dalam industri automotif, ketenteraan, dan aerospace. Bagi elektronik pengguna dan produk elektronik tujuan am, pembungkusan plastik dan komposit dengan sifat penyegelan yang baik biasanya memberikan keseimbangan terbaik antara keberkesanan kos dan ketahanan.

S: Bagaimanakah saya memilih pembungkusan yang sesuai untuk aplikasi saya?

J: Apabila memilih jenis pembungkusan litar bersepadu, ciri-ciri elektrik, penggunaan kuasa, had saiz pembungkusan, proses pembuatan yang tersedia, dan keperluan kebolehpercayaan pengguna akhir perlu dipertimbangkan. Sama pentingnya adalah kestabilan rantaian bekalan, jumlah kos pemilikan (termasuk pemasangan dan pemeriksaan), dan pensijilan yang berkaitan (pematuhan RoHS, JEDEC, dan IPC). Panduan komprehensif ini untuk pemilihan pembungkusan litar bersepadu akan memberikan panduan langkah demi langkah!

Kesimpulan

Disebabkan permintaan yang semakin meningkat terhadap miniaturisasi, kelajuan tinggi, kecekapan tenaga tinggi dan kebolehpercayaan tinggi dalam elektronik, teknologi pengekodan litar bersepadu sedang mengalami perkembangan yang belum pernah berlaku sebelumnya. Teknologi pengekalan moden, sebagai jambatan penting antara cip silikon yang tepat dengan peranti bersambung yang kukuh, sedang menyokong aplikasi inovatif dalam pelbagai bidang, daripada peranti boleh pakai pintar hingga kenderaan autonomi. Seperti yang dapat dilihat dalam panduan komprehensif ini mengenai teknologi pengekodan litar bersepadu, memilih penyelesaian pengekalan yang sesuai bukanlah pertimbangan kedua, tetapi merupakan kunci utama yang menentukan kejayaan atau kegagalan mana-mana litar bersepadu atau komponen elektronik.