IC-pakketeknologi: Typer og veiledning for pakketeknologier

Introduksjon til IC-pakketeknologi

Integrasjonskretser (IC-er) utgjør grunnlaget for alle moderne elektroniske systemer. Pakketechnologien deres gir et viktig grensesnitt mellom silisiumchips og det ytre miljøet, og muliggjør store applikasjoner, miniatyrisering og drift med høy pålitelighet. Denne guiden følger utviklingshistorien til integrasjonskrets-pakketechnologi, fra de første store gjennombruddene til dagens nyeste løsninger.

En god chippakke må ikke bare beskytte chippen, men også oppfylle krav som stabil elektrisk ytelse, effektiv varmeavledning, enkle produksjonsprosesser og høy holdbarhet. Fra tradisjonell DIP-pakking til innovative teknologier som 3D-pakking og FOWLP, utvikler pakketechnologien seg kontinuerlig.

Grunnleggende om IC-pakker

Hva er en IC-pakke? Hvorfor er den viktig?

Et integrert kretspakke er et beskyttende omslag som brukes til å sikre montering og kobling av brikker (eller i tilfellet med flerbrikkmoduler og avanserte pakkeløsninger) i et elektronisk system. De viktigste funksjonene inkluderer:

• Beskyttelse: Beskytter integrerte kretsbrikker mot fukt, støt, forurensning og elektrostatiske utladninger.
• Elektrisk tilkobling: Brikkene kobles til større systemer via metalltråder, loddekuler eller kontakter, noe som muliggjør kraftfull signaloverføring.
• Varmebehandling: Det bidrar til å lede bort varme generert av integrerte kretser til trykte kretskort eller til omgivelsene, og sikrer dermed pålitelig og kontinuerlig drift. Forbedret varmeavledning er avgjørende for høyeffekt- og høyfrekvenskretser.
• Identifisering: Dette dokumentet inneholder all informasjon som kreves for montering, drift og vedlikehold, samt overholdelse av lover og forskrifter.

Omfanget av denne omfattende veiledningen

Denne veiledningen om valg og design av IC-pakker besvarer:

• Hva er de vanligste typene IC-pakker?
• Når det gjelder elektronikk, termodynamikk, mekanikk og produksjon – hva er likt og hva er forskjellig mellom ulike typer IC-pakker?
• Ettersom halvlederteknologien fortsetter å utvikle seg, hvordan har IC-pakketeknologien endret seg?
• Hvor viktig er ny, innovativ pakketeknologi for AI, 5G og Internett av ting?
• Hvilken pakkeløsning passer best til dine applikasjonskrav?

Med et ord, dette er en omfattende og viktig guide. Den har som mål å hjelpe leserne med å forstå integrerte kretstyper, velge passende pakker og forstå globale trender innen pakketeknologi.

Byggesteinene i IC-pakker

Grunnleggende pakkedeler

Uansett pakketype deler alle integrerte kretspakker noen grunnleggende komponenter, som kombineres for å produsere høytytende, pålitelige elektroniske produkter:

• IC-die (chip): Kjerner er typisk laget ved hjelp av avansert halvlederproduksjonsteknologi, med silisium som hovedmateriale.
• Pakkeunderlag: Det kan sikkert koble til chips (ved bruk av wire bonding eller flip-chip-teknologi) og gi en plattform for overføring av signaler mellom chipen og eksterne pinner eller loddekuler.
• Ledninger, kuler eller kontakter: Disse pinnene er plassert på siden, bunnen eller alle fire sidene av pakken og brukes til tilkobling til PCB-en.
• Inkapslings- eller tettingsmateriale: Plast- eller keramiske materialer brukt til maskinvare- og miljøbeskyttelse.
• Merking: Identifiseringsmerker, batchnummer, retningssymboler og mulige sikkerhetsfunksjoner mot forfalskning.
• Termiske forbedringsfunksjoner: Eksponerte termiske pad, kjølefinner og varmeplater kan forbedre varmehåndteringen.

IC-pakke materialer og mekaniske egenskaper

Materialer for IC-pakking

Ettersom pakketeknologien blir stadig mer kompleks, blir valget av pakkematerialer mer og mer viktig.

• Plast/epoxy: Den er prisgunstig og egnet for de fleste kommersielle applikasjoner, men dens ytelse er begrenset i høytemperatur- og fuktige miljøer.
• Keramikk: De har utmerket pålitelighet og er egnet for høyeffekt-, militære og romfartsapplikasjoner, spesielt for å tåle store termiske og mekaniske belastninger.
• Metall/sammensatt: Kjølelegemer og ledestriper brukes i økende grad i effekthalvledere og høyfrekvente applikasjoner.

Tabell over pakkematerialer:

Mekaniske egenskaper og pakkeegenskaper

• Vibrasjons/støttmotstand: Det er avgjørende for bil-, luftfarts- og industrielle elektronikkindustrier.
• Fuktfølsomhet: Basert på MSL (fuktfølsomhetsnivå) krever plastemballasje omhyggelig lagring/håndtering.
• Pakkestørrelser: Dette vil påvirke PCB-layout, stablede høyde i 3D IC-applikasjoner og enhetstykkelse i mobile enheter.
• Overflatemonteringskapasitet: Ved å montere komponenter direkte på PCB, muliggjør denne emballasjemetoden mer effektiv automatisert montering.

IC-pakketyper, størrelser og klassifiseringer

For å støtte den eksplosive veksten av applikasjoner innen felt som Internett for ting, høytytende datamaskiner, biler og bærbare enheter, har ulike emballagstyper dukket opp.

Gjennomhålsteknologi

• Dual In-line Package (DIP): Den eldste integrerte kretspakken. Disse komponentene er små, pålitelige og enkle å koble til eller bytte ut. Du kan fremdeles finne dem i prototyper, strømsystemer og eldre produkter.
• TO-92, TO-220: Denne typen pakke brukes vanligvis for småsignalkoblinger (TO-92) og effektkomponenter (TO-220), noe som gjør det mulig å montere dem sikkert og enkelt koble til kjølelegemer.

Overflatemonterings teknologi ( SMT ) og overflatemonterte pakker

• Small-Outline Package (SOP), SOIC: Overflatemonterte (SOP) pakker brukes mye i konsumentelektronikk og bil-elektronikk. SOP-pakker er tynnere enn SOIC-pakker, noe som gjør det mulig med høyere ledningsdensitet på kretskort.
• Quad Flat Package (QFP): Denne pakken har pinner på alle fire sider, noe som gjør den egnet for mikrokontrollere og feltprogrammerbare logikkbrett (FPGA) med et stort antall pinner.
• Quad Flat No-Lead (QFN): Pinnene strekker seg ikke utenfor pakkekroppen; kontaktflaterne er plassert under pakken. De viktigste fordeler med dette designet er at det fungerer godt for varmeavledning og utnytter plassen effektivt.
• Small-Outline Transistor (SOT): De små transistorer/dioder som brukes i overflatemonterings teknologi har høy tetthet.

Array- og avanserte IC-pakkeplattformer

• Ball Grid Array (BGA): Loddeballene under chipen er ordnet i et rutenettmønster. Dette designet har en interconnect-tetthet på hundrevis til tusenvis, så det er perfekt for CPU-er, FPGA-er og hurtigminne.
• Land Grid Array (LGA): Likt BGA, men med gullplateerte poler – ideelt for server-CPU-er, og gir høy pålitelighet og høy tetthet.
• Chip Scale Packaging (CSP): Nesten like liten som selve chipen – ideelt for smarttelefoner, medisinske enheter og Internett for ting.
• Wafer-Level Packaging (WLP): Disse pakkene dannes direkte på wafernivå, noe som muliggjør ekstremt små, høytytende og lave løsninger.

Spesielle avanserte pakninger (fortsettelse)

• System-in-Package (SiP): Flere chips og passive/aktive komponenter er integrert i ett enkelt pakke. Disse chipene passer til bærbare enheter, mikroradioer, avanserte IC-er og IoT-noder. De maksimerer plassutnyttelsen og kombinerer flere funksjoner i ett pakke.
• 3D IC / 3D IC-pakking / 3D-pakking: Stablede chip-strukturer (ved bruk av gjennom-silisium-vias og wafer-bonding-teknologier) muliggjør høy-båndbredde kommunikasjon mellom chips og utenkelig integrasjon. 3D IC-er er et kjennetegn på nyeste generasjons AI-prosessorer og high-end mobile SoCs.

Typer IC-pakker og applikasjoner

Informasjon i et IC-pakke

Informasjonen som er lasermerket eller gravert på hvert integrerte kretspakke er svært viktig, da den påvirker ikke bare montering, men også systemytelse.

• Delnummer og pakketype: For identifikasjon, innkjøp og kvalitetskontroll.
• Pakkemål/omriss: Spesifiserer størrelse, ledningsavstand og plassering for design og loddepadsoppsett.
• Pinnkonfigurasjon: Plasseringen av pinner, kontakter eller baller og de signaler eller krefter de representerer.
• Material/Miljødetaljer: Den er RoHS-konform og blyfri, med beskyttelse mot fuktighet og kjemikalier.
• Lotkoder og datokoder: Sporbarhet for kvalitets- og garantisporing.
• Orienterings- og monteringsmerker: Furer, prikker, fasjer eller lasermerking indikerer pinne 1 og riktig orientering.
• Termiske rangeringer: Maksimal krysstemperatur, effekttap og retningslinjer for bedret termisk ytelse.

IC-pakkeutforming Standarder

Pakkeutforming styres av strenge standarder som garanterer pålitelighet, samvirke og produksjonsvenlighet.

• IPC-7351: Definerer standard kontaktflater for overflatemonterte komponenter for å sikre konsekvens i PCB-design og automatisert montering.
• ANSI Y32.2-1975: Definerer symbolskjermer for alle typer integrerte kretspakker.
• ISO 10303-21: STEP-formatet er vesentlig for utveksling av 3D-modeller av pakkekonturer og dimensjoner mellom designverktøy.
• JEDEC og SEMI-standardisering: Spesielt for flerkilde halvlederpakker er termiske rangeringer, fuktighetssensitivitet, testbarhet og pakk-kompatibilitet svært viktige.
• RoHS/REACH-samsvar: Sørg for at emballasjematerialer for integrerte kretser oppfyller globale miljøstandarder.

Regler og beste praksis for utforming av IC-pakker

Pakkingen av en integrert krets må ta hensyn til en rekke elektriske, termiske og mekaniske krav, inkludert:

• Følg IPC- og JEDEC-fotavtrykksveiledninger: Pad-mønstre optimalisert for overflatemonterte pakninger.
• Optimaliser termiske stier: Bruk eksponerte padder, termiske gjennomganger og tilstrekkelig kobberlag under den termiske pakningen.
• Sjekk pad- og pinneavstand: Velg en pakkeavstand som passer til nøyaktigheten i monteringsprosessen din. Pakninger med fin avstand, som BGAs eller QFNs, kan kreve røntgeninspeksjon og kan øke monteringskostnadene.
• Bruk tydelige orienteringsmarkører: Pin 1 er tydelig merket på pakningen og justert med PCB-silkeskjermet for å unngå monteringsfeil.
• Design for Manufacturability: Unngå å bruke for mange pakketyper på samme PCB, og velg standardiserte, masseproduserte pakker når som helst mulig for å sikre optimale pakkekostnader og stabil leveringskjede.
• Bruk simuleringsverktøy: De nyeste elektroniske designautomatiseringsverktøyene (EDA) kan simulere signalintegritet, mekanisk spenning og termisk ytelse, noe som gjør valg og integrering av avanserte pakninger mer pålitelig.

Hvordan velge riktig IC-pakke

Vurder følgende faktorer når du velger en pakke eller pakketype:

1. Yteleseskrav: For høyhastighets-, lavstøys- eller høy effekttetthets-applikasjoner er BGA- eller 3D IC-pakker mer egnet. SOIC- eller QFN-pakker gir en kostnadseffektiv løsning for mange applikasjoner med medium effekt.
2. Termiske hensyn: CPU-er og effekt-IC-er krever bedre varmeavledning – se etter pakker med kjølefinner, termiske pad eller avansert substrat-teknologi.
3. Mekaniske og miljømessige krav: Når faktorer som vibrasjon, støt eller fuktighet må tas i betraktning (for eksempel i bilindustri eller industriell styring), kan avanserte keramiske eller metallpakninger gi maksimal beskyttelse.
4. Produksjon og montering: SMT-pakninger gir høyest ytelse for automatisert montering; gjennomhulls-pakninger kan være egnet for prototyping og visse applikasjoner med høye krav til pålitelighet.
5. Pakkstørrelse og kretskortbegrensninger: For ekstremt kompakte formfaktorer (bærbare enheter, høreapparater) bør man bruke CSP, QFN eller WLP; for breadboard-kompatible eller tradisjonelle produkter bør man bruke DIP eller SOIC.
6. Kostnad og leveringskjede: Standard pakkeløsninger kan vanligvis redusere pakkekostnader og forkorte leveringstider. Når man designer for masseproduksjon, fokuserer vi på å velge vanlige, allerede tilgjengelige pakketyper. Dette gjør det enkelt å skaffe delene og holde kostnadene under kontroll.

Utfordringer og begrensninger i IC-pakking

Selv om halvlederpakke-teknologi har forbedret seg mye, er det fortsatt noen utfordringer som må tas opp:

• Termisk avledning: Ettersom kretsens strømforbruk fortsetter å øke, nærmer de pålitelige varmeavledningsevnen til tradisjonelle pakninger seg sine grenser. Med nye utviklinger som FOWLP og integrerte termiske baner, er valg av pakning fremdeles svært viktig, spesielt for varmehøye SoC-er.
• Miniatyriseringsgrenser: Ettersom pakkestørrelsen minker, øker vanskeligheten ved montering, deformering og inspeksjon av fine strukturer (spesielt for BGA og WLP), noe som øker risikoen for kostbare feil i feltet.
• Signalintegritet ved høye frekvenser: Høyere dataoverføringshastigheter betyr at signaltap, krysslyd og elektromagnetisk interferens er vanskeligere å kontrollere inne i pakningen. Selv om avanserte substrat- og skjermdesigner forbedrer ytelsen, øker de også pakkekostnadene.
• Mekanisk pålitelighet: Emballasje må tåle støt, vibrasjoner og gjentatte temperaturforandringer, spesielt i harde forhold som de som oppleves av biler og industriell elektronikk.
• Miljømessig og regulatorisk overholdelse: I møte med stadig strengere reguleringer må produsenter sikre at emballasjematerialer er ikke-giftige, resirkulerbare og i samsvar med globale RoHS/REACH/miljøstandarder.
• Kompleks monteringsprosess: I avanserte emballeringsprosesser (SiP, 3D IC, FOWLP) kan monteringsprosesser inkludere chipstabling, wafernivåproduksjon og komplekse wire bonding- eller flip-chip-teknologier.

Fremtidens trender i IC-emballeringsteknologi

Innovasjoner i emballering på gangen

• Fan-out wafer-level packaging (FOWLP): Avanserte kretsemballeringsintegreringsprosesser innebærer å plassere chipen på et underlag, emballere den, og deretter omfordele chipen ved hjelp av finviring—og oppnår høy I/O-ytelse og varmeavgivelse i en tynn og skalerbar form.
• 3D-emballering og chiplets: Sanne 3D IC-stabling, chipbasert systemintegrasjon og avanserte emballasjetyper med vertikale/horizontale interkoblinger definerer neste tidsalder for ytelsesskalbarhet og funksjonalitet i ett enkelt pakke.
• Biologisk nedbrytbare materialer: For å minimere elektronisk avfall forskes det på emballasjematerialer for integrerte kretser, som komposterbare plastmaterialer og ikke-giftige kapslingsmaterialer, og disse er allerede blitt brukt i noen engangsforbruksprodukter.
• Smarte pakker: Kombinasjonen av helseensorer, aktiv kjøling (mikrofluidikk/Peltier-effekt) og selvovervåking av trykk og temperatur er fordelsaktig for kritiske applikasjoner.
• AI-drevet pakkeutforming: AI kan nå akselerere automatisk optimalisering av pakketype, pinntildeling og substratstruktur, og dermed samtidig forbedre elektrisk, termisk og kostnadsmessig ytelse.

Ofte stilte spørsmål (FAQ) om IC-pakketeknologi

Q: Hva er de vanligste IC-pakketyper i dag?

A: SOP, QFP, QFN, BGA, CSP og WLP har blitt vanlige emballasjetyper i moderne elektroniske produkter. Men hullmonterte pakker (DIP, TO-220) brukes fortsatt i noen spesialapplikasjoner og prototypprodukter.

S: Hva er forskjellen på overflatemonterte pakker og hullmonteringsteknologi?

A: Overflatemonterte enheter er spesielt utformet for automatisert montering direkte på overflaten av kretskort, med mindre emballasjestørrelse, høyere kretstetthet og mer pålitelig hastighetsdrift. I motsetning til dette krever hullmonteringsteknologien at benene settes inn i forborede hull på kretskortet, noe som gir en solid mekanisk forbindelse, men krever mer plass på kortet. Selv om overflatemontering har blitt bransjestandard for moderne masseproduksjon, er hullmontering fremdeles uunnværlig i prototypeverifisering, effektelektronikk og applikasjoner som krever høy mekanisk styrke.

Q: Hvilke innovative emballeringsteknikker brukes nå i avanserte integrerte kretser?

A: Avanserte teknologier for emballering av integrerte kretser inkluderer 3D IC-emballering, fan-out wafer-level emballering, system-i-emballering, chip-nivå emballering, samt moderne wire bonding- og flip-chip bonding-teknologier. Disse metodene kan effektivt forbedre elektrisk ytelse, oppnå høy pinntetthet og betydelig optimere varmeavledingseffektivitet – noe som er avgjørende for integrerte kretser med høy effekt eller høy frekvens.

Q: Hvordan har emballering av integrerte kretser utviklet seg for å støtte behovene til høyhastighetskretser og kunstig intelligens?

A: Med innføringen av datasentre, AI-akseleratorer og 5G, må kretspakke-teknologi kontinuerlig utvikles for å minimere parasittiske effekter og forbedre termisk ytelse. Pakkeløsninger som BGA, avanserte substrater, varmeledende gjennomgående hull (vias), 3D-pakking og integrerte passive komponenter har blitt uunnværlige. 3D-integrerte kretser og chip-arkitekturer muliggjør tett integrering av flere funksjonelle komponenter i ett enkelt pakke, noe som betydelig forbedrer regnetetthet og energieffektivitet.

Q: Hvilke pakke-materialer er best egnet for høy pålitelighet eller ekstreme miljøforhold?

Keramisk og metallisk emballasje tilbyr fremragende mekanisk styrke, varmeledningsevne og miljømotstand, noe som gjør dem til ideelle valg for applikasjoner i bil-, militær- og luftfartsindustrien. For konsumentelektronikk og allsidige elektroniske produkter oppnår plast- og sammensatte emballasjer med gode tettingsegenskaper vanligvis best balanse mellom kostnadseffektivitet og holdbarhet.

Spørsmål: Hvordan velger jeg riktig emballasje for min applikasjon?

Svar: Når du velger type integrert kretsemballasje, bør du vurdere elektriske egenskaper, strømforbruk, størsebegrensninger for emballasjen, tilgjengelige produksjonsprosesser og pålitelighetskrav fra sluttbruker. Like viktig er stabilitet i forsyningskjeden, totale eierkostnader (inkludert montering og inspeksjon) og relevante sertifiseringer (overholdelse av RoHS, JEDEC og IPC). Denne omfattende veiledningen for valg av integrert kretsemballasje gir trinn-for-trinn veiledning!

Konklusjon

På grunn av økende etterspørsel etter miniatyrisering, høy hastighet, høy energieffektivitet og høy pålitelighet i elektronikk, utvikler integrert kretspakkingsteknologi seg i et hidtil usett tempo. Moderne pakkingsteknologi fungerer som en avgjørende bro mellom nøyaktige silisiumchips og robuste sammenkoblede enheter, og støtter innovative anvendelser innen et bredt spekter av felt – fra smarte bærbare enheter til autonome kjøretøy. Som du kan se i denne omfattende veiledningen for integrert kretspakkingsteknologi, er valg av riktig pakkeløsning ikke en sekundær vurdering, men en sentral nøkkel som bestemmer suksess eller fiasko for enhver integrert krets eller elektronisk komponent.