Технология корпусировки ИС: руководство по типам и технологиям упаковки

Введение в технологию корпусирования ИС

Интегральные схемы (ИС) составляют основу всех современных электронных систем. Технология их корпусирования обеспечивает важнейший интерфейс между кремниевыми чипами и внешней средой, а также позволяет реализовать масштабные приложения, миниатюризацию и высоконадежную работу. В данном руководстве прослеживается история развития технологии корпусирования интегральных схем — от первых крупных прорывов до современных передовых решений.

Хорошее корпусирование чипа должно не только защищать сам чип, но и соответствовать требованиям, таким как стабильные электрические характеристики, эффективный отвод тепла, простота производственных процессов и высокая долговечность. От традиционного корпусирования DIP до инновационных технологий, таких как 3D-корпусирование и FOWLP, технологии упаковки постоянно развиваются.

Основы корпусирования ИС

Что такое корпус ИС? Почему он важен?

Корпус интегральной схемы (ИС) — это защитная оболочка, используемая для надежного монтажа и соединения чипов (или, в случае многокристальных модулей и передовых технологий упаковки) в электронной системе. Его основные функции включают:

• Защита: Защита чипов интегральных схем от влаги, механических воздействий, загрязнений и электростатических разрядов.
• Электрическое подключение: Чипы подключаются к более крупным системам посредством металлических проводов, припойных шариков или контактных площадок, что обеспечивает эффективную передачу сигналов.
• Тепловое управление: Он способствует отводу тепла, выделяемого интегральными схемами, на печатную плату или в окружающую среду, обеспечивая тем самым надежную и непрерывную работу. Улучшение теплоотвода имеет важнейшее значение для высокомощных и высокочастотных схем.
• Идентификация: Этот документ содержит всю необходимую информацию для сборки, эксплуатации и технического обслуживания, а также для соблюдения юридических и нормативных требований.

Область применения данного комплексного руководства

Данное руководство по выбору и проектированию корпусов ИС отвечает на следующие вопросы:

• Каковы распространённые типы корпусов ИС?
• С точки зрения электроники, термодинамики, механики и производства — что общего и в чём различия между различными типами корпусов ИС?
• По мере развития полупроводниковых технологий, как изменилась технология корпусирования ИС?
• Насколько важны инновационные технологии корпусирования для искусственного интеллекта, 5G и Интернета вещей?
• Какое решение по корпусированию наилучшим образом соответствует требованиям вашего применения?

Другими словами, это исчерпывающее и важное руководство. Оно призвано помочь читателям понять типы интегральных схем, выбрать подходящие корпуса и разобраться в глобальных тенденциях развития технологий корпусирования.

Компоненты корпусов ИС

Основные компоненты корпуса

Независимо от типа корпуса, все корпуса интегральных схем включают несколько базовых компонентов, которые объединяются для создания высокопроизводительных и надёжных электронных изделий:

• Кристалл ИС (чип): Кристаллы, как правило, изготавливаются с использованием передовых технологий производства полупроводников, основным материалом является кремний.
• Подложка корпуса: Надежно соединяет микросхемы (с использованием проволочной сварки или технологии flip-chip) и обеспечивает платформу для передачи сигналов между микросхемой и внешними выводами или шариковыми контактами.
• Выводы, шарики или контактные площадки: Эти выводы расположены сбоку, снизу или по всем четырём сторонам корпуса и используются для подключения к печатной плате.
• Материал герметизации или упаковки: Пластиковые или керамические материалы, используемые для защиты от механических воздействий и внешней среды.
• Обозначения: Маркировка, номер партии, обозначения ориентации и возможные признаки защиты от подделки.
• Конструктивные элементы для улучшения тепловых характеристик: Открытые тепловые контактные площадки, радиаторы и тепловые пластины могут улучшить теплоотвод.

Материалы корпусов ИС и их механические свойства

Материалы для корпусирования ИС

По мере усложнения технологий корпусирования выбор материалов для корпусирования становится всё более важным.

• Пластик/эпоксид: Они доступны по цене и подходят для большинства коммерческих применений, однако их производительность ограничена в условиях высоких температур и влажности.
• Керамика: Они обладают превосходной надёжностью и подходят для приложений с высокой мощностью, военных и аэрокосмических, особенно для выдерживания высоких тепловых и механических нагрузок.
• Металл/композит: Теплоотводы и свинцовые рамки всё чаще используются в силовых полупроводниках и высокочастотных приложениях.

Таблица материалов для корпусирования:

Механические свойства и особенности корпуса

• Устойчивость к вибрации/ударам: Это имеет решающее значение для автомобильной, аэрокосмической и промышленной электроники.
• Чувствительность к влаге: С учетом уровня чувствительности к влаге (MSL) пластиковая упаковка требует тщательного хранения/обращения.
• Габаритные размеры корпуса: Это повлияет на разводку печатной платы, высоту укладки в 3D-приложениях ИС и толщину устройства в мобильных устройствах.
• Возможность поверхностного монтажа: Данный метод упаковки позволяет напрямую крепить компоненты к печатной плате, обеспечивая более эффективную автоматизированную сборку.

Типы, размеры и классификации корпусов ИС

Для поддержки стремительного роста приложений в таких областях, как Интернет вещей, высокопроизводительные вычисления, автомобилестроение и носимые устройства, появились различные типы упаковки.

Сквозное монтажное отверстие

• Корпус с двойным рядом выводов (DIP): Самый ранний тип корпуса интегральных схем. Эти компоненты малы, надежны и легко подключаются или заменяются. Их всё ещё можно найти в прототипах, силовых системах и устаревших продуктах.
• TO-92, TO-220: Такой тип корпуса обычно используется для малосигнальных транзисторов (TO-92) и силовых приборов (TO-220), что позволяет надёжно закреплять их и легко подключать к радиаторам.

Технология поверхностного монтажа ( SMT ) и корпуса для поверхностного монтажа

• Малогабаритный корпус (SOP), SOIC: Корпуса SOP для поверхностного монтажа широко используются в бытовой электронике и автомобильной электронике. Корпуса SOP тоньше, чем корпуса SOIC, что позволяет достичь более высокой плотности трассировки на печатной плате.
• Планарный квадратный корпус (QFP): Этот корпус имеет выводы с четырёх сторон, что делает его подходящим для микроконтроллеров и программируемых логических интегральных схем (FPGA) с большим количеством выводов.
• Квадратный плоский корпус без выводов (QFN): Выводы не выходят за пределы корпуса; контактные площадки расположены на нижней стороне корпуса. Основные преимущества такой конструкции — эффективный отвод тепла и рациональное использование пространства.
• Транзистор в малом корпусе (SOT): Малые транзисторы/диоды, используемые в технологии поверхностного монтажа, обладают высокой плотностью.

Матричные и передовые технологии упаковки ИС

• Шариковая матричная решётка (BGA): Паянные шарики под микросхемой расположены в виде сетки. Такая конструкция обеспечивает плотность соединений от сотен до тысяч, что делает её идеальной для ЦП, ПЛИС и высокоскоростной памяти.
• Решётка контактных площадок (LGA): Аналогично BGA, но с контактными площадками с золочением — идеально подходит для серверных процессоров, обеспечивая высокую надёжность и плотность.
• Упаковка кристалла (CSP): Почти такого же размера, как сам чип — идеально подходит для смартфонов, медицинских устройств и Интернета вещей.
• Упаковка на уровне пластины (WLP): Эти корпуса формируются непосредственно на уровне пластины, что позволяет создавать ультракомпактные, высокопроизводительные и тонкие решения.

Специальные передовые корпуса (продолжение)

• Система-в-корпусе (SiP): Несколько чипов и пассивных/активных компонентов интегрированы в один корпус. Такие чипы подходят для носимых устройств, микрорадио, передовых ИС и узлов Интернета вещей. Они максимизируют использование пространства и объединяют множество функций в одном корпусе.
• 3D ИС / Упаковка 3D ИС / 3D Упаковка: Структуры чипов, собранных в стек (с использованием сквозных межсоединений через кремний и технологий соединения пластин), обеспечивают высокопроизводительную связь между чипами и беспрецедентную интеграцию. 3D ИС являются отличительной чертой передовых процессоров искусственного интеллекта и высокопроизводительных мобильных SoC.

Типы корпусов ИС и их применение

Информация, содержащаяся в корпусе ИС

Информация, нанесённая лазером или гравировкой на каждый корпус интегральной схемы, имеет большое значение, поскольку влияет не только на сборку, но и на производительность системы.

• Номер детали и тип корпуса: Для идентификации, закупок и контроля качества.
• Габаритные размеры/конфигурация корпуса: Определяет размеры, шаг выводов и их расположение для проектирования и разводки контактных площадок.
• Конфигурация пинов: Расположение выводов, контактных площадок или шариков и соответствующие им сигналы или функции.
• Сведения о материалах/экологические характеристики: Соответствует требованиям RoHS, безсвинцовый, обеспечивает защиту от влаги и химических веществ.
• Коды партий и дат: Прослеживаемость для контроля качества и гарантийного обслуживания.
• Маркировка ориентации и сборки: Выемки, точки, фаски или лазерные отметки указывают вывод 1 и правильную ориентацию.
• Тепловые характеристики: Максимальная температура перехода, рассеиваемая мощность и рекомендации по улучшению тепловых характеристик.

Конструкция корпуса ИС Стандарты

Конструирование корпусов регулируется строгими стандартами, обеспечивающими надёжность, совместимость и пригодность к производству.

• IPC-7351: Определяет стандартные шаблоны контактных площадок для корпусов поверхностного монтажа для обеспечения согласованности компонентов при проектировании печатных плат и автоматизированной сборке.
• ANSI Y32.2-1975: Определяет схематические обозначения для всех типов корпусов ИС.
• ISO 10303-21: Формат STEP имеет важнейшее значение для обмена 3D-моделями контуров и размеров упаковки между инструментами проектирования.
• Стандартизация JEDEC и SEMI: Особенно важны такие параметры, как тепловые характеристики, чувствительность к влажности, тестируемость и совместимость корпусов для многопоставляемых полупроводниковых приборов.
• Соответствие RoHS/REACH: Обеспечьте, чтобы материалы упаковки интегральных схем соответствовали глобальным экологическим стандартам.

Правила и передовые практики проектирования корпусов ИС

Упаковка интегральной схемы должна учитывать широкий спектр электрических, тепловых и механических требований, включая:

• Следуйте рекомендациям IPC и JEDEC по посадочным местам: Шаблоны контактных площадок оптимизированы для корпусов с поверхностным монтажом.
• Оптимизация тепловых путей: Используйте открытые контактные площадки, тепловые переходные отверстия и достаточную медную разводку под тепловым корпусом.
• Проверьте шаг контактных площадок и выводов: Выбирайте шаг корпуса, соответствующий точности вашего процесса сборки. Корпуса с мелким шагом (например, BGA или QFN) могут требовать рентгеновской инспекции и увеличения затрат на сборку.
• Используйте четкие метки ориентации: Вывод 1 четко обозначен на корпусе и совмещен с маркировкой на шелкографии печатной платы для предотвращения ошибок при сборке.
• Конструирование с учетом технологичности: Избегайте использования слишком большого количества типов корпусов на одной печатной плате и по возможности выбирайте стандартные, массово производимые корпуса для обеспечения оптимальной стоимости упаковки и стабильности цепочки поставок.
• Используйте инструменты моделирования: Последние комплекты автоматизированного проектирования электроники (EDA) могут моделировать целостность сигнала, механическое напряжение и тепловые характеристики, что делает выбор и интеграцию передовых корпусов более надежными.

Как выбрать правильный корпус ИС

Учитывайте следующие факторы при выборе корпуса или типа корпуса:

1. Требования к характеристикам: Для высокоскоростных, малошумящих или высокомощных приложений более подходят корпуса BGA или 3D IC. Корпуса SOIC или QFN предлагают экономически эффективное решение для многих среднемощных приложений.
2. Тепловые аспекты: ЦП и силовые ИС требуют лучшего отвода тепла — выбирайте корпуса с радиаторами, тепловыми подушками или передовыми технологиями подложки.
3. Механические и эксплуатационные требования: Когда необходимо учитывать такие факторы, как вибрация, удары или влажность (например, в автомобильных или промышленных системах управления), передовые керамические или металлические корпуса обеспечивают максимальную защиту.
4. Технологичность и монтаж: SMT-упаковка обеспечивает наибольшую пропускную способность для автоматизированной сборки; корпуса с выводами для сквозного монтажа могут быть подходящим вариантом для прототипирования и некоторых применений с высокими требованиями к надёжности.
5. Размер корпуса и ограничения печатной платы: Для сверхкомпактных форм-факторов (портативные устройства, слуховые аппараты) используйте CSP, QFN или WLP; для совместимых с макетной платой или традиционных продуктов — DIP или SOIC.
6. Стоимость и цепочка поставок: Стандартные решения по упаковке обычно позволяют снизить затраты на упаковку и сократить сроки поставки. При проектировании для массового производства мы сосредоточены на выборе распространённых готовых типов корпусов. Это упрощает получение компонентов и контроль расходов.

Проблемы и ограничения в упаковке ИС

Несмотря на значительный прогресс в технологии упаковки полупроводников, некоторые текущие проблемы по-прежнему требуют внимания:

• Тепловое отведение: По мере увеличения энергопотребления чипов возможности традиционных корпусов по надежному отводу тепла приближаются к пределу. Благодаря новым разработкам, таким как FOWLP и встроенные тепловые пути, выбор корпуса по-прежнему имеет большое значение, особенно для SoC с высоким тепловыделением.
• Ограничения миниатюризации: По мере уменьшения размера корпуса возрастает сложность сборки, деформации и контроля мелких структур (особенно для BGA и WLP), что увеличивает риск дорогостоящих отказов в условиях эксплуатации.
• Целостность сигнала на высоких частотах: Более высокие скорости передачи данных означают, что потери сигнала, перекрестные помехи и электромагнитные помехи труднее контролировать внутри корпуса. Хотя передовые конструкции подложек и экранирование улучшают характеристики, они также увеличивают стоимость упаковки.
• Механическая надёжность: Корпус должен выдерживать удары, вибрации и многократные изменения температуры, особенно в жёстких условиях, характерных для автомобильной и промышленной электроники.
• Соответствие экологическим и нормативным требованиям: Перед лицом все более строгих нормативных требований производители должны обеспечивать, чтобы упаковочные материалы были нетоксичными, пригодными для переработки и соответствовали международным стандартам RoHS/REACH/экологическим стандартам.
• Сложный процесс сборки: В передовых процессах упаковки (SiP, 3D IC, FOWLP) процессы сборки могут включать установку кристаллов в стопу, производство на уровне пластины и сложные технологии проволочного монтажа или flip-chip.

Будущие тенденции в технологии корпусов ИС

Инновации в упаковке на горизонте

• Fan-out Wafer-Level Packaging (FOWLP): Передовые процессы интеграции схематической упаковки включают размещение кристалла на подложке, его упаковку, а затем перераспределение кристалла с использованием тонкой проводки — что обеспечивает высокую производительность по количеству выводов и отвод тепла в тонком и масштабируемом форм-факторе.
• 3D-упаковка и чиплеты: Настоящая 3D-стековая интегральная схема, чиповая интеграция системы и передовые типы упаковки с вертикальными/горизонтальными межсоединениями определяют следующую эру масштабируемости производительности и функциональности в одном корпусе.
• Биоразлагаемые материалы: В целях сокращения электронных отходов проводятся исследования упаковочных материалов для интегральных схем, таких как компостируемые пластики и нетоксичные герметизирующие материалы; они уже используются в некоторых одноразовых потребительских продуктах.
• Умные корпуса: Сочетание датчиков здоровья, активного охлаждения (микрофлюидика/эффект Пельтье) и самоконтроля давления и температуры является преимуществом для критически важных применений.
• Проектирование корпусов с использованием ИИ: Искусственный интеллект теперь может ускорить автоматическую оптимизацию типа корпуса, назначения выводов и структуры подложки, одновременно улучшая электрические, тепловые и стоимостные характеристики.

Часто задаваемые вопросы (FAQ) о технологии корпусов ИС

В: Какие наиболее распространённые типы корпусов ИС сегодня?

A: SOP, QFP, QFN, BGA, CSP и WLP стали распространенными типами корпусов в современных электронных изделиях. Однако корпуса с выводами для сквозного монтажа (DIP, TO-220) по-прежнему используются в некоторых специальных приложениях и прототипах.

В: В чем разница между поверхностным монтажом и технологией сквозного монтажа?

О: Устройства с поверхностным монтажом специально разработаны для автоматической установки непосредственно на поверхность печатных плат и характеризуются меньшими размерами корпуса, более высокой плотностью монтажа и более надежной работой на высоких скоростях. Напротив, технология сквозного монтажа требует вставки выводов в предварительно просверленные отверстия на печатной плате, что обеспечивает прочное механическое соединение, но занимает больше места на плате. Тогда как поверхностный монтаж стал промышленным стандартом для современного массового производства, технология сквозного монтажа остается незаменимой при проверке прототипов, в силовой электронике и в приложениях, требующих высокой механической прочности.

Вопрос: Какие инновационные методы упаковки сейчас используются в передовых ИС?

Ответ: К передовым технологиям упаковки интегральных схем относятся 3D-упаковка ИС, fan-out упаковка на уровне пластины, системная упаковка (SiP), упаковка на уровне кристалла, а также современные технологии проволочного монтажа и flip-chip соединений. Эти методы позволяют эффективно улучшить электрические характеристики, достичь высокой плотности выводов и значительно оптимизировать эффективность отвода тепла — что имеет решающее значение для применения интегральных схем с высокой мощностью или высокой частотой.

Вопрос: Как эволюционировала упаковка ИС, чтобы соответствовать потребностям высокоскоростных схем и искусственного интеллекта?

A: С появлением центров обработки данных, ускорителей ИИ и сетей 5G технология упаковки интегральных схем должна постоянно совершенствоваться для минимизации паразитных эффектов и улучшения тепловых характеристик. Решения в области упаковки, такие как BGA, передовые субстраты, теплопроводные переходные отверстия, 3D-упаковка и встроенные пассивные компоненты, стали незаменимыми. Трехмерные интегральные схемы и архитектуры чипов позволяют тесно интегрировать несколько функциональных компонентов в одном корпусе, значительно повышая вычислительную плотность и энергоэффективность.

В: Какие упаковочные материалы наиболее подходят для условий высокой надежности или экстремальных сред?

Керамические и металлические корпуса обладают высокой механической прочностью, теплопроводностью и устойчивостью к воздействию окружающей среды, что делает их идеальным выбором для применения в автомобильной, военной и аэрокосмической промышленности. Для потребительской электроники и универсальных электронных изделий предпочтение отдается пластиковым и композитным корпусам с хорошими герметизирующими свойствами, поскольку они обеспечивают наилучшее соотношение стоимости и долговечности.

В: Как выбрать подходящий корпус для моего применения?

О: При выборе типа корпуса интегральной микросхемы необходимо учитывать электрические характеристики, энергопотребление, ограничения по размеру корпуса, доступные производственные процессы и требования к надёжности конечного пользователя. Не менее важны стабильность цепочки поставок, совокупная стоимость владения (включая монтаж и контроль), а также соответствующие сертификаты (соответствие RoHS, JEDEC и IPC). Это подробное руководство по выбору корпусов интегральных микросхем предоставит пошаговые рекомендации!

Заключение

Из-за растущего спроса на миниатюризацию, высокую скорость, энергоэффективность и надежность в электронике технология упаковки интегральных схем переживает беспрецедентное развитие. Современные технологии упаковки, выступая ключевым мостом между точными кремниевыми чипами и устойчивыми взаимосвязанными устройствами, поддерживают инновационные приложения в широком спектре областей — от умных носимых устройств до автономных транспортных средств. Как видно из этого подробного руководства по технологии упаковки интегральных схем, выбор правильного решения по упаковке — не второстепенный вопрос, а ключевой фактор, определяющий успех или неудачу любой интегральной схемы или электронного компонента.