IC технологија паковања: Водич кроз типове и технологије паковања

Увод у технологију паковања ИК

Интегрисана кола (IC) чине основу свих модерних електронских система. Технологија њиховог паковања обезбеђује кључно спојно место између силицијумских чипова и спољашње средине, омогућавајући примену у великој скали, минијатуризацију и рад високе поузданости. Овај водич прати развојну историју технологије паковања интегрисаних кола, од првих главних пролома до данашњих најсавременијих решења.

Добро паковање чипа мора не само да заштити чип, већ и да испуни захтеве попут стабилних електричних карактеристика, ефикасног расипања топлоте, једноставних процеса производње и високе издржљивости. Од традиционалног DIP паковања до иновативних технологија као што су 3D паковање и FOWLP, технологија паковања се стално развија.

Основе паковања ИК

Шта је пакет ИК? Зашто је важан?

Пакет интегрисаног кола (IC) је заштитна кућица која се користи за сигурно монтирање и повезивање чипова (или, у случају модула са више чипова и напредног паковања) у електронском систему. Његове главне функције укључују:

• Zaštita: Заштита чипова интегрисаних кола од влаге, удараца, загађења и електростатичког пражњења.
• Електрична веза: Чипови су повезани са већим системима преко металних жица, лемних кугли или контактних поља, омогућавајући моћну трансмисију сигнала.
• Upravljanje toplinom: Помаже у расипању топлоте коју генеришу интегрисана кола на штампаној плочи или у околини, чиме осигурава поуздан и непрекидан рад. Побољшање расипања топлоте је од суштинског значаја за кола са великим снагама и високим фреквенцијама.
• Identifikacija: Овај документ садржи сву потребну информацију за скупљање, рад и одржавање, као и испуњење законских и прописаних захтева.

Опсег овог исцрпног водича

Овај водич за избор и дизајн пакета ИЦ одговара на питања:

• Који су уобичајени типови пакета ИЦ?
• У погледу електронике, термодинамике, механике и производње — шта је исто, а шта различито између различитих врста ИЦ пакета?
• Како се полупроводничка технологија даље развија, како се променила технологија паковања ИЦ-ја?
• Колико је важна нова иновативна технологија паковања за вештачку интелигенцију, 5G и Интернет ствари?
• Које решење за паковање најбоље одговара вашим захтевима примене?

Речима, ово је исцрпни и важан водич. Циљ му је да помогне читаоцима да разумеју типове интегрисаних кола, одаберу одговарајуће пакете и разумеју глобалне трендове у технологији паковања.

Основни градивни блокови ИЦ пакета

Основни делови пакета

Без обзира на тип пакета, сви пакети интегрисаних кола деле неколико основних компоненти који се комбинују ради производње електронских производа високих перформанси и поузданости:

• ИЦ Ди (Чип): Срца су углавном направљена коришћењем напредне технологије производње полупроводника, са силицијумом као основним материјалом.
• Подлога пакета: Може сигурно повезати чипове (коришћењем жичаног спајања или флип-чип технологије) и обезбедити платформу за пренос сигнала између чипа и спољних извода или лемних куглица.
• Изводи, куглице или контактне површине: Ови изводи се налазе на страни, дну или све четири стране пакета и користе се за повезивање са штампаном плочом.
• Материјал за инкапсулацију или запечативање: Пластични или керамички материјали који се користе за заштиту од механичких и електромагнетних утицаја.
• Ознаке: Идентификационе ознаке, број партије, ознаке смера и могуће карактеристике против фалсификације.
• Каркатеристике за побољшање топлотног управљања: Отворене термалне подлоге, радијатори и топлотне плоче могу побољшати управљање топлотом.

Материјали за ИЦ пакете и механичка својства

Материјали за ИЦ паковање

Како технологија паковања постаје све комплекснија, избор материјала за паковање постаје све важнији.

• Пластични/епоксидни: Ниске су цене и погодни за већину комерцијалних примене, али је њихова перформанса ограничена у срединама са високом температуром и влажношћу.
• Keramika: Имају изузетну поузданост и погодни су за примене са високом снагом, војне и аеропросторне примене, нарочито да издрже високе термичке и механичке напоне.
• Метал/композит: Хладњаци и оквирни водици све чешће се користе код полупроводника за напајање и високофреквентних примена.

Табела материјала за паковање:

Механичка својства и карактеристике паковања

• Отпорност на вибрације/тресње: Кључно је за аутомобилску, аеропросторну и индустријску електронску индустрију.
• Осетељивост на влагу: На основу нивоа осетљивости на влагу (MSL), пластична паковања захтевају пажљиво складиштење/ручно опходење.
• Димензије паковања: Ово ће утицати на распоред на ППС-у, висину слагања у 3D ИЦ применама и дебљину уређаја у мобилним уређајима.
• Могућност површинског монтирања: Ова метода паковања омогућава ефикаснију аутоматизовану скуповну тако што компоненте директно прилепљује на ППС.

Типови, величине и класификације ИЦ паковања

Како би се подржао експлозивни раст примене у областима као што су Интернет ствари, високоперформантно рачунарство, аутомобили и носиви уређаји, појавило се разноврсно паковање.

Технологија отвора кроз плату

• Дупли ин-лајн пакет (DIP): Најранији пакет интегрисаних кола. Ови делови су мали, поуздани и лаки за прикључивање или замену. Можете их још увек пронаћи у прототипима, системима напајања и старијим производима.
• TO-92, TO-220: Ова врста пакета се често користи за транзисторе малог сигнала (TO-92) и елементе за напајање (TO-220), омогућавајући сигурно монтирање и лако повезивање са хладњацима.

Површинска монтажа ( SMT ) и пакети за површинску монтажу

• Мали контурни пакет (SOP), SOIC: Пакети површинске монтаже (SOP) широко се користе у потрошачкој и аутомобској електроници. SOP пакети су тањи од SOIC пакета, чиме омогућавају већу густину проводника на штампаној плочи.
• Квадратни равни пакет (QFP): Овај пакет има иглице на све четири стране, због чега је погодан за микроконтролере и програмабилне логичке низове (FPGA) са великим бројем иглица.
• Квадратни равни без извода (QFN): Иглице се не протежу ван тела пакета; контактне површине се налазе на дну пакета. Главне предности ове конструкције су одлично расипање топлоте и ефикасно коришћење простора.
• Транзистор у малим омотачу (SOT): Мали транзистори/диоде који се користе у технологији површинског монтирања имају високу густину.

Низови и напредне технологије запакивања интегрисаних кола

• Мрежа лемних кугли (BGA): Лемне кугле испод чипа распоређене су у обрасцу мреже. Ова конструкција има густину спојева од стотине до хиљада, због чега је савршена за ЦПУ-ове, FPGA-ове и меморије високе брзине.
• Мрежа контактних поља (LGA): Слично као BGA, али са позлатним контактним површинама — идеално за серверске ЦПУ-ове, нуди високу поузданост и густину.
• Pakovanje veličine čipa (CSP): Skoro jednako malo koliko i sam čip – idealno za pametne telefone, medicinske uređaje i Internet stvari.
• Pakovanje na nivou ploče (WLP): Ova pakovanja se formiraju direktno na nivou ploče, omogućavajući ultra-mala, visokopropusna i tanaka rešenja.

Posebna napredna pakovanja (nastavak)

• Sistem u pakovanju (SiP): Više čipova i pasivnih/aktivnih komponenti integrisano je u jednom pakovanju. Ovi čipovi odgovaraju nosivim uređajima, mikro-radio uređajima, naprednim integrisanim kola i čvorovima Interneta stvari. Maksimalno iskorištavaju prostor i kombinuju više funkcija u jednom pakovanju.
• 3D IC / 3D IC pakovanje / 3D pakovanje: Slojevite strukture čipova (koje koriste tehnologije provodnika kroz silicijum i spajanja ploča) omogućavaju komunikaciju između čipova sa velikim propusnim opsegom i bez presedana integraciju. 3D IC-ovi su karakteristični za najnaprednije procesore za veštačku inteligenciju i mobilne SoC-ove visoke klase.

Tipovi IC pakovanja i primene

Informacije sadržane u IC paketu

Informacije laserski označene ili gravirane na svakom paketu integrisanog kola od velikog su značaja, jer utiču ne samo na montažu već i na performanse sistema.

• Oznaka dela i tip paketa: Za identifikaciju, nabavku i kontrolu kvaliteta.
• Dimenzije/oblik paketa: Navodi veličinu, razmak između izvoda i njihovo postavljanje za projektovanje i raspored kontakata.
• Konfiguracija pinova: Raspored pina, padova ili kuglica i signala ili sila koje oni predstavljaju.
• Detalji o materijalu/okolini: У складу је са RoHS и без олова, са заштитом од влаге и хемикалија.
• Ознаке лота и ознаке датума: Пративност ради контроле квалитета и гаранције.
• Ознаке оријентације и монаже: Исечци, тачке, фасе или ласерске ознаке означавају извод 1 и исправну оријентацију.
• Термална отпорност: Максимална температура споја, дисипација снаге и упутства за побољшање термалних перформанси.

Дизајн ИС пакета Standardi

Дизајн паковања подлеже строгим стандардима, што осигурава поузданост, међусобну разменљивост и могућност производње.

• IPC-7351: Definišite standardne šeme za površinsko montirane komponente kako biste osigurali konzistentnost paketa u projektovanju PCB i automatizovanoj montaži.
• ANSI Y32.2-1975: Definiše šematske simbole za sve vrste IC paketa.
• ISO 10303-21: STEP format je neophodan za razmenu 3D modela oblika i dimenzija pakovanja između alata za projektovanje.
• Standardizacija JEDEC i SEMI: Naročito za poluprovodničke pakete višestrukih izvora, termički rejting, osetljivost na vlažnost, testabilnost i kompatibilnost paketa su veoma važni.
• Saglasnost sa RoHS/REACH: Obezbedite da materijali za pakovanje integrisanih kola zadovoljavaju globalne ekološke standarde.

Pravila i najbolje prakse za projektovanje IC paketa

Паковање интегрисаног кола мора узети у обзир низ електричних, термалних и механичких захтева, укључујући:

• Пратите упутства IPC и JEDEC за отиске: Обрасци подлога оптимизовани за површинску монтажу.
• Оптимизујте термалне стазе: Користите отворене подлоге, термалне проводнике и довољну бакарну слој испод термалног пакета.
• Проверите размак између подлога и извода: Изаберите размак пакета који одговара прецизности вашег процеса монтаже. Пакети са малим размаком (BGAs или QFNs) могу захтевати рендгенску инспекцију и повећати трошкове монтаже.
• Користите јасне ознаке оријентације: Извод 1 је јасно означен на пакету и поравнат са шемом на ПП траки како би се спречиле грешке при монтажи.
• Dizajn za proizvodljivost: Избегавајте коришћење превише типова пакета на истој ПП траци и увек када је могуће бирамо стандардне, масовно производоване пакете ради осигуравања оптималних трошкова паковања и стабилности снабдевања.
• Користите алатке за симулацију: Најновији комплети за аутоматизацију електронског дизајна (EDA) могу да симулирају интегритет сигнала, механичка напрезања и термалне перформансе, чинећи одабир и интеграцију напредних пакета поузданјим.

Како одабрати прави ИЦ пакет

Узмите у обзир следеће факторе приликом бирања пакета или типа пакета:

1. Zahtevi za performansom: За примене са високом брзином, ниском бучношћу или високом густином снаге, БГА или 3Д ИЦ пакети су погоднији. СОИЦ или КФН пакети пружају трошковно ефикасно решење за многе примене средње снаге.
2. Termička razmatranja: ЦПУ-ови и силовни ИЦ-ови захтевају боље расипање топлоте — потражите пакете са хладњацима, термалним подлогама или напредном технологијом супстрата.
3. Механички и еколошки захтеви: Када треба узети у обзир факторе као што су вибрације, ударци или влага (нпр. у аутомобилским или индустријским контролним применама), напредни керамички или метални пакети могу обезбедити максималну заштиту.
4. Производљивост и монтажа: SMT pakovanje nudi najveću propusnost za automatizovanu montažu; pakovanje kroz rupe može biti pogodno za prototipove i određene primene sa visokim zahtevima za pouzdanost.
5. Veličina paketa i ograničenja štampane ploče: Za ultra-kompaktne formate (prenosive uređaje, slušna pomagala), koristite CSP, QFN ili WLP; za proizvode pogodne za testne ploče ili tradicionalne proizvode, koristite DIP ili SOIC.
6. Cena i opskrbni lanac: Standardna rešenja za pakovanje obično mogu smanjiti troškove pakovanja i skratiti vreme isporuke. Prilikom projektovanja za masovnu proizvodnju, fokusiramo se na izbor uobičajenih, već gotovih tipova paketa. Ovo olakšava dobijanje delova i kontrolu troškova.

Izazovi i ograničenja u pakovanju integrisanih kola

Iako se tehnologija pakovanja poluprovodnika znatno unapredila, neki izazovi i dalje zahtevaju pažnju:

• Odvođenje toplote: Како потрошња енергије чипова настави да расте, способност традиционалних пакета за сигурно расипање топлоте прилази својим границама. Уз нове развоје попут FOWLP и уграђених термалних путева, избор пакета и даље је веома важан, посебно за SoC-ове са великим грејањем.
• Границе минијатуризације: Како се величина пакета смањује, тежина склапања, деформисања и исправљања ситних структура се повећава (посебно код BGA и WLP), чиме се повећава и ризик од скупоцених кварова у пракси.
• Интегритет сигнала на високим фреквенцијама: Виши степен преноса података значи да су губици сигнала, међусобни утицаји и електромагнетне смете тежи за контролисање унутар пакета. Иако напредни дизајни супстрата и заштитни екран повећавају перформансе, они такође повећавају трошкове паковања.
• Механичка отпорност: Паковање мора бити у стању да издржи удараце, вибрације и понављајуће промене температуре, посебно у тешким условима које доживљавају аутомобили и индустријска електроника.
• Заштита животне средине и прописи: С обзиром на све строже прописе, произвођачи морају да осигурају да материјали за паковање нису токсични, да се могу рециклирати и да су у складу са глобалним стандардима RoHS/REACH/за заштиту животне средине.
• Сложен процес скупљања: У напредним процесима паковања (SiP, 3D ИЦ, FOWLP), процеси скупљања могу укључивати слагање чипова, производњу на нивоу вефера и сложене технологије жичаног спајања или флп-чип технологије.

Будући трендови у технологији паковања ИЦ-а

Иновације у паковању које долазе

• Фан-аут паковање на нивоу вефера (FOWLP): Напредни процеси интеграције паковања кола подразумевају постављање чипа на супстрат, паковање и затим поновну дистрибуцију чипа коришћењем финих жица — остварујући висок I/O перформансе и расипање топлоте у танком и скалабилном облику.
• 3D паковање и чиплети: Права 3D ИЦ гомилања, интеграција система заснована на чипу и напредне врсте паковања са вертикалним/хоризонталним повезивањем дефинишу следећу еру скалабилности перформанси и функционалности у једном пакету.
• Биодеградабилни материјали: Како би се смањила е-отпад, истражују се материјали за паковање интегрисаних кола, као што су компостабилне пластике и нетоксични материјали за енкапсулацију, а већ се користе и у неким једнократним потрошачким производима.
• Паметна паковања: Комбинација сензора за здравље, активног хлађења (микрофлуидика/Пелтијеров ефекат) и самопраћења притиска и температуре предност је за критичне примене.
• AI-вођено пројектовање пакета: Вештачка интелигенција сада може убрзати аутоматско оптимизовање типа пакета, додељивања извода и структуре супстрата, тиме истовремено побољшавајући електричне, термичке и трошковне перформансе.

Често постављана питања (FAQ) о технологији паковања ИЦ

П: Који су данас најчешћи типови пакета ИЦ?

A: SOP, QFP, QFN, BGA, CSP и WLP постали су уобичајени типови паковања у модерним електронским производима. Међутим, пакети за уградњу кроз отворе (DIP, TO-220) и даље се користе у неким специјалним применама и прототипним производима.

П: У чему је разлика између површинских пакета и технологије уградње кроз отворе?

A: Уређаји за површинску монтажу наменски су дизајнирани за аутоматску уградњу директно на површину штампаних кола, са мањим димензијама пакета, већом густином кола и поузбанијим радом на високим брзинама. Насупрот томе, технологија уградње кроз отворе захтева да се пинови уметну у претходно испуштене отворе на ППМ-у, чиме се постиже чврста механичка веза, али заузима више простора на плочи. Док је монтажа на површину постала индустријски стандард за модерну масовну производњу, технологија уградње кроз отворе и даље је незаобилазна у верификацији прототипа, силовној електроници и применама које захтевају велику механичку чврстоћу.

P: Koje inovativne tehnike pakovanja se trenutno koriste u naprednim integrisanim kola?

O: Napredne tehnologije pakovanja integrisanih kola uključuju 3D IC pakovanje, fan-out pakovanje na nivou ploče, sisteme u pakovanju, pakovanje na nivou čipa, kao i moderne tehnologije žičanog povezivanja i flip-chip povezivanja. Ove metode mogu učinkovito poboljšati električne performanse, postići visoku gustinu izvoda i značajno optimizovati efikasnost rasipanja toplote – što je ključno za primenu integrisanih kola sa visokom snagom ili visokom frekvencijom.

P: Kako se pakovanje integrisanih kola razvijalo kako bi zadovoljilo potrebe visokofrekventnih kola i veštačke inteligencije?

А: Са појавом центара за податке, AI акцелератора и 5G технологије, технологија паковања интегрисаних кола мора стално да еволуира како би се минимизирали паразитни ефекти и побољшала термална перформанса. Решења за паковање као што су BGA, напредни супстрати, термички проводни вијаци, 3D паковање и уграђени пасивни компоненти постали су незаобилазни. 3D интегрисана кола и архитектуре чипова омогућавају чврсту интеграцију више функционалних компонената у једном пакету, чиме се значајно побољшава густина рачунања и енергетска ефикасност.

Питање: Који материјали за паковање су најбољи за примену у условима високе поузданости или тешким условима?

Керамичко и метално паковање нуди изузетну механичку чврстоћу, топлотну проводљивост и отпорност на спољашње утицаје, због чега је идеалан избор за примену у аутомобилској, војној и аерокосмичкој индустрији. За потрошачку електронику и опште електронске производе, пластична и композитна паковања са добром заптивношћу обично остварују најбољи однос цена-перформансе и трајност.

П: Како да одаберем погодно паковање за моју примену?

О: Приликом бирања типа паковања интегрисаног кола, треба узети у обзир електричне карактеристике, потрошњу енергије, ограничења величине паковања, доступне производне процесе и захтеве корисника у погледу поузданости. Подједнако важни су стабилност ланца снабдевања, укупни трошкови власништва (укључујући монтажу и инспекцију) и релевантна сертификати (усаглашеност са RoHS, JEDEC и IPC стандардима). Ова детаљна упутства за бирање паковања интегрисаних кола ће вам пружити корак по корак водич!

Закључак

Због све већег захтева за минијатуризацијом, високом брзином, високом енергетском ефикасношћу и високом поузданошћу у електроници, технологија паковања интегрисаних кола развија се незапамћеним темпом. Савремена технологија паковања, као кључни мост између прецизних силумских чипова и отпорних међусобно повезаних уређаја, омогућава иновативне примене у широком спектру области, од паметних носивих уређаја до аутономних возила. Како можете видети у овом исцрпном водичу кроз технологију паковања интегрисаних кола, избор правог решења за паковање није споредно питање, већ је основни кључ који одређује успех или неуспех било ког интегрисаног кола или електронског компонента.