IC-pakettenologi: Typer och förpackningsteknologiguide

Introduktion till IC-paketteknik

Integrerade kretsar (IC) utgör grunden för alla moderna elektroniska system. Deras förpackningsteknik skapar ett avgörande gränssnitt mellan silikonchip och den yttre miljön, och möjliggör storskaliga tillämpningar, miniatyrisering samt drift med hög tillförlitlighet. Den här guiden beskriver utvecklingshistoriken för integrerade kretsars förpackningsteknik, från de första genombrotten till dagens främsta lösningar.

En bra chipförpackning måste inte bara skydda chipet utan också uppfylla krav som stabil elektrisk prestanda, effektiv värmeavgivning, enkla tillverkningsprocesser och hög hållbarhet. Från traditionell DIP-förpackning till innovativa tekniker som 3D-förpackning och FOWLP utvecklas förpackningstekniken hela tiden.

Grundläggande om IC-förpackning

Vad är en IC-förpackning? Varför är den viktig?

Ett integrerat krets (IC) paket är ett skyddande hölje som används för att säkert montera och ansluta kretsar (eller, i fallet med flerkretspaket och avancerad förpackning) i ett elektroniskt system. Dess huvudsakliga funktioner inkluderar:

• Skydd: Skyddar integrerade kretskretsar mot fukt, stötar, föroreningar och elektrostatisk urladdning.
• Elektrisk anslutning: Kretsar ansluts till större system via metalltrådar, lödperlor eller kontaktytor, vilket möjliggör kraftfull signalöverföring.
• Termisk hantering: Det hjälper till att avleda värme som genereras av integrerade kretsar till tryckkretskortet eller omgivningen, vilket säkerställer tillförlitlig och kontinuerlig drift. Förbättrad värmeavledning är avgörande för högeffekts- och högfrekvenskretsar.
• Identifikation: Detta dokument innehåller all information som krävs för montering, drift och underhåll, samt efterlevnad av lagstadgade och regulatoriska krav.

Omfattningen av denna omfattande guide

Denna guide till urval och design av IC-paket besvarar:

• Vilka vanliga typer av IC-paket finns det?
• När det gäller elektronik, termodynamik, mekanik och tillverkning – vad är detsamma och vad skiljer sig mellan olika typer av kretspackningar?
• Eftersom halvledartekniken hela tiden utvecklas, hur har kretspackningstekniken förändrats?
• Hur viktig är ny, innovativ packningsteknik för AI, 5G och Internet of Things?
• Vilken packningslösning passar bäst för dina applikationskrav?

Med ett ord är detta en omfattande och viktig guide. Den syftar till att hjälpa läsare att förstå integrerade kretstyper, välja lämpliga paket och förstå globala trender inom packningsteknik.

De grundläggande byggstenarna i kretspackningar

Grundläggande paketkomponenter

Oavsett pakettyp delar alla integrerade kretspackningar några grundläggande komponenter, som kombineras för att skapa högpresterande, pålitliga elektroniska produkter:

• IC-die (chip): Hjärtan tillverkas vanligtvis med avancerad halvledartillverkningsteknik, där silikon är huvudmaterial.
• Paketunderlag: Det kan säkert ansluta kretsar (med trådbondning eller flip-chip-teknik) och tillhandahålla en plattform för signalöverföring mellan kretsen och externa kontakter eller lödbollar.
• Ben, bollar eller ytor: Dessa kontakter är placerade på sidan, undersidan eller alla fyra sidor av paketet och används för att ansluta till kretskortet (PCB).
• Kapslings- eller tätningsmaterial: Plast- eller keramiska material som används för mekanisk och miljömässig skydd.
• Märkningar: Identifieringsmärkningar, satsnummer, riktningsetiketter och möjliga äkthetsfunktioner.
• Termiska förbättringsfunktioner: Exponerade termiska ytor, kylflänsar och värmeplattor kan förbättra värmeavgiften.

Material och mekaniska egenskaper för IC-paket

Material för IC-förpackning

När förpackningstekniken blir allt mer komplex blir valet av förpackningsmaterial allt viktigare.

• Plast/Epoxy: Det är prisvärt och lämpligt för de flesta kommersiella tillämpningar, men dess prestanda är begränsad i högtemperatur- och fuktmiljöer.
• Keramik: De har utmärkt pålitlighet och är lämpliga för högprestanda, militära och rymdtillämpningar, särskilt för att tåla höga termiska och mekaniska belastningar.
• Metall/Komposit: Kylflänsar och ledramar används alltmer inom kraftsemikonduktorer och högfrekventa tillämpningar.

Förpackningsmaterialtabell:

Mekaniska egenskaper och förpackningsfunktioner

• Vibrations-/stötvilost: Det är avgörande för bil-, flyg- och rymd- samt industriell elektronikindustri.
• Känslighet för fukt: Baserat på MSL (fuktkänslighetsnivå) kräver plastförpackningar försiktig lagring/hantering.
• Förpackningsdimensioner: Detta kommer att påverka PCB-layout, staplingshöjd i 3D IC-tillämpningar och enhetstjocklek i mobila enheter.
• Ytmonteringsförmåga: Genom att direkt fästa komponenter på PCB möjliggör denna förpackningsmetod mer effektiv automatisk montering.

IC-förpackningstyper, storlekar och klassificeringar

För att stödja den explosionsartade tillväxten av tillämpningar inom områden som Internet of Things, högprestandaberäkningar, bilar och bärbara enheter har olika förpackningstyper uppstått.

Through-Hole-teknik

• Dubbel radpaket (DIP): Det äldsta integrerade kretspaketet. Dessa komponenter är små, pålitliga och lätta att ansluta eller byta ut. Du kan fortfarande hitta dem i prototyper, strömsystem och äldre produkter.
• TO-92, TO-220: Denna typ av paket används ofta för småsignalkomponenter (TO-92) och effektkomponenter (TO-220), vilket möjliggör säker montering och enkel koppling till kylflänsar.

Ytmonteringsmetod ( SMT ) och ytmonterade paket

• Small-Outline-paket (SOP), SOIC: Ytmonterade SOP-paket används brett inom konsumentelektronik och bilindustrins elektronik. SOP-paket är tunnare än SOIC-paket, vilket möjliggör högre täthet i kretskortsförbindningar.
• Quad Flat Package (QFP): Detta paket har pinnar på alla fyra sidor, vilket gör det lämpligt för mikrokontrollanter och programmerbara grindmatriser (FPGA) med ett stort antal pinnar.
• Quad Flat No-Lead (QFN): Pinnarna sträcker sig inte utanför paketets kropp; kontakterna finns i botten av paketet. De främsta fördelarna med denna design är att den fungerar utmärkt för värmeavgivning och använder plats effektivt.
• Small-Outline Transistor (SOT): De små transistorerna/dioderna som används i ytbefästteknik har en hög täthet.

Array- och avancerade integrerade kretspackningsmetoder

• Ball Grid Array (BGA): Lödglaskulorna under kretsen är ordnade i ett rutnätsmönster. Denna design har en anslutningstäthet från hundratals till tusentals, vilket gör den perfekt för processorer, FPGA:er och höghastighetsminne.
• Land Grid Array (LGA): Liknande BGA, men med guldpläterade kontakter – idealisk för server-CPU:er, erbjuder hög tillförlitlighet och hög täthet.
• Chip Scale Packaging (CSP): Nästan lika litet som själva chipet – idealiskt för smartphones, medicinska enheter och Internet of Things.
• Wafer-Level Packaging (WLP): Dessa paket formas direkt på wafernivå, vilket möjliggör ultrakompakta, högpresterande och låga lösningar.

Speciella avancerade paket (fortsättning)

• System-in-Package (SiP): Flera chip och passiva/aktiva komponenter integreras i ett enda paket. Dessa chip passar bärbart utrustning, mikroradioapparater, avancerade integrerade kretsar och IoT-noder. De maximerar utrymmesutnyttjandet och kombinerar flera funktioner i ett paket.
• 3D IC / 3D IC-paket / 3D-paket: Staplade chipstrukturer (med genomkiselvia och waferförbundstekniker) möjliggör högbandbreddskommunikation mellan chip och en oöverträffad integration. 3D IC är ett kännetecken för nyaste AI-processorer och högpresterande mobila SoC.

Typer av IC-paket och tillämpningar

Information innehållen i ett kretspaket

Informationen som lasermarkeras eller graveras på varje integrerat kretspaket är mycket viktig, eftersom den påverkar inte bara monteringen utan även systemets prestanda.

• Artikelnummer och pakettyp: För identifiering, inköp och kvalitetskontroll.
• Paketdimensioner/utseende: Anger storlek, ledningsavstånd och placering för design och kopplingsplattslayout.
• Pinnekonfiguration: Arrangemanget av pinnar, kontakter eller bollar och de signaler eller krafter de representerar.
• Material/Miljöinformation: Uppfyller RoHS och är blyfritt, med skydd mot fukt och kemikalier.
• Lotkoder och datumkoder: Spårbarhet för kvalitets- och garantispårning.
• Orienterings- och monteringsmärken: Fack, prickar, avfasningar eller laseravtryck indikerar pinne 1 och korrekt orientering.
• Termiska värden: Maximal junctionstemperatur, effektförlust och riktlinjer för förbättrad termisk prestanda.

IC-paketdesign Standarder

Förpackningsdesignen följer stränga standarder som garanterar tillförlitlighet, interoperabilitet och tillverkningsbarhet.

• IPC-7351: Definierar standardpads mönster för ytbefästade komponenter för att säkerställa pakethållbarhet i PCB-design och automatiserad montering.
• ANSI Y32.2-1975: Definierar symbolsystem för alla typer av IC-paket.
• ISO 10303-21: STEP-formatet är väsentligt för utbyte av 3D-modeller av förpackningskonturer och mått mellan designverktyg.
• JEDEC och SEMI standardisering: Särskilt för flerkälliga halvledarpaket är termiska värden, fuktkänslighet, testbarhet och paketkompatibilitet mycket viktiga.
• RoHS/REACH efterlevnad: Se till att integrerade kretsars förpackningsmaterial uppfyller globala miljöstandarder.

Regler och bästa praxis för konstruktion av kretspaket

Förpackningen av en integrerad krets måste ta hänsyn till ett antal elektriska, termiska och mekaniska krav, inklusive:

• Följ riktlinjer från IPC och JEDEC för fotavtryck: Kontaktfält optimerade för ytkomponentförpackning.
• Optimera termiska vägar: Använd exponerade kontakter, termiska viahål och tillräckligt med kopparlager under det termiska paketet.
• Kontrollera kontakt- och pinnavstånd: Välj ett paketavstånd som passar precisionen i din monteringsprocess. Finstegs BGAs eller QFNs kan kräva röntgeninspektion och kan öka monteringskostnaderna.
• Använd tydliga orienteringsmarkeringar: Pinne 1 är tydligt markerad på paketet och justerad med silketrycket på kretskortet för att förhindra monteringsfel.
• Design för tillverkningsbarhet: Undvik att använda alltför många pakettypen på samma kretskort och välj standardiserade, massproducerade paket närhelst det är möjligt för att säkerställa optimala förpackningskostnader och stabilitet i leveranskedjan.
• Utnyttja simuleringsverktyg: De senaste elektroniska designautomatiseringsverktygen (EDA) kan simulera signalkvalitet, mekanisk påfrestning och termisk prestanda, vilket gör valet av avancerade paket och integration mer tillförlitlig.

Hur man väljer rätt IC-paket

Tänk på följande faktorer vid val av paket eller pakettyp:

1. Prestandakrav: För höghastighets-, lågbrus- eller hög effekttäthetsapplikationer är BGA- eller 3D-IC-paket mer lämpliga. SOIC- eller QFN-paket erbjuder en kostnadseffektiv lösning för många applikationer med medeleffekt.
2. Termiska hänsyn: Processorer och effekt-IC kräver bättre värmeavledning – leta efter paket med kylflänsar, termiska padar eller avancerad substratteknik.
3. Mekaniska och miljömässiga krav: När faktorer som vibration, stöt eller fuktighet behöver beaktas (till exempel i fordons- eller industriella styranläggningar) kan avancerade keramiska eller metallförpackningar erbjuda maximal skydd.
4. Tillverkbarhet och montering: SMT-förpackning erbjuder högsta genomströmning för automatiserad montering; genomgående hål-förpackning kan vara lämplig för prototypframställning och vissa tillämpningar med höga krav på tillförlitlighet.
5. Förpackningsstorlek och kretskortsbegränsningar: För mycket kompakta format (bärbara enheter, hörapparater) används CSP, QFN eller WLP; för experimentbrädor eller traditionella produkter används DIP eller SOIC.
6. Kostnad och leveranskedja: Standardförpackningslösningar kan vanligtvis minska förpackningskostnaderna och förkorta leveranstiderna. När man utformar för massproduktion fokuserar vi på att välja vanliga, redan tillgängliga förpackningstyper. Det gör det enkelt att få tag i komponenterna och hålla kostnaderna under kontroll.

Utmaningar och begränsningar inom integrerade kretsars förpackning

Även om halvledarpackningsteknik har förbättrats avsevärt finns det fortfarande vissa pågående utmaningar som behöver uppmärksammas:

• Värmespridning: När chipets effektförbrukning fortsätter att öka närmar sig de tillförlitliga värmespridningsförmågorna hos traditionella paket sina gränser. Med nya utvecklingar som FOWLP och integrerade termiska banor är valet av paket fortfarande mycket viktigt, särskilt för kraftfulla SoC:er.
• Miniatyriseringsgränser: När paketstorleken minskar ökar svårigheten att montera, deformera och undersöka fina strukturer (särskilt för BGA och WLP), vilket ökar risken för kostsamma fel i fältet.
• Signalintegritet vid höga frekvenser: Högre dataöverföringshastigheter innebär att signalförlust, korsljud och elektromagnetisk störning blir svårare att kontrollera inom paketet. Även om avancerade substrat- och skärmdesigner förbättrar prestanda ökar de också packningskostnaderna.
• Mekanisk hållbarhet: Förpackningen måste kunna tåla stötar, vibrationer och upprepade temperaturförändringar, särskilt i hårda förhållanden som de som uppstår i fordon och industriell elektronik.
• Miljö- och föreskriftsmässig efterlevnad: Inför allt strängare regler måste tillverkare säkerställa att förpackningsmaterial är giftfria, återvinningsbara och överensstämmer med globala RoHS/REACH-/miljöstandarder.
• Komplex monteringsprocess: I avancerade förpackningsprocesser (SiP, 3D IC, FOWLP) kan monteringsprocesser omfatta kipsammanställning, wafer-nivå tillverkning samt komplex trådbondning eller flip-chip-teknologier.

Framtida trender inom IC-förpackningsteknologi

Förpackningsinnovationer på gång

• Fan-out Wafer-Level Packaging (FOWLP): Avancerade integrationsprocesser för kretsförpackning innebär att chipet placeras på en substrat, förpackas och sedan omfördelas med fin ledning—vilket ger hög I/O-prestanda och värmeavgivning i en tunn och skalbar form.
• 3D-förpackning och chiplets: Sann 3D IC-stapling, kretsbaserad systemintegration och avancerade förpackningstyper med vertikala/vågräta interconnects definierar nästa era av prestandaskalbarhet och funktionalitet i ett enda paket.
• Biologiskt nedbrytbara material: För att minimera elektronikavfall forskas det i förpackningsmaterial för integrerade kretsar, såsom komposterbart plast och giftfria kapslingsmaterial, vilka redan använts i vissa engångsprodukter för konsumenter.
• Smarta förpackningar: Kombinationen av hälso-sensorer, aktiv kylning (mikrofluidik/Peltiereffekt) och självövervakning av tryck och temperatur är fördelaktig för kritiska tillämpningar.
• AI-driven förpackningsdesign: AI kan nu snabba upp den automatiska optimeringen av förpackningstyp, kontakttilldelning och substratstruktur, vilket samtidigt förbättrar elektrisk, termisk och kostnadsmässig prestanda.

Vanliga frågor (FAQ) om IC-förpackningsteknologi

F: Vilka är de vanligaste typerna av IC-förpackningar idag?

A: SOP, QFP, QFN, BGA, CSP och WLP har blivit vanliga förpackningstyper i moderna elektronikprodukter. Genomgående förpackningar (DIP, TO-220) används dock fortfarande i vissa särskilda tillämpningar och prototypprodukter.

Q: Vad är skillnaden mellan ytbaserade förpackningar och genomgående teknik?

A: Ytmonterade komponenter är specifikt utformade för automatiserad montering direkt på ytan av kretskort, med mindre förpackningsstorlek, högre kretstäthet och mer pålitlig höghastighetsfunktion. I motsats till detta kräver genomgående monteringsteknik att kontakterna sätts in i förborrade hål på kretskortet, vilket kan skapa en fast mekanisk förbindelse men kräver mer yta på kortet. Även om ytmontering blivit branschstandard för modern massproduktion är genomgående teknik fortfarande oumbärlig vid prototypverifiering, effektelektronik och tillämpningar som kräver hög mekanisk hållfasthet.

Q: Vilka innovativa förpackningstekniker används nu inom avancerade integrerade kretsar?

A: Avancerade tekniker för förpackning av integrerade kretsar inkluderar 3D-IC-förpackning, fan-out wafer-level-förpackning, system-in-package, chipnivåförpackning samt moderna trådbondningstekniker och flip-chip-bondningstekniker. Dessa metoder kan effektivt förbättra den elektriska prestandan, uppnå hög kontakttäthet och avsevärt optimera värmeavledningseffektiviteten – vilket är avgörande för högeffekts- eller högfrekvensapplikationer med integrerade kretsar.

Q: Hur har förpackning av integrerade kretsar utvecklats för att möta kraven från höghastighetskretsar och artificiell intelligens?

A: Med tillkomsten av datacenter, AI-acceleratorer och 5G måste kretspackningstekniken hela tiden utvecklas för att minimera parasiteffekter och förbättra termisk prestanda. Förpackningslösningar såsom BGA, avancerade substrat, värmeledande genomspringningar, 3D-förpackning och inbäddade passiva komponenter har blivit oersättliga. 3D-integrerade kretsar och chip-arkitekturer möjliggör en tät integrering av flera funktionskomponenter i ett enda paket, vilket avsevärt förbättrar beräkningsdensitet och energieffektivitet.

Q: Vilka förpackningsmaterial är bäst för hög pålitlighet eller hårda miljöer?

A: Keramisk och metallisk förpackning erbjuder enastående mekanisk styrka, värmeledningsförmåga och motståndskraft mot miljöpåverkan, vilket gör dem till idealiska val för tillämpningar inom bilindustrin, militär och rymdindustri. För konsumentelektronik och allmänna elektroniska produkter uppnår plast- och kompositförpackningar med goda tätningsegenskaper vanligtvis den bästa balansen mellan kostnadseffektivitet och hållbarhet.

Q: Hur väljer jag rätt förpackning för min tillämpning?

A: När du väljer en typ av integrerad kretsförpackning bör du ta hänsyn till elektriska egenskaper, effektförbrukning, begränsningar i förpackningsstorlek, tillgängliga tillverkningsprocesser och krav från slutanvändaren på tillförlitlighet. Likaledes viktigt är stabiliteten i leveranskedjan, den totala ägandekostnaden (inklusive montering och inspektion) samt relevanta certifieringar (efterlevnad av RoHS, JEDEC och IPC). Denna omfattande guide till urval av integrerade kretsförpackningar ger dig steg-för-steg-anvisningar!

Slutsats

På grund av den ökande efterfrågan på miniatyrisering, hög hastighet, hög energieffektivitet och hög tillförlitlighet inom elektronik utvecklas integrerad kretspackningsteknologi i en aldrig tidigare skådad takt. Modern packningsteknologi, som en avgörande bro mellan exakta siliciumkretsar och robusta sammankopplade enheter, stödjer innovativa tillämpningar inom ett brett spektrum av områden – från smarta bärbara enheter till självkörande fordon. Som du kan se i denna omfattande guide till integrerad kretspackningsteknologi är valet av rätt förpackningslösning inte en sekundär övervägande utan en central nyckel som avgör framgång eller misslyckande för varje integrerad krets eller elektronisk komponent.