Технологія корпусування ІС: Посібник з типів та технологій упаковування

Вступ до технології корпусування ІС

Інтегральні схеми (IC) є основою всіх сучасних електронних систем. Технологія їхнього корпусування забезпечує важливий інтерфейс між кремнієвими чіпами та зовнішнім середовищем, а також дозволяє масштабованість застосувань, мініатюризацію та високонадійну роботу. Цей посібник описує історію розвитку технології корпусування інтегральних схем — від перших значних проривів до сучасних передових рішень.

Якісне корпусування чіпа має не лише захищати мікросхему, але й задовольняти вимоги щодо стабільних електричних характеристик, ефективного відведення тепла, простоти виробничих процесів та високої довговічності. Від традиційного DIP-корпусування до інноваційних технологій, таких як 3D-корпусування та FOWLP, технології корпусування постійно розвиваються.

Основи корпусування ІС

Що таке корпус ІС? Чому це важливо?

Корпус інтегральної схеми (IC) — це захисний корпус, який використовується для надійного монтажу та з'єднання чіпів (або, у разі багаточіпових модулів та передових технологій упаковки) в електронній системі. Його основні функції включають:

• Захист: Захищає чіпи інтегральних схем від вологи, ударів, забруднення та електростатичного розряду.
• Електричне підключення: Чіпи під'єднуються до більших систем за допомогою металевих дротів, припояних кульок або контактних майданчиків, що забезпечує потужну передачу сигналів.
• Тепловий менеджмент: Допомагає відводити тепло, що генерується інтегральними схемами, на друковану плату або в навколишнє середовище, забезпечуючи таким чином надійну та безперебійну роботу. Покращення відведення тепла має важливе значення для потужних і високочастотних схем.
• Ідентифікація: Цей документ містить всю необхідну інформацію для складання, експлуатації та обслуговування, а також для відповідності правовим і регуляторним вимогам.

Сфера охоплення цього комплексного посібника

Цей посібник щодо вибору та проектування корпусів ІС відповідає на запитання:

• Які найпоширеніші типи корпусів ІС?
• З точки зору електроніки, термодинаміки, механіки та виробництва — що спільного і чим відрізняються різні типи корпусів ІС?
• Оскільки напрям розвитку напівпровідникової технології продовжується, як змінювалася технологія корпусування ІС?
• Наскільки важливою є нова інноваційна технологія корпусування для штучного інтелекту, 5G та Інтернету речей?
• Яке рішення щодо корпусування найкраще відповідає вимогам вашого застосунку?

Іншими словами, це всебічне та важливе керівництво. Воно має на меті допомогти читачам зрозуміти типи інтегральних схем, обрати відповідні корпуси та зрозуміти глобальні тенденції у технологіях корпусування.

Будівельні блоки корпусів ІС

Основні компоненти корпусу

Незалежно від типу корпусу, усі корпуси інтегральних схем мають кілька основних компонентів, які поєднуються для створення високоефективних та надійних електронних продуктів:

• Кристал ІС (чіп): Серця, як правило, виготовляються за допомогою передових технологій виробництва напівпровідників, основним матеріалом є кремній.
• Підкладка корпусу: Надійно з'єднує мікросхеми (за допомогою дротового монтажу або технології flip-chip) і забезпечує платформу для передачі сигналів між мікросхемою та зовнішніми виводами або контактними майданчиками.
• Виводи, кульки або контактні майданчики: Ці виводи розташовані збоку, знизу або з усіх чотирьох сторін корпусу та використовуються для підключення до друкованої плати.
• Матеріал інкапсуляції або герметизації: Пластикові або керамічні матеріали, що використовуються для захисту від механічних пошкоджень та впливу навколишнього середовища.
• Позначення: Ідентифікаційні позначення, номери партій, маркування напрямку та можливі засоби захисту від підробки.
• Функції підвищення тепловіддачі: Відкриті теплові майданчики, радіатори та теплопровідні пластини можуть покращити теплові характеристики.

Матеріали та механічні властивості корпусів ІС

Матеріали для корпусування ІС

Оскільки технологія корпусування стає все складнішою, вибір матеріалів для корпусування набуває все більшого значення.

• Пластик/епоксидна смола: Він є доступним за ціною та підходить для більшості комерційних застосувань, але його експлуатаційні характеристики обмежені у середовищах із високою температурою та вологістю.
• Керамічні: Вони мають відмінну надійність і підходять для потужних, військових та аерокосмічних застосувань, особливо для витримування високих теплових і механічних навантажень.
• Метал/композит: Тепловідводи та свинцеві рамки все частіше використовуються в силовій електроніці та високочастотних застосуваннях.

Таблиця матеріалів для корпусування:

Механічні властивості та особливості упаковки

• Стійкість до вібрації/ударів: Це має важливе значення для автомобільної, авіаційно-космічної та промислової електроніки.
• Чутливість до вологи: Згідно з рівнем чутливості до вологи (MSL), пластикову упаковку потрібно зберігати та обробляти з обережністю.
• Габаритні розміри корпусу: Це впливатиме на розташування компонентів на друкованій платі, висоту укладання в 3D ІС-застосунках і товщину пристрою в мобільних пристроях.
• Можливість поверхневого монтажу: Цей метод упаковки дозволяє безпосередньо кріпити компоненти до друкованої плати, що забезпечує ефективніший процес автоматизованої збірки.

Типи, розміри та класифікація корпусів ІС

Для підтримки стрімкого зростання застосувань у таких галузях, як Інтернет речей, високопродуктивні обчислення, автомобілебудування та носимі пристрої, з'явилися різні типи упаковки.

Технологія отвірного монтажу

• Подвійний прямокутний корпус (DIP): Найраніший тип корпусу інтегральних схем. Ці компоненти малі, надійні та прості у підключенні чи заміні. Їх досі можна зустріти в прототипах, потужних системах та старих продуктах.
• TO-92, TO-220: Цей тип корпусу зазвичай використовується для транзисторів малих сигналів (TO-92) і потужних пристроїв (TO-220), що дозволяє надійно закріплювати їх і легко під'єднувати до радіаторів.

Поверхневий монтаж ( SMT ) та корпуси для поверхневого монтажу

• Малий корпус (SOP), SOIC: Корпуси SOP з поверхневим монтажем широко використовуються в побутовій електроніці та автомобільній електроніці. Корпуси SOP тонші за корпуси SOIC, що дозволяє досягти більшої густини трасування на друкованій платі.
• Плоский чотирирядний корпус (QFP): Цей корпус має виводи з усіх чотирьох сторін, що робить його придатним для мікроконтролерів і програмованих логічних інтегральних схем (FPGA) з великою кількістю виводів.
• Чотирибічний плоский безвивідний корпус (QFN): Виводи не виходять за межі корпусу; контактні площадки розташовані на нижній стороні корпусу. Основні переваги цієї конструкції — ефективне відведення тепла та економне використання простору.
• Транзистор у малих габаритах (SOT): Малі транзистори/діоди, що використовуються у технології поверхневого монтажу, мають високу щільність.

Матричні та передові технології корпусування ІС

• Матриця контактних майданчиків (BGA): Паяльні кульки під чіпом розташовані у вигляді сітки. Ця конструкція має щільність з'єднань від сотень до тисяч, тому ідеально підходить для процесорів, FPGA та швидкодіючої пам'яті.
• Решітка контактних майданчиків (LGA): Подібно до BGA, але з контактними площадками з позолотою — ідеальний варіант для серверних процесорів, забезпечує високу надійність і щільність.
• Упаковка рівня чіпа (CSP): Майже така ж невелика, як сам чіп — ідеально підходить для смартфонів, медичних пристроїв та Інтернету речей.
• Упаковка на рівні пластини (WLP): Ці упаковки формуються безпосередньо на рівні пластини, що дозволяє створювати надмалий, високопродуктивний та тонкий профіль рішень.

Спеціальні передові упаковки (продовження)

• Система в упаковці (SiP): Кілька чіпів та пасивних/активних компонентів інтегровані в одну упаковку. Такі чіпи підходять для носимих пристроїв, мікрорадіо, передових інтегральних схем та вузлів IoT. Вони максимізують використання простору та об'єднують кілька функцій в одному корпусі.
• 3D IC / Упаковка 3D IC / 3D-упаковка: Структури зі з'єднаних чіпів (із використанням технологій черезкремнієвих виводів і з'єднання пластин) забезпечують високосмугове зв'язування чіп-чіп і безпрецедентну інтеграцію. 3D IC є характерною ознакою передових процесорів штучного інтелекту та високопродуктивних мобільних SoC.

Типи корпусів ІС та їх застосування

Інформація, що міститься в корпусі ІМС

Інформація, нанесена лазером або гравіруванням на кожному корпусі інтегральної мікросхеми, має велике значення, оскільки впливає не лише на процес збірки, але й на продуктивність системи.

• Номер деталі та тип корпусу: Для ідентифікації, закупівлі та контролю якості.
• Розміри корпусу/обрис: Визначає розмір, крок виводів та їх розташування для проектування та розведення контактних майданчиків.
• Пін-конфігурація: Розташування виводів, контактних майданчиків або кульок та сигнали чи функції, які вони представляють.
• Матеріальні/екологічні характеристики: Відповідає вимогам RoHS, безвмісний, має захист від вологи та хімічних речовин.
• Коди партії та терміну виготовлення: Трасування для контролю якості та гарантійного обслуговування.
• Позначки орієнтації та збірки: Вирізи, крапки, фаски або лазерні позначки вказують на перший вивід і правильну орієнтацію.
• Теплові характеристики: Максимальна температура переходу, розсіювана потужність і рекомендації щодо покращення теплових характеристик.

Конструкція корпусу ІМС Стандартів

Конструювання упаковки регулюється суворими стандартами, що гарантує надійність, сумісність та придатність до виробництва.

• IPC-7351: Визначає стандартні шаблони контактних майданчиків для корпусів поверхневого монтажу, щоб забезпечити узгодженість корпусів при проектуванні друкованих плат і автоматизованому складанні.
• ANSI Y32.2-1975: Визначає схематичні позначення для всіх типів корпусів ІМС.
• ISO 10303-21: Формат STEP є обов’язковим для обміну 3D-моделями контурів та розмірів корпусів між інструментами проектування.
• Стандартизація JEDEC та SEMI: Особливо важливими для багатоджерельних напівпровідникових корпусів є теплові характеристики, чутливість до вологості, перевірка працездатності та сумісність корпусів.
• Відповідність RoHS/REACH: Забезпечує, що матеріали корпусів інтегральних схем відповідають глобальним екологічним стандартам.

Правила та найкращі практики проектування корпусів ІС

Пакування інтегральних схем має враховувати низку електричних, теплових і механічних вимог, зокрема:

• Дотримуйтесь рекомендацій IPC та JEDEC щодо конструкції контактних майданчиків: Шаблони контактних майданчиків оптимізовані для поверхневого монтажу.
• Оптимізуйте теплові шляхи: Використовуйте відкриті майданчики, теплові переходи та достатній шар міді під тепловим корпусом.
• Перевірте крок контактів та виводів: Оберіть корпус із кроком, що відповідає точності вашого процесу монтажу. Корпуси BGA або QFN із дрібним кроком можуть вимагати рентгенівського контролю та збільшувати вартість монтажу.
• Використовуйте чіткі позначки орієнтації: Вивід 1 чітко позначено на корпусі та збігається з позначкою на шовковому шарі друкованої плати, щоб запобігти помилкам при монтажі.
• Конструкція, орієнтована на технологічність: Уникайте використання надто багатьох типів корпусів на одній і тій самій друкованій платі та завжди, коли це можливо, обирайте стандартні масово вироблені корпуси, щоб забезпечити оптимальну вартість упаковки та стабільність ланцюга поставок.
• Використовуйте інструменти моделювання: Сучасні комплекти автоматизації електронного проектування (EDA) можуть моделювати цілісність сигналу, механічні напруження та теплові характеристики, що робить вибір та інтеграцію передових корпусів більш надійними.

Як обрати правильний корпус ІМС

Розгляньте такі фактори під час вибору корпусу або типу корпусу:

1. Вимоги до експлуатації: Для високочастотних, малошумних або високопотужних застосунків більш придатними є корпуси BGA або 3D ІМС. Корпуси SOIC або QFN пропонують економічно ефективне рішення для багатьох середньопотужних застосунків.
2. Теплові аспекти: Процесори та потужні ІМС потребують кращого відведення тепла — шукайте корпуси з радіаторами, тепловими перемичками або передовими технологіями підкладок.
3. Механічні та експлуатаційні вимоги: Коли потрібно враховувати такі фактори, як вібрація, удар або волога (наприклад, у автомобільному або промисловому керуванні), передові керамічні або металеві корпуси можуть забезпечити максимальний захист.
4. Виробництво та монтаж: Корпуси для поверхневого монтажу (SMT) забезпечують найвищу продуктивність при автоматичному складанні; корпуси з отворами під виводи можуть бути придатними для прототипування та певних застосувань із високими вимогами до надійності.
5. Розмір корпусу та обмеження друкованої плати: Для надкомпактних форм-факторів (портативні пристрої, слухові апарати) використовуйте CSP, QFN або WLP; для сумісних з макетною платою або традиційних продуктів — DIP або SOIC.
6. Вартість та ланцюг поставок: Типові рішення щодо корпусування зазвичай можуть знизити витрати на упаковку та скоротити терміни поставки. При проектуванні для масового виробництва ми робимо акцент на виборі поширених типів готових корпусів. Це спрощує отримання компонентів і дозволяє контролювати витрати.

Виклики та обмеження в корпусуванні ІС

Навіть попри значний прогрес у технології корпусування напівпровідників, деякі актуальні проблеми все ще потребують уваги:

• Відведення тепла: Оскільки енергоспоживання мікросхем продовжує зростати, можливості традиційних корпусів щодо надійного відведення тепла наближаються до межі. Незважаючи на нові розробки, такі як FOWLP та вбудовані теплові шляхи, вибір корпусу залишається дуже важливим, особливо для потужних SoC.
• Обмеження мініатюризації: Із зменшенням розміру корпусу ускладнюється збірка, деформація та перевірка дрібних структур (особливо для BGA та WLP), що збільшує ризик дорогоцінних відмов у експлуатації.
• Цілісність сигналу на високих частотах: Збільшення швидкості передачі даних означає, що втрати сигналу, наведення та електромагнітні перешкоди важче контролювати всередині корпусу. Хоча передові конструкції підкладок і екранування покращують продуктивність, вони також збільшують вартість корпусування.
• Механічна надійність: Упаковка має бути стійкою до ударів, вібрацій і багаторазових змін температури, особливо в жорстких умовах, таких як ті, що виникають у автомобілях і промисловій електроніці.
• Відповідність екологічним вимогам та нормативним актам: У зв'язку з посиленням вимог законодавства виробники мають забезпечити, щоб матеріали упаковки були нетоксичними, придатними для переробки та відповідали глобальним стандартам RoHS/REACH/екологічним нормам.
• Складний процес складання: У сучасних процесах упаковки (SiP, 3D IC, FOWLP) процеси складання можуть включати стекування чіпів, виготовлення на рівні пластин і складне дротяне з'єднання або технології flip-chip.

Майбутні тенденції в технології корпусування ІМС

Інновації в упаковці, що з'являються на горизонті

• Fan-out Wafer-Level Packaging (FOWLP): Сучасні процеси інтеграції корпусування схем передбачають розміщення чіпа на підкладці, його упаковку, а потім перерозподіл чіпа за допомогою тонкого проводу — це забезпечує високу продуктивність I/O та відведення тепла в тонкій і масштабованій формі.
• 3D-упаковка та чіплети: Справжнє 3D-нарощування ІС, інтеграція систем на рівні кристалів та передові типи корпусування з вертикальним/горизонтальним міжз'єднанням визначають наступну еру масштабування продуктивності та функціональності в одному корпусі.
• Біорозкладні матеріали: Для зменшення електронних відходів досліджуються матеріали для упаковки інтегральних схем, такі як компостовані пластики та нетоксичні матеріали для герметизації, які вже використовуються в окремих одноразових споживчих продуктах.
• Розумні корпуси: Поєднання датчиків стану здоров’я, активного охолодження (мікрорідини/ефект Пельтьє) та самостеження за тиском і температурою є перевагою для критичних застосувань.
• Проектування корпусів за допомогою штучного інтелекту: Штучний інтелект тепер може прискорити автоматичну оптимізацію типу корпусу, призначення виводів і структури підложки, одночасно покращуючи електричні, теплові та економічні показники.

Часто задавані запитання (FAQ) про технологію корпусування ІС

Питання: Які найпоширеніші типи корпусів ІС сьогодні?

A: SOP, QFP, QFN, BGA, CSP та WLP стали поширеними типами корпусування в сучасних електронних продуктах. Однак корпуси зі стрічними виводами (DIP, TO-220) досі використовуються в окремих спеціальних застосуваннях і дослідних зразках продуктів.

Питання: Яка різниця між поверхневим монтажем і технологією стрічних виводів?

A: Пристрої з поверхневим монтажем спеціально розроблені для автоматизованої збірки безпосередньо на поверхні друкованих плат і мають менші габарити корпусу, вищу щільність монтажу та більш надійну роботу на високих швидкостях. Навпаки, технологія монтажу у отвори передбачає встановлення виводів у попередньо просвердлені отвори на платі, що забезпечує міцне механічне з'єднання, але вимагає більше місця на платі. Хоча монтаж на поверхню став галузевим стандартом для сучасного масового виробництва, технологія монтажу у отвори залишається незамінною при перевірці прототипів, у потужній електроніці та в застосуваннях, де потрібна висока механічна міцність.

Питання: Які інноваційні методи упаковування зараз використовуються в сучасних ІС?

Відповідь: До передових технологій упаковування інтегральних схем належать тривимірне упаковування ІС, упаковування типу fan-out на рівні пластини, системи в упаковці, упаковування на рівні кристалів, а також сучасні технології дротового та б'єктивного монтажу. Ці методи ефективно підвищують електричні характеристики, забезпечують високу щільність виводів і значно оптимізують ефективність відведення тепла — що є критично важливим для потужних або високочастотних застосунків інтегральних схем.

Питання: Як розвивалася упаковка ІС, щоб задовольняти потреби швидкодіючих схем і штучного інтелекту?

З появою центрів обробки даних, прискорювачів штучного інтелекту та технології 5G технології корпусування інтегральних схем мають безперервно удосконалюватися з метою мінімізації паразитних ефектів і покращення теплових характеристик. Рішення у сфері корпусування, такі як BGA, передові підкладки, теплопровідні виводи, тривимірне корпусування та вбудовані пасивні компоненти, стали незамінними. Тривимірні інтегральні схеми та архітектури чіпів дозволяють щільно інтегрувати кілька функціональних компонентів в один корпус, значно підвищуючи обчислювальну щільність і енергоефективність.

Які матеріали для корпусування найкращі для високонадійних умов або важких експлуатаційних середовищ?

Керамічні та металеві корпуси пропонують виняткову механічну міцність, теплопровідність і стійкість до впливу навколишнього середовища, що робить їх ідеальним вибором для застосування у автомобільній, військовій та аерокосмічній галузях. Для побутової електроніки та універсальних електронних виробів найкращий баланс між вартістю та довговічністю забезпечують пластикові та композитні корпуси з гарними властивостями герметизації.

Питання: Як обрати правильний корпус для мого застосування?

Відповідь: Під час вибору типу корпусу інтегральної схеми слід враховувати електричні характеристики, енергоспоживання, обмеження щодо розміру корпусу, наявні технологічні процеси виробництва та вимоги до надійності кінцевого користувача. Однаково важливими є стабільність ланцюга поставок, сукупна вартість володіння (включаючи складання та перевірку) та відповідні сертифікації (відповідність RoHS, JEDEC та IPC). Це комплексне керівництво з вибору корпусів інтегральних схем надасть покрокові рекомендації!

Висновок

Через зростаючий попит на мініатюризацію, високу швидкість, високу енергоефективність і високу надійність у електроніці технологія корпусування інтегральних схем переживає безпрецедентний розвиток. Сучасна технологія корпусування, як важливий міст між точними кремнієвими чіпами та стійкими взаємопов'язаними пристроями, підтримує інноваційні застосування в широкому спектрі галузей — від розумних носимих пристроїв до автономних транспортних засобів. Як видно з цього комплексного посібника з технології корпусування інтегральних схем, вибір правильного рішення щодо корпусування — не другорядний аспект, а ключовий фактор, що визначає успіх чи невдачу будь-якої інтегральної схеми чи електронного компонента.