Каковы способы упаковки микросхем?

Введение

Определение упаковки микросхем

Упаковка микросхем - это процесс заключения и защиты интегральной схемы (ИС) или полупроводникового чипа, обеспечивающий его надежную и долговечную упаковку. Он включает в себя сборку микросхемы в защитный корпус, создание электрических соединений и облегчение отвода тепла, выделяемого в процессе работы.

Важность упаковки микросхем

Упаковка микросхем играет важнейшую роль в полупроводниковой промышленности, поскольку она обеспечивает надлежащее функционирование, надежность и долговечность электронных устройств. Она защищает хрупкий чип от внешних факторов, таких как влага, пыль и механические нагрузки, а также обеспечивает эффективное электрическое соединение и терморегулирование.

Типы методов упаковки микросхем

Упаковка свинцовой рамы

Упаковка в свинцовую рамку - один из самых распространенных и традиционных методов упаковки микросхем. Он предполагает установку микросхемы на металлический каркас, который обеспечивает электрические соединения и поддержку.

Пластиковый двухрядный корпус (PDIP)

Пластиковый двухрядный корпус (PDIP) - это корпус со сквозным отверстием и двумя параллельными рядами выводов. Он широко используется в различных электронных устройствах, таких как компьютеры, бытовая электроника и промышленное применение.

Малая интегральная схема (SOIC)

Small Outline Integrated Circuit (SOIC) - это корпус для поверхностного монтажа с выводами в форме крыла чайки. Он отличается компактными размерами и широко используется в смартфонах, ноутбуках и другой портативной электронике.

Массив шариковых решеток (BGA)

Ball Grid Array (BGA) - это технология поверхностного монтажа, в которой в качестве электрических соединений используется массив шариков припоя. Она обеспечивает большое количество выводов и подходит для высокоплотных и высокопроизводительных приложений.

Массив пластиковых шариковых решеток (PBGA)

Сайт Массив пластиковых шариковых решеток (PBGA) - это экономичный вариант упаковки BGA, имеющий пластиковую подложку и шарики припоя для электрических соединений. Он широко используется в бытовой электронике и компьютерной периферии.

Массив керамических шариковых решеток (CBGA)

Сайт Решетчатый массив из керамических шариков (CBGA) - это высокопроизводительный и надежный корпус, подходящий для жестких условий эксплуатации. Он имеет керамическую подложку и широко используется в военных, аэрокосмических и промышленных приложениях.

Флип-чип

Упаковка микросхем флип-чипами - это технология, при которой микросхема устанавливается на подложку или носитель упаковки лицевой стороной вниз. Этот метод обеспечивает компактный размер упаковки и улучшенные электрические характеристики за счет более коротких соединений между микросхемой и подложкой.

Упаковка на уровне пластин (WLP)

Упаковка на уровне пластин (WLP) - это передовой метод упаковки, который предполагает упаковку чипов еще в форме пластин, до их сингуляции (разрезания на отдельные чипы).

Упаковка на уровне пластины с вентилятором (FOWLP)

Fan-Out Wafer Level Packaging (FOWLP) - это вариант WLP, при котором упаковка больше, чем сам чип. Это позволяет увеличить плотность ввода/вывода (I/O) и повысить уровень интеграции.

Упаковка на уровне пластин с вентилятором (FIWLP)

Fan-In Wafer Level Packaging (FIWLP) - это еще один тип WLP, при котором размер упаковки меньше или равен размеру чипа. Она имеет компактный форм-фактор и подходит для мобильных и носимых устройств.

Факторы, влияющие на выбор упаковки микросхем

Размер и форм-фактор

Размер и форм-фактор электронного устройства являются решающими факторами при выборе подходящего метода упаковки микросхем. Компактные корпуса, такие как BGA и WLP, предпочтительны для портативных и ограниченных в пространстве приложений, в то время как более крупные корпуса, такие как PDIP, могут подойти для настольных или промышленных приложений.

Терморегулирование

Эффективная терморегуляция необходима для обеспечения надежной работы микросхем. Для мощных и высокопроизводительных приложений предпочтительны способы упаковки, обеспечивающие хороший теплоотвод, например керамические корпуса или корпуса с теплораспределителями.

Электрические характеристики

Требования к электрическим характеристикам, включая целостность сигнала, подачу питания и электромагнитную совместимость (ЭМС), влияют на выбор упаковки микросхемы. Корпуса с более короткими электрическими путями и лучшими возможностями экранирования, такие как flip chip или BGA, обеспечивают более высокие электрические характеристики.

Стоимость

Стоимость является важным фактором, особенно в бытовой электронике и крупносерийных приложениях. Пластиковые корпуса, такие как PDIP, SOIC и PBGA, как правило, более экономичны по сравнению с керамическими корпусами или передовыми технологиями упаковки, такими как WLP.

Требования к заявке

При выборе подходящего метода упаковки микросхем решающую роль играют специфические требования целевого применения, такие как условия эксплуатации, стандарты надежности и технические характеристики.

Процесс и материалы упаковки

Подготовка штампа

Процесс упаковки начинается с подготовки полупроводниковой матрицы (чипа). Это включает в себя обработку пластин, тестирование и сингуляцию (разрезание пластины на отдельные чипы).

Подложка или свинцовая рама

Подложка или свинцовая рамка служит основанием для чипа и обеспечивает электрические соединения. Обычно используются такие материалы, как пластик, керамика и металлы, например медь или алюминий.

Связывание

Бондинг - это процесс создания электрических соединений между микросхемой и подложкой или выводной рамкой. Это может быть сделано с помощью проволочного соединения, соединения микросхем и других методов.

Инкапсуляция

Инкапсуляция подразумевает заключение микросхемы и ее электрических соединений в защитный материал, например, пластик или керамику. Этот шаг защищает чип от внешних факторов и обеспечивает структурную поддержку.

Испытания и маркировка

После инкапсуляции упакованный чип проходит тщательное тестирование, чтобы убедиться в его функциональности и надежности. Затем на него наносится идентификационная информация, например, номера деталей или логотипы производителей.

Тенденции и будущее упаковки микросхем

Миниатюризация и повышенная интеграция

Тенденция к миниатюризации и повышению степени интеграции стимулирует развитие технологий упаковки более компактных микросхем. Это включает в себя внедрение передовых методов упаковки, таких как WLP и 3D/2.5D-упаковка.

Передовые материалы

Для улучшения производительности, надежности и терморегулирования в упаковке микросхем используются новые и передовые материалы. К ним относятся высокоэффективные органические подложки, решения для жидкостного охлаждения и передовые материалы для инкапсуляции.

3D и 2,5D упаковка

Все большее распространение получают технологии 3D- и 2,5D-упаковки, предполагающие укладку нескольких микросхем или интеграцию микросхем и пассивных компонентов в единый корпус. Эти технологии обеспечивают более высокую степень интеграции, улучшенную производительность и уменьшенные форм-факторы.

Заключение

Методы упаковки микросхем играют важную роль в полупроводниковой промышленности, обеспечивая защиту, функциональность и надежность электронных устройств. Выбор подходящего метода упаковки - от традиционных корпусов на свинцовой рамке до передовых технологий, таких как WLP и 3D-упаковка, - зависит от различных факторов, включая размер, терморегулирование, электрические характеристики, стоимость и требования к применению.

По мере развития технологий методы упаковки микросхем должны адаптироваться, чтобы соответствовать требованиям к более высокой интеграции, производительности и компактности. Будущее упаковки микросхем - за разработкой инновационных материалов, передовых методов упаковки и постоянными усилиями по миниатюризации для удовлетворения постоянно растущих потребностей электронной промышленности.

Часто задаваемые вопросы

Вопрос 1: В чем разница между упаковкой на уровне пластины с вентилятором и с вентилятором внутрь?
А1: При упаковке на уровне пластин (fan-out wafer level packaging, FOWLP) размер упаковки превышает размер самого чипа, что позволяет увеличить плотность ввода/вывода (I/O) и повысить степень интеграции. С другой стороны, в упаковке типа fan-in.

Вопрос 2: Каковы преимущества упаковки в виде массива шариковых решеток (BGA)?

A2: Упаковка в виде решетки с шариками (BGA) обладает рядом преимуществ, в том числе:

• Большое количество выводов и высокая плотность: В корпусах BGA можно разместить большое количество входных/выходных соединений, что делает их подходящими для высокопроизводительных и высокоплотных приложений.
• Улучшенные электрические характеристики: Более короткие электрические пути в корпусах BGA обеспечивают лучшую целостность сигнала и снижают уровень шума, что позволяет использовать их на более высоких рабочих частотах.
• Улучшенная терморегуляция: Массив шариков припоя обеспечивает большую площадь поверхности для отвода тепла, улучшая тепловые характеристики.
• Совместимость с поверхностным монтажом: Корпуса BGA разработаны для технологии поверхностного монтажа, что позволяет автоматизировать процессы сборки и сократить занимаемое на плате пространство.

Вопрос 3: Какова цель инкапсуляции в упаковке микросхем?
A3: Инкапсуляция - важнейший этап упаковки микросхем, который служит нескольким целям:

• Защита: Она защищает хрупкий чип и его электрические соединения от внешних факторов, таких как влага, пыль и механические нагрузки, обеспечивая надежность и продлевая срок службы чипа.
• Структурная поддержка: Материал оболочки, например пластик или керамика, обеспечивает структурную целостность и прочность упаковки, предотвращая ее повреждение при обращении и эксплуатации.
• Терморегуляция: Некоторые материалы для герметизации обладают хорошей теплопроводностью, что облегчает отвод тепла от чипа.
• Электрическая изоляция: Материал оболочки электрически изолирует микросхему и ее соединения от внешних помех или коротких замыканий.

Вопрос 4: Какие ключевые моменты необходимо учитывать при выборе метода упаковки микросхем?
A4: Выбор метода упаковки микросхем зависит от нескольких ключевых моментов:

• Требования к размерам и форм-фактору конечного приложения
• Потребности в терморегулировании, основанные на рассеиваемой мощности чипа
• Требования к электрическим характеристикам, таким как целостность сигнала и подача питания
• Ограничения по стоимости, особенно для крупносерийных потребительских приложений
• Специфические требования к применению, такие как условия эксплуатации и стандарты надежности
• Будущая масштабируемость и потребности в интеграции продукта или системы

Q5: Каковы новые тенденции в упаковке микросхем в будущем?
A5: Некоторые из новых тенденций в упаковке микросхем в будущем включают:

• Продолжение миниатюризации и повышение степени интеграции за счет использования передовых технологий упаковки, таких как упаковка на уровне веерных пластин (FOWLP) и 3D/2,5D упаковка.
• Внедрение новых и передовых материалов для подложек, корпусов и решений по терморегулированию для повышения производительности и надежности.
• Разработка технологий встраивания, позволяющих интегрировать пассивные компоненты, такие как конденсаторы и резисторы, в сам корпус, что обеспечивает дальнейшую миниатюризацию.
• Исследование гетерогенной интеграции, когда различные типы микросхем (например, логика, память, аналоговые устройства) интегрируются в единый корпус для улучшения функциональности и производительности.
• Повышенное внимание к решениям по управлению тепловым режимом, таким как жидкостное охлаждение и интегрированные теплораспределители, для решения тепловых проблем высокопроизводительных и энергоемких корпусов.