Корпус интегральной схемы
Упаковка интегральной схемы — это заключительный этап изготовления полупроводниковых устройств , на котором кристалл герметизируется в поддерживающем корпусе, предотвращающем физические повреждения и коррозию. Корпус, известный как « корпус », поддерживает электрические контакты, которые соединяют устройство с печатной платой.
За этапом упаковки следует тестирование интегральной схемы.
Рекомендации по проектированию
[ редактировать ]
Электрический
[ редактировать ]Токопроводящие дорожки, выходящие из кристалла, через корпус и на печатную плату (PCB), имеют совершенно другие электрические свойства по сравнению с сигналами на кристалле. Они требуют специальных методов проектирования и требуют гораздо больше электроэнергии, чем сигналы, заключенные в самом чипе. Поэтому важно, чтобы материалы, используемые в качестве электрических контактов, обладали такими характеристиками, как низкое сопротивление, низкая емкость и низкая индуктивность. [1] Как структура, так и материалы должны отдавать приоритет свойствам передачи сигнала, сводя при этом к минимуму любые паразитные элементы , которые могут отрицательно повлиять на сигнал.
Контроль этих характеристик становится все более важным по мере того, как остальные технологии начинают ускоряться. Задержки при упаковке потенциально могут составить почти половину задержки высокопроизводительного компьютера, и ожидается, что это узкое место в скорости будет увеличиваться. [1]
Механические и термические
[ редактировать ]Корпус интегральной схемы должен противостоять физическому разрушению, защищать от влаги, а также обеспечивать эффективный отвод тепла от чипа. Более того, для радиочастотных приложений пакет обычно требуется для экранирования электромагнитных помех , которые могут либо ухудшить характеристики схемы, либо отрицательно повлиять на соседние цепи. Наконец, корпус должен позволять подключать чип к печатной плате . [1] Материалами упаковки являются пластик ( термореактивный или термопластик ), металл (обычно ковар ) или керамика. Обычно эпоксидно для этого используется крезол - ( - новолак ECN). [2] Все три типа материала обладают приемлемой механической прочностью, влагостойкостью и термостойкостью. Тем не менее, для устройств более высокого класса обычно предпочтительнее металлические и керамические корпуса из-за их более высокой прочности (которая также поддерживает конструкции с большим количеством контактов), рассеивания тепла, герметичности или по другим причинам. Как правило, керамические упаковки дороже аналогичных пластиковых упаковок. [3]
Некоторые упаковки имеют металлические ребра для улучшения теплопередачи, но они занимают место. Корпуса большего размера также позволяют использовать больше соединительных контактов. [1]
Экономический
[ редактировать ]Стоимость является фактором при выборе корпуса интегральной схемы. Обычно недорогой пластиковый корпус может рассеивать тепло до 2 Вт, что достаточно для многих простых применений, хотя аналогичный керамический корпус может рассеивать до 50 Вт в том же сценарии. [1] Поскольку чипы внутри корпуса становятся меньше и быстрее, они также имеют тенденцию нагреваться. Поскольку последующая потребность в более эффективном отводе тепла возрастает, вместе с ней растет и стоимость упаковки. Как правило, чем меньше и сложнее должна быть упаковка, тем дороже ее производство. [3] Для снижения затрат вместо таких методов, как флип-чип, можно использовать проволочное соединение. [4]
История
[ редактировать ]
Ранние интегральные схемы упаковывались в плоские керамические корпуса , которые военные использовали в течение многих лет из-за их надежности и небольшого размера. Другой тип корпуса, использовавшийся в 1970-х годах, называемый ICP (Integrated Circuit Package), представлял собой керамический корпус (иногда круглый, как корпус транзистора), с выводами на одной стороне, соосными оси корпуса.
Коммерческая упаковка быстро перешла на двухрядный корпус (DIP), сначала из керамики, а затем из пластика. [5] В 1980-х годах количество выводов СБИС превысило практический предел для корпусов DIP, что привело к появлению корпусов с решеткой выводов (PGA) и корпусов без выводов для держателей микросхем (LCC). [6] Корпуса для поверхностного монтажа появились в начале 1980-х годов и стали популярными в конце 1980-х годов, в них использовался более мелкий шаг выводов с выводами в форме крыла чайки или J-образного вывода, примером чему является интегральная схема малого контура — носитель, занимающий площадь около 30 м². – на 50 % меньше, чем у эквивалентного DIP , при типичной толщине на 70 % меньше. [6]
Следующим крупным нововведением стал пакет с массивом зон , в котором соединительные клеммы размещаются по всей площади корпуса, обеспечивая большее количество соединений, чем предыдущие типы корпусов, в которых использовался только внешний периметр. Первым корпусом массива площадей был корпус массива керамических штифтов . [1] Вскоре после этого пластиковая решетчатая матрица из шариков (BGA), еще один тип упаковки с площадной решеткой. одним из наиболее часто используемых методов упаковки стала [7]
В конце 1990-х годов пластиковый четырехъядерный плоский корпус (PQFP) и тонкие корпуса малого размера (TSOP) заменили корпуса PGA как наиболее распространенные для устройств с большим количеством контактов. [1] хотя пакеты PGA все еще часто используются для микропроцессоров . Однако лидеры отрасли Intel и AMD в 2000-х годах перешли от пакетов PGA к пакетам наземных массивов (LGA). [8]
Пакеты с решетчатыми шариками (BGA) существуют с 1970-х годов, но в 1990-х годах они превратились в пакеты с решетчатыми шариковыми решетками (FCBGA). Пакеты FCBGA допускают гораздо большее количество контактов, чем любые существующие типы пакетов. В корпусе FCBGA кристалл устанавливается перевернутым (перевернутым) и соединяется с шариками корпуса через подложку, похожую на печатную плату, а не с помощью проводов. Пакеты FCBGA позволяют распределять массив сигналов ввода-вывода (называемый Area-I/O) по всему кристаллу, а не ограничивать его периферией. [9] Керамические подложки для BGA были заменены органическими подложками, чтобы снизить затраты и использовать существующие технологии производства печатных плат для одновременного производства большего количества корпусов за счет использования панелей печатных плат большего размера во время производства. [10]
Следы, выходящие из кристалла, через корпус и на печатную плату , имеют совершенно другие электрические свойства по сравнению с сигналами на кристалле. Они требуют специальных методов проектирования и требуют гораздо больше электроэнергии, чем сигналы, заключенные в самом чипе.
Последние разработки заключаются в объединении нескольких кристаллов в один корпус под названием SiP, что означает «система в пакете » или трехмерная интегральная схема . Объединение нескольких кристаллов на небольшой подложке, часто керамической, называется MCM или многочиповым модулем . Граница между большим MCM и маленькой печатной платой иногда размыта. [11]
Распространенные типы пакетов
[ редактировать ]
- Технология сквозного отверстия
- Технология поверхностного монтажа
- Чип-носитель
- Массив контактной сетки
- Плоский пакет
- Малая интегральная схема
- Чип-масштабный пакет
- Массив шариковой сетки
- Транзистор, диод, корпуса микросхем с малым количеством выводов
- Многочиповые пакеты
Операции
[ редактировать ]Для традиционных микросхем после нарезки пластины матрица извлекается из нарезанной пластины с помощью вакуумного наконечника или присоски. [12] [13] и подвергается прикреплению матрицы , что представляет собой этап, на котором матрица устанавливается и закрепляется на упаковке или опорной конструкции (жатке). [14] В приложениях с высокой мощностью кристалл обычно эвтектическим способом приклеивается к корпусу , например, с использованием золото-оловянного или золото-кремниевого припоя (для хорошей теплопроводности ). Для недорогих приложений с низким энергопотреблением кристалл часто приклеивают непосредственно на подложку (например, печатную плату ) с помощью эпоксидного клея . Альтернативно штампы можно прикрепить припоем. Эти методы обычно используются, когда матрица будет соединена проволокой; штампы с технологией перевернутого чипа не используют эти методы крепления. [15] [16]
Соединение ИС также известно как соединение кристалла, крепление кристалла и крепление кристалла. [17]
На этапе упаковки выполняются следующие операции, которые разбиты на этапы склеивания, инкапсуляции и склеивания пластин. Обратите внимание, что этот список не является исчерпывающим и не все эти операции выполняются для каждого пакета, поскольку процесс сильно зависит от типа пакета .
- IC-соединение
- инкапсуляция микросхем
- Склеивание пластин
Прикрепление кристалла для спекания — это процесс, который включает размещение полупроводникового кристалла на подложке и последующее воздействие на него высокой температуры и давления в контролируемой среде. [18]
См. также
[ редактировать ]- Расширенная упаковка (полупроводники)
- Список типов упаковки интегральных схем
- Список размеров упаковки электроники
- Золото-алюминиевый интерметаллид «пурпурная чума».
- Совместно обожженная керамика
- B-постановка
- Герметизация (электроника)
- Лоскутная упаковка
- Электронная упаковка
- Декапирование
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с д и ж г Рабай, Ян (2007). Цифровые интегральные схемы (2-е изд.). Прентис Холл, Inc. ISBN 978-0130909961 .
- ^ Ардебили, Халех; Пехт, Майкл Г. (2009). «Пластмассовые герметизирующие материалы» . Технологии инкапсуляции для электронных приложений . стр. 47–127. дои : 10.1016/B978-0-8155-1576-0.50006-1 . ISBN 9780815515760 . S2CID 138753417 — через ResearchGate .
- ^ Jump up to: а б Грейг, Уильям (2007). Корпус интегральной схемы, сборка и соединения . Springer Science & Business Media. ISBN 9780387339139 .
- ^ «Wire Bond против упаковки с перевернутым чипом | Обзор полупроводников» . 10 декабря 2016 г.
- ^ Даммер, GWA (1978). Электронные изобретения и открытия (2-е изд.) . Пергамон Пресс. ISBN 0-08-022730-9 .
- ^ Jump up to: а б Бейкер, Р. Джейкоб (2010). КМОП: схемотехника, компоновка и моделирование, третье издание . Wiley-IEEE. ISBN 978-0-470-88132-3 .
- ^ Кен Гиллео (2003). Процессы упаковки массивов областей для BGA, Flip Chip и CSP . МакГроу-Хилл Профессионал . п. 251. ИСБН 0-07-142829-1 .
- ^ «Технология разъемов и корпусов Land Grid Array (LGA)» (PDF) . Интел . Проверено 7 апреля 2016 г.
- ^ Райли, Джордж (30 января 2009 г.). «Флипчипы: Урок №1» . Архивировано из оригинала 30 января 2009 года . Проверено 7 апреля 2016 г.
{{cite web}}: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка ) - ^ Материалы для усовершенствованной упаковки . Спрингер. 17 декабря 2008 г. ISBN. 978-0-387-78219-5 .
- ^ Р. Уэйн Джонсон, Марк Стрикленд и Дэвид Герк, Программа НАСА по электронным деталям и упаковке. « 3-D Упаковка: Обзор технологий ». 23 июня 2005 г. Проверено 31 июля 2015 г.
- ^ Приставка для матрицы, каталог дозирования жидкости от малых прецизионных инструментов SPT.
- ^ «Техника и методы склеивания штампов» . 9 июля 2012 г.
- ^ Л. В. Тернер (редактор), Справочник инженеров-электронщиков , Ньюнс-Баттерворт, 1976, ISBN 0-408-00168-2 , страницы с 11–34 по 11–37.
- ^ «Техника и методы склеивания штампов» . 9 июля 2012 г.
- ^ Лау, Джон Х. (30 июня 1994 г.). Чип на плате: технология многочиповых модулей . Спрингер. ISBN 978-0-442-01441-4 .
- ^ «Что такое процесс прикрепления штампа?» . Орикус Полукон Солюшнс . 01.11.2021 . Проверено 22 апреля 2024 г.
- ^ Буттай, Сирил и др. «Прикрепление силовых устройств с использованием оптимизации и определения характеристик процесса спекания-склеивания серебра». ПриветТЭН 2011. 2011.