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.
Аспекты дизайна [ править ]
Электрика [ править ]
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, поскольку 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 [ править ]
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 [ править ]
Стоимость является фактором при выборе корпуса интегральной схемы. Обычно недорогой пластиковый корпус может рассеивать тепло до 2 Вт, чего 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 [ править ]
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 безвыводных 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 (так 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 [ править ]
- Технология сквозного отверстия
- Технология поверхностного монтажа
- Чип-носитель
- Массив контактной сетки
- Плоский пакет
- Малая интегральная схема
- Чип-масштабируемый пакет
- Массив шариковой сетки
- Транзистор, диод, корпуса микросхем с малым количеством выводов
- Многочиповые пакеты
Операции [ править ]
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 [ править ]
- 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 [ править ]
- ^ Jump up to: Перейти обратно: 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: Перейти обратно: 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: Перейти обратно: 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.