Wenn du das Wort siehst; IC-Verpackung, was ist das erste, was mir in den Sinn kommt?
Natürlich Schutz. Oder vielleicht Sicherheit. Welches Wort Sie auch wählen, es ist akzeptabel. Und das liegt daran, dass IC-Gehäuse es Halbleitern ermöglichen, länger zu halten.
Wenn Sie ein Ingenieur sind, sollten Sie über sie Bescheid wissen. Und es würde helfen, wenn Sie sie verwenden würden, um Ihren Halbleiter für viele Jahre arbeiten zu lassen, ohne Fehler zu entwickeln.
Es ist in Ordnung, wenn Sie nichts über IC-Verpackungen wissen. Wir würden später in diesem Beitrag ausführlich darüber sprechen.
Aber wie funktioniert das?
IC-Gehäuse sorgen dafür, dass jeder Chip in einer Leiterplatte vor möglichen Belastungen und den Elementen geschützt bleibt.
Sind Sie bereit für fundiertes Wissen über IC-Verpackungen? Dann springen wir in den Artikel.
1. Was ist IC Packaging?
Wir definieren IC-Packaging, auch bekannt als Integrated Circuit Packaging, in einfachen Worten.
Es bezieht sich also auf jede Komponente, die über ein Halbleitergerät verfügt. Und das Paket ist eine Ummantelung, die das Schaltungsgerät umgibt. Außerdem besteht der Hauptzweck darin, zu verhindern, dass das Gerät:
Körperliche Beeinträchtigung
Korrosion
Aber das ist noch nicht alles.
Es dient auch als Plattform, die es elektrischen Kontakten ermöglicht, die darauf montiert sind, um mit der Leiterplatte verbunden zu werden.
Wenn es um IC-Verpackungen geht, gibt es verschiedene Optionen zu berücksichtigen. Und das liegt an den verschiedenen verfügbaren Schaltungen. Auch diese Schaltungen haben aufgrund ihrer Außenhülle andere Anforderungen.
In welcher Phase ist die IC-Verpackung unerlässlich?
Typischerweise ist ic packaging die letzte Produktionsstufe von Halbleiterbauelementen. Daher wird in diesem Stadium die Halbleiterkomponente in einem Gehäuse geschützt. Und dieses Gehäusepaket macht eine Sache. Es schützt den IC vor möglichen Beschädigungen der äußeren Elemente. Außerdem schützt es es vor Korrosion.
Also, hier ist der Deal.
Das Gehäusepaket ist eine Ummantelung. Es ist für den Schutz des Geräteblocks verantwortlich. Und es hilft auch, lebenswichtige Komponenten zu fördern. Einer davon sind die elektrischen Kontakte. Diese Komponenten helfen, Signale zur Leiterplatte eines elektronischen Geräts zu übertragen.
Die Geschichte der IC-Verpackung
Seit den 1970er Jahren verzeichnet die IC-Verpackungstechnologie ein stetiges Wachstum. Anfangs begannen sie als BGA-Paket (Ball Grid Array). Und die meisten Elektronikhersteller verwendeten es auch.
Aber später, zu Beginn des 21. Jahrhunderts, überholten neuere Sorten die Pin-Grid-Array-Pakete.
Sie nannten die neuen Sorten:
Kunststoff Quad Flat Pack
Das dünne kleine Umrisspaket
Im Laufe der Zeit brachten einige Hersteller wie Intel Land Grid Array-Pakete ins Leben.
In der Zwischenzeit übertrafen Flip-Chip-Ball-Grid-Arrays (FCBGAs) BGAs. Und das liegt daran, dass die FCBGAs mehr Pins beherbergen als andere Gehäusedesigns.
Außerdem hat der FCBGA im Gegensatz zu den Kanten Ein- und Ausgangssignale über dem kompletten Die.
2. Die verschiedenen Arten von IC-Verpackungen
Es gibt etwa zehn verschiedene IC-Verpackungstypen. Aber in diesem Artikel werden wir vier auflisten.
2.1 Durchsteckmontagepakete
Diese IC-Verpackung ist eine Montagestruktur, die für elektronische Teile verwendet wird. Und dazu gehört die Verwendung von Blei (Pb) auf den Teilen, die in die gebohrten Löcher der Leiterplatte eingesetzt werden.
Sie werden auch mit Pads auf der Rückseite verbunden. Und dies geschieht durch den Einsatz von mechanisierten Einsteckmaschinen. Oder durch manuelle Montage, die Handplatzierung.
Die Durchsteckverpackung ist ideal für Teile, die nicht für die Oberflächenmontage geeignet sind. Ein Beispiel dafür sind Kühlkörper-Leistungshalbleiter und große Transformatoren.
2.2 Oberflächenmontierbare Verpackung
Das oberflächenmontierbare IC-Gehäuse bezieht sich auf eine Methode, bei der elektrische Komponenten direkt an der Außenseite der Leiterplatte montiert werden.
Jedes elektrische Gerät, das diese Methode der IC-Verpackung verwendet, ist ein oberflächenmontierbares Gerät (SMD).
Auch das Aufkommen der Surface-Mount-Packaging-Technologie verschlang die Through-Hole-Mount-Verpackung.
Warum war das so?
Dies lag daran, dass SMT eine verstärkte automatisierte Fertigung unterstützte. Und es ermöglicht Qualitätsverbesserung und Kostensenkung.
Aber das ist noch nicht alles.
Die oberflächenmontierbare Verpackung verfügt über eine Plattform, mit der mehr Komponenten an einem bestimmten Bereich angebracht werden können.
Außerdem ist SMT im Vergleich zu Durchgangslochhalterungen kleiner. Und es liegt daran, dass es kleinere oder keine Leads hat. Außerdem hat es Folgendes:
Flache Kontakte
Eine Leine verschiedener Stile oder kurze Pins
Anschlüsse an der Außenseite des Bauteils
Eine Matrix von Lötkugeln
2.3 Chip-Scale-Gehäuse
Ein anderer Name für die Chip-Scale-Gehäuse ist Chip-Size-Packaging. Es leitete diesen Namen ab, weil es eines der wenigen Pakete ist, die in Chipgröße erhältlich sind.
Aber das ist noch nicht alles.
Damit ein IC-Gehäuse als Chip-Scale qualifiziert werden kann, muss es die folgenden Kriterien erfüllen:
Sei ein Single-Die
Haben Sie ein direkt oberflächenmontierbares Gehäuse
Haben Sie eine Fläche, die weniger als das 1,2-fache der Größe eines Würfels ist
1993 schlugen General Murakami von Hitachi Cable und Junichi Kasai von Fujitsu das obige Konzept vor. Mitsubishi Electric hat jedoch die erste Konzeptdemo erstellt.
Aber es gibt noch mehr.
Die Chip-Scale-Technologie erfordert Folgendes:
Zuerst muss der Zwischenposer, in dem Sich Bälle oder Pads bilden, den Würfel halten. Und dieses Gehäuse ähnelt der Technologie des Flip-Chip-Ball-Grid-Array-Gehäuses.
Zweitens können die Pads direkt in den Siliziumwafer gedruckt oder geätzt werden. Und so entsteht eine Verpackung, die fast die Größe der Silizium-Matrize hat. Ein perfektes Beispiel für ein solches Gehäuse ist ein Wasserstands-Chip-Scale-Gehäuse (WL-CSP) oder ein Wasserstandspaket (WLP).
In den 1990er Jahren begann die Produktion von WL-CSP. Aber viele Unternehmen begannen Anfang der 2000er Jahre mit der Massenproduktion. Advanced Semiconductor Engineering ist ein hervorragendes Beispiel für ein Unternehmen, das den WL-CSP in Serie produziert hat.
2.4 Kugelgitter-Array
Ball Grid Array ist eine Art von Verpackung, die verwendet wird, um Mikroprozessoren dauerhaft zu montieren.
Aber das ist noch nicht alles.
Das Gehäuse bietet auch mehr Verbindungspins als ein flaches oder duales Inline-Gehäuse.
Daher ist der beste Teil dieses Pakets:
Sie können die gesamte untere Oberfläche verwenden, nicht nur den Umfang. Und die Spuren, die sich mit dem Paket verbinden, führen zu den Kugeln oder Drähten.
Es gibt noch mehr.
Diese Kugeln oder Drähte verbinden die Matrize mit durchschnittlich kürzeren Paketen, die nur perimetern sind. Am Ende bringt das Paket eine höhere Geschwindigkeit und eine bessere Leistung.
Außerdem benötigen Sie als Ingenieur eine präzise Steuerung, um BGA-Geräte zu löten. Und das liegt an seinem sehr empfindlichen System. Daher halten sich die meisten Unternehmen an automatisierte Prozesse, um Fehler zu vermeiden.
3. Was sind die erforderlichen Materialien für IC-Gehäuse und die Art der Montage?
Die erforderlichen Materialien, die für den Bau verschiedener IC-Pakete verwendet werden, sind unerlässlich.
Warum?
Dies liegt daran, dass drei Faktoren die Grundlage eines Pakets bilden. Und sie sind:
Chemische Eigenschaften
Physikalische Eigenschaften
Elektrische Eigenschaften
Aber das ist noch nicht alles.
Die Leistung des Pakets wirkt auch als limitierender Faktor.
Lassen Sie uns also in die drei primären Verpackungsmaterialien eintauchen.
3.1 Für Leadframe-Materialien
Die Leadframe-Materialien sind die dominierenden IC-Gehäusematerialien. Daher verwenden Ingenieure sie hauptsächlich für Drahtbondierungen und Draht-Bond-Verbindungswürfel. Und ein perfektes Beispiel ist Gold oder Silber.
Diese Oberflächen werden im inneren Bond-Land-Bereich über ein Spot-Platin-Verfahren plattiert. Auf diese Weise sparen Sie eine Menge Kosten. Und das liegt daran, dass sich Edelmetalle nicht mit Leichtigkeit mit Vergussmitteln verbinden.
3.2 Für Keramikverpackungen
Inconel oder Alloy 42 ist eine häufige Wahl für Keramikverpackungen. Warum? Es liegt daran, dass es eine Verbindung zwischen den Legierungen und CTE gibt. Die enge Übereinstimmung ist aufgrund der Sprödigkeit der Keramik ein entscheidendes Merkmal.
Aber der niedrige CTE könnte eine schädliche Wirkung haben. Und es ist schlimmer, wenn Sie die endgültige Assemblage von Oberflächengeräten installieren. Die Größe des CTE spielt jedoch eine bedeutende Rolle. Und wir können alles mit dem Missverhältnis der meisten gängigen PCB-Substrate in Verbindung setzen.
Wir müssen auch beachten, dass metalle mit niedrigerem CTE einen ausgezeichneten Ruf haben, um gut als Leadframes zu funktionieren. Und sie funktionieren perfekt für Kunststoff-DIP- und Keramikverpackungen.
Kupfer-Leitrahmenmaterialien sind jedoch in der Regel eine ideale Wahl für oberflächenmontierbare Kunststoffverpackungen. Und das liegt daran, dass sie die Fähigkeit und Compliance haben, Lötstellen zu sichern.
Aber das ist noch nicht alles.
Kupfer hat auch eine höhere Leitfähigkeit, was ein großes Plus ist.
3.3 Laminatmaterialien
Für IC-Verpackungen können Sie Leadframes durch Laminatmaterialien ersetzen. Und sie sind praktisch, wenn Sie hohe E/A-Zahlen haben. Oder vielleicht suchen Sie nach einem hohen Leistungsniveau.
Aber hier ist, was Sie wissen sollten.
Seit Ende der 1970er Jahre gibt es Laminate. Und dann verwendeten sie sie für Chip-on-Board-Systeme. Wenn Sie sich also Chip-on-Board genau ansehen, werden Sie etwas bemerken. Es kommt mit allen notwendigen Elementen, die in einem Paket benötigt werden.
Außerdem hat es ein Paket am ursprünglichen Ort.
Abgesehen davon dienen Laminatverpackungen als kostengünstige Optionen. Es ist noch erschwinglicher als die dünnen und dicken Keramiksubstrate. Daher verwenden die meisten Ingenieure es aufgrund seines wirtschaftlichen Wertes.
Außerdem bevorzugen Ingenieure neuere organische Laminate mit höheren Temperaturen. Und das nicht nur, weil es kostengünstig ist. Aber sie haben mehr bevorzugte elektrische Eigenschaften. Ein gutes Beispiel ist die untere Dielektrizitätskonstante.
4. Die-Attach Materialien
Die-Attach-Materialien eignen sich hervorragend zum Verkleben von Matrize auf dem Substrat. Der Prozess mag auf den ersten Blick einfach erscheinen, hat aber verschiedene Anforderungen. Und es kommt auf die Anwendung an.
In den meisten Fällen ist die Matrizebefestigung jedoch ideal für die Front-up-Wire-Bond-Montage. Es ist also wärmeleitfähig. Aber in einigen Fällen ist es elektrisch leitfähig.
Außerdem darf der Die-Attach-Prozess keine Vakuume im angeschlossenen Material aufweisen. Auf diese Weise können Sie Hot Spots auf dem Würfel vermeiden. Und wenn die Chip-Power des Die-Attach-Materials steigt, erhält es mehr Wert.
5. Verkapselungen
Eine Verkapselung ähnelt eher dem letzten Teil eines IC-Pakets. Daher hat es eine primäre Schutzfunktion. Und die Vergussmassen schützen die empfindlichen Bonddrähte und -chips vor der Umwelt und physischen Schäden.
Sie müssen es also mit Präzision und Sorgfalt anwenden. Auf diese Weise verhindern Sie Drahtfeger, was zu Kurzleitungen zueinander führen kann.
Aber das ist noch nicht alles.
Wenn es um IC-Verpackungen geht, gibt es drei grundlegende Arten von Vergussmaterialien, die nützlich sind:
5.1 Epoxid- und Epoxidmischungen
Epoxid- und Epoxidmischung ist bei Herstellern sehr beliebt. Schließlich sind organische Harze in der Tragwerksplanung am häufigsten. Außerdem ist es eine vorteilhafte Mischung aus thermischer Leistung und Eigenschaften zu einem niedrigen Preis.
5.2 Silikonmaterialien
Silikonmaterialien sind die zweitbeliebtesten Vergussmittel. Und sie sind praktisch für IC-Chips. Zweifellos ähneln die Verarbeitungs- und Aushärtungsschemata von Siliziummaterialien organischen Harzen.
Aber dieses Material ist kein organisches Harz.
Es gibt zwei grundlegende Arten von Silikonharzen:
Raumtemperatur vulkanisierbar (RTV)
Lösemittelbasiert
Sie können auch eine Aushärtung (Umwandlung von Silikon in Feststoff) mit verschiedenen Mechanismen erreichen. Und es hängt von der Art des Silikonmaterials ab, das Sie wählen.
Was die Raumtemperatur-vulkanisierbare betrifft, können Sie sie entweder aushärten durch:
Katalysatorzugabe
Einwirkung von Feuchtigkeit (Raumfeuchtigkeit)
Auf der anderen Seite ist der gebräuchlichste Weg, wie Sie lösemittelbasierte Harze aushärten können, mit thermischen Mitteln. Sie können die lösungsmittelbasierten Harze jedoch erst nach dem Verdampfen des Lösungsmittels fixieren.
Silikonharze sind eine beliebte Wahl für CSPs, die Compliance suchen. Und das liegt daran, dass diese Harze über einen Temperaturbereich (-650 bis 1500 ° C) flexibel sind.
5.3 Polyimid
Diese Verkapselung ist nicht so beliebt wie die vorherigen auf dieser Liste. Es ist auch selten, es in die-attach Klebstoffformulierungen zu finden. Aber es ist ziemlich üblich, wenn es um flexible Leiterplatten geht. Und es ist eine wunderbare Wahl dank seiner vorteilhaften Eigenschaften wie:
Bemerkenswerte Beständigkeit gegen Chemikalien
Beeindruckende elektrische Eigenschaften
Extreme Haltbarkeit
Ausgezeichnete Zugfestigkeit
Stabilität über einen weiten Temperaturbereich
Hohe Hitzebeständigkeit
Großer Betriebstemperaturbereich von -2000 bis 3000C
6. Drahtanschluss
Wire Bonding ist ein Prozess, der für die Herstellung von Halbleiterbauelementen nützlich ist. Es beinhaltet auch verbindungen zwischen einem IC oder einem anderen Halbleiterbauelement und seinem Gehäuse.
Wire Bonding ist auch praktisch, wenn Sie einen IC an eine andere Elektronik anschließen möchten. Oder wenn Sie eine Verbindung zwischen zwei Leiterplatten herstellen möchten. Die Methode ist die kostengünstigste. Und Sie können es bei Frequenzen über 100Hz verwenden.
Folgende Materialien bilden die Bonddrähte:
Silber
Aluminium
Gold
Kupfer
Golddrähte sind beim Drahtbonden durchaus üblich. Wenn Sie jedoch eine stickstoffreiche Montageumgebung haben, ist Kupferdraht eine gute Option.
Wenn Sie eine wirtschaftliche Alternative wünschen, können Sie die Verbindung mit Aluminiumdraht verkeilen.
Baugruppen in Drahtbond gibt es in drei Formaten:
Ultraschall-Keilverklebung bei Raumtemperatur
Thermokompressionsverklebung
Thermosonic Ball Bonding
Die Ultraschallverklebung umfasst eine Matrize und eine Substratbindung. Außerdem beginnt es mit der Verwendung eines Lochs in der Oberfläche einer Komponentenbaugruppe, um Draht zuzuspeist.
Wenn Sie Silizium-ICs an Computer anschließen möchten, ist es ideal, Thermoschall-Bonding zu verwenden. Und das Verfahren hilft, Komponenten der CPUs zusammenzubauen. Folglich integriert es die Schaltkreise von Laptops und PCs.
Thermokompressionsverklebung beinhaltet die Verbindung von zwei Metallen mit einer Mischung aus Wärme und Kraft. Das Verfahren trägt dazu bei, Gerätepakete und elektrische Strukturen vor Oberflächenmontage zu schützen.
7. Wafer-Bonding
Wafer-Bonding arbeitet auf Wafer-Ebene. Und es ist nützlich für die Herstellung:
Optoelektronik
Mikroelektromechanische Systeme (MEMS)
Mikroelektronik
Nanoelektromechanische Systeme (NEMS)
Diese Verpackungstechnologie sorgt für eine mechanisch stabile und hermetisch dichte Verkapselung. Außerdem beträgt der Durchmesserbereich 12 Zoll für die Herstellung von Mikroelektronikgeräten. Im Gegensatz dazu hat MEMS/NEMS einen Durchmesserbereich von 4 bis 8 Zoll.
WaferBonding hilft, die empfindlichen internen Strukturen von NEMS und MEMS vor Umwelteinflüssen zu schützen. Beispiele für die Umweltauswirkungen sind:
Oxidierende Spezies
Temperatur
Feuchtigkeit
Hochdruck
Daher sollte das Paket die folgenden Anforderungen erfüllen:
Wärmeabgabe
Optimale Aufrechterhaltung des Energie- und Informationsflusses
Einbindung von Elementen mit unterschiedlichen Technologien
Schutz vor Umwelteinflüssen
Kompatibilität mit der umgebenden Peripherie
8. IC-Verpackungsdesign
Das IC-Verpackungsdesign der nächsten Generation ist der beste Weg, um Folgendes zu erreichen:
Funktionsdichte
Heterogene Integration
Silizium-Skalierung
Darüber hinaus ist es für viele Anwendungen ideal, um die Gesamtpaketgröße zu reduzieren.
Daher bieten homogene und heterogene IC-Verpackungen einen Weg zu Folgendem:
Schnellere Time-to-Market
Silizium-Ertragsstabilität
Erweiterte Gerätefunktionalität
Heute sind verschiedene IC-Technologieplattformen entstanden, die Folgendes erfüllen:
Hochleistung
Leistungsoptimierungen
Wirtschaftlichkeit
Und sie erfüllen die Bedürfnisse verschiedener Branchen wie:
Künstliche Intelligenz (KI)
High-Performance Computing (HPC)
Luft- und Raumfahrt
Medizinisch
Iot
Mobiles Computing
Selbstfahrend
5G
Virtuelle Realität (VR)
Augmented Reality (AR)
Aber eines müssen wir bei den neuen IC-Verpackungstechnologien beachten.
Sie bringen einzigartige Engpässe für veraltete Paketmethoden und Design-Tools mit sich.
Wenn Ihr Designteam also diese neuen IC-Pakete verwenden muss, muss es eine Sache tun.
Sie müssen daran arbeiten, ihr gesamtes Engineering-System zu optimieren und zu verifizieren. Das bedeutet, dass Sie nicht bei den einzelnen Elementen stehen bleiben können – Sie müssen alles ausführen.
Außerdem sollten Sie diese Tatsache kennen:
Kleine Laminat- oder Aufbau-basierte Leiterplatten sind dem traditionellen IC-Verpackungssubstratdesign sehr ähnlich. Und traditionelle PCB-Hersteller können die alten IC-Pakete mit modifizierten PCB-Tools entwerfen und bauen.
Aber es ist ein anderes Ballspiel mit den modernen fortschrittlichen Paketen, die heute verfügbar sind. Sie verwenden die neuesten Herstellungsmethoden, Prozesse und Materialien. Außerdem sind sie den Silizium-Foundry-Prozessen sehr ähnlich.
Sie erfordern auch einen frischen und innovativen Ansatz für design und verifizierung auf jeder Ebene.
Eine IC-Paketherausforderung, die jeder Ingenieur vermeiden muss
Im Umgang mit der neuesten IC-Verpackungstechnologie müssen Ingenieure Folgendes vermeiden:
Eine genaue Aggregation von Substraten – da sie gleichzeitig passiv und aktiv sein kann.
Da die Substrate und Geräte aus unterschiedlichen Quellen stammen, ist eines sicher. Die IC-Gehäusedesigns werden in verschiedenen Formaten erhältlich sein, was schwierig ist.
Lösung
Es wird helfen, wenn Sie über die neuesten IC-Pakete auf dem Laufenden bleiben. Und die Designs müssen Folgendes unterstützen und enthalten:
Multi-Domain-Integration
Digitales Prototyping
Skalierbarkeit und Reichweite
Übergabe der Präzisionsfertigung
Einhüllend
Wir können nicht betonen, wie wichtig es ist, die richtige IC-Verpackung genug auszuwählen. Mit der perfekten Verpackung müssen Sie sich daher keine Sorgen um Korrosion oder Schäden an Ihrer Leiterplatte machen.
Deshalb haben wir uns die Zeit genommen, IC-Verpackungen im Detail zu erklären.
Bevor Sie sich also für die Art der IC-Verpackung entscheiden, die Sie benötigen, sollten Sie diese Faktoren berücksichtigen:
Konnektivität
Kosten
Macht
Montagekapazität
Auf diese Weise können Sie Ihre Optionen auf das geringste Minimum eingrenzen.Bitte teilen Sie uns mit, welche IC-Verpackung Ihrer Meinung nach Ihren Bedürfnissen entspricht. Gerne können Sie auch Ihre Gedanken und Vorschläge teilen, indem Sie uns kontaktieren.
