IC-verpakking: Jouw Halfgeleiderchips Beschermen voor Lange-termijn Betrouwbaarheid

Spring naar:

• Wat is IC-verpakking?
• Waarom is IC-verpakking Belangrijk?
• Wat is IC-verpakking
• IC-verpakkingsTypen
• IC-ontwerpOverwegingen
• Wat is de Meest Voorkomende Type IC-verpakking
• Alternatieve IC-verpakkingsMaterialen en Methodes voor Assemblage
• Wat is Die-attach Materiaal?
• Draadbond Assemblage Typen
• Encapsulants
• IC-verpakking Begrijpen

Voor een halfgeleider om betrouwbaar over vele jaren gebruik te werken, is het cruciaal dat elke chip beschermd blijft van de elementen en mogelijke stressen. Dat brengt ons tot twee vragen – wat is integrated circuit (IC) verpakking, en waarom is het essentieel voor je elektronica-toepassingen? Als je in de elektronica-industrie werkt en niet helder bent over hoe IC-verpakkingsmateriaal voor je kan werken, hier is een basale uitleg van het idee achter IC-verpakking.

Wat is IC-verpakking?

IC-verpakking verwijst naar het materiaal dat een halfgeleiderapparaat bevat. De verpakking is een behuizing die het schakelmateriaal omringt om het te beschermen tegen corrosie of fysieke schade en het monteren van de elektrische contacten toe te laten die het verbinden met de printplaat (PCB). Er zijn veel verschillende typen geïntegreerde schakelingen, en daarom zijn er verschillende typen IC-verpakkingsysteemontwerpen te overwegen, aangezien verschillende typen schakelontwerpen verschillende behoeften zullen hebben wat hun outer shell betreft.

Waarom is IC-verpakking Belangrijk?

IC-verpakking is de laatste fase in de productie van halfgeleiderapparaten. Tijdens deze belangrijke fase krijgt het halfgeleiderblok een verpakking omheen die de IC beschermt tegen potentiëel schadelijke externe elementen en de corrosieve effecten van ouderdom. De verpakking is essentieel een behuizing ontworpen om het blok te beschermen en ook de elektrische contacten te promoten die signalen leveren aan het schakelbord van een elektronisch apparaat.

IC-verpakkings technologie heeft zich ontwikkeld sinds de jaren 70 toen ball grid array (BGA) verpakkingen eerste keer in gebruik kwamen bij elektronica-verpakkingsfabrikanten. Aan het begin van de 21e eeuw, eclipseden nieuwere opties in verpakkings technologie pin grid array verpakkingen, naamelijk de plastic quad flat pack en de dunne small outline package. Naarmate de jaren 2000 vorderden, introduceerden fabrikanten zoals Intel de era van land grid array verpakkingen.

Tegelijkertijd, flip-chip ball grid arrays (FCBGAs), die meer pin-aantallen accommoderen dan andere verpakkings typen, hebben BGA's overholen. De FCBGA bevat in- en uitgaande signalen over het hele die, in tegenstelling tot alleen de randen.

IC-verpakkingsTypen

Er zijn diverse manieren om IC-verpakkingsontwerpen te categoriseren gebaseerd op vormgeving. Als zodanig zijn er twee typen IC-verpakkingen: de lead-frame type en de substrate type.

Wat Zijn de Namen van IC-verpakkingsTypen?

Naast de basale structurele definitie van een IC-verpakking, onderscheiden verdere categorieën secundaire typen van interconnectie. Meer informatie over de verschillende categorieën van IC-verpakkingen kan hieronder gevonden worden:

• Pin-grid array: Deze zijn voor socketing.
• Lead-frame en dual-inline verpakkingen: Deze verpakkingen zijn voor assemblages waarin pennen door gaten gaan.
• Chip scale package: Een chip scale package is een single-die, direct oppervlaktemonteerbare verpakking, met een oppervlakte die kleiner is dan 1,2 keer de oppervlakte van de die.
• Quad flat pack: Een lead-frame verpakking van de leadless variëteit.
• Quad flat no-lead: Een minuscule verpakking, de grootte van een chip, gebruikt voor oppervlaktemontage.
• Multichip package: Multichip packages, of multichip modules, integreren meerdere IC's, discrete componenten en halfgeleiderdies op een substraat, waardoor de multichip package lijkt op een grotere IC.
• Area array package: Deze verpakkingen bieden maximale prestaties terwijl ze nog ruimte besparen door elk deel van het die's oppervlakte te laten gebruiken voor interconnectie.

Het is belangrijk om te noteren dat veel bedrijven area array packages gebruiken. Het voornaamste voorbeeld in dit opzicht is de BGA-verpakking, die in diverse formaten komt, inclusief de minuscule chip scale packages – soms aangeduid als QFN packages – en grotere verpakkingen. BGA-constructie omvat een organisch substraat, en de beste toepassing is in multichip-structuren. Multichip modules en packages zijn de toonaangevende alternatieven voor oplossingen die een system-on-chip formaat gebruiken. Andere opties omvatten de twee-getrapte en dubbele-oppervlakte interconnectieverpakkingen.

Daarnaast heeft een categorie voor wafer IC-assemblage, bekend als wafer-level packaging (WLP), in de industrieterminologie aan populariteit gewonnen. In wafer-level packages vindt de constructie plaats op het gezicht van de wafer, creërend een verpakking de grootte van een flip chip. Een andere wafer level package is fan-out wafer-level packaging (FOWLP), wat een meer geavanceerde versie is van conventionele WLP-oplossingen. In tegenstelling tot een WLP waar de wafer gediced wordt na het aanbrengen van de outer lagen van verpakking, vindt FOWLP wafer dicing eerst plaats.

IC-ontwerpOverwegingen

Het kiezen van de juiste IC-verpakking voor je toepassingen begint met het weten van technische informatie over het wijd bereik aan ontwerpoverwegingen die in de productie van IC-verpakkingen gaan. Bijvoorbeeld, je wilt bewust zijn van de juiste materiaalsamenstellingen en substraten voor je IC-verpakking. Het is ook belangrijk om het verschil tussen rigide en tape package substraten te kennen. Veel bedrijven overwegen ook het gebruik van laminaat als alternatief voor lead frames en selecteren substraten die goed werken met metaalgeleiders.

Leer meer over enkele van de top ontwerpoverwegingen hieronder.

Materiaal Samenstelling

De prestaties van een IC-verpakking berusten grotendeels op zijn chemische, elektrische en materiaal samenstelling. Ondanks hun functionele verschillen, vertrouwen zowel lead-frame als laminaatverpakkingen zwaar op materiaalsamenstelling. Lead-frame verpakkingen, het heersende formaat, gebruiken zilver of goud wire-bond afwerkingen, aangebracht met een spot-plateringsmethode. Dat maakt het proces eenvoudiger en betaalbaarder.

Op keramische verpakkingen, is Alloy 42 een wijd gebruikt metaaltype omdat het werkt met het onderliggende materiaal. Op plastic verpakkingen, is de koper lead-frame bevorzugd omdat het de soldeerjoint beschermt en geleiding biedt. Vanwege beleid in bepaalde territoria, is het materiaal ook een van de kritieke factoren op oppervlaktemontage plastic verpakkingen.

Vanwege herziene Europese standaarden, is de lead-afwerking een kwestie van intense scrutinie op next-level verpakkingsassemblage. Het doel is geweest om haalbare vervangers te vinden voor tin-lood solders, die gemakkelijk toe te passen zijn en lang een vaste waarde zijn geweest in de industrie. Echter, fabrikanten hebben nog niet geünificeerd om een enkele oplossing, deels door de wijdverspreide concurrentie onder leveranciers. Het lood-issue is onwaarschijnlijk zich voor enige tijd op te lossen.

Alternatief voor Lead Frames

Vanaf de late jaren 70, duiken laminaat op als een alternatief voor lead frames in chip-naar-bord assemblages. Vandaag de dag zijn laminaat wijdverspreid door de IC-verpakkingsoplossingen industrie, vanwege hun relatieve kosteneffectiviteit wanneer vergeleken met keramische substraten. De meest populaire laminaat zijn de organische, hoge-temperatuur typen, die superieure elektrische kenmerken bieden en ook meer betaalbaar zijn.

Toepasbare Substraten

Midden in de stijgende populariteit van halfgeleiderverpakkingen, is er ook een toegenomen vraag naar toepasbare substraten en interposers. Een substraat is het deel van een IC-verpakking dat het bord zijn mechanische kracht geeft en het toestaat om te verbinden met externe apparaten. De interposer maakt connective routing in de verpakking mogelijk. In sommige gevallen zijn de woorden "substraat" en "interposer" uitwisselbaar.

Verschil Tussen Rigide en Tape Package Substraten

Package substraten komen in rigide en tape variëteiten. Rigide substraten zijn stevig en gedefinieerd in hun vorm, terwijl tape substraten dun en flexibel zijn. In de vroege dagen van IC-productie, bestonden substraten uit keramisch materiaal. Vandaag de dag zijn de meeste substraten gemaakt van organisch materiaal.

Als een substraat uit meerdere dunne lagen bestaat gestapeld om een rigide substraat te vormen, heet het een laminaat substraat. Twee van de meest voorkomende laminaat substraten in IC-productie zijn FR4 en bismaleimide-triazine (BT). De eerste bestaat uit epoxy, terwijl de laatste een hoogwaardig harsmateriaal is.

Vanwege de isolatie-eigenschappen en lage dielectrische constante, is BT-hars uitgekomen in de IC-industrie als een van de begunstigde laminaatmaterialen. Op BGA's is BT het meest gebruikte van alle substraten. BT is ook de begunstigde hars geworden voor chip scale package (CSP) laminaat. Tegelijkertijd produceren concurrenten over de hele wereld nieuwe epoxy en epoxy-blend alternatieven, die dreigen BT een run voor zijn geld te geven, mogelijk prijzen over het algemeen verlagend naarmate de markt concurrerender wordt in de komende jaren.

Als alternatief voor rigide substraten, zijn tape substraten meestal gemaakt van polyimide en andere typen temperatuurbestendige, duurzame materialen. Het voordeel van tape substraten is hun vermogen om tegelijkertijd te bewegen en schakelingen te dragen, wat tape substraten de bevorzugde keuze maakt in schijfstations en andere apparaten die schakelingen dragen midden in snelle, constante beweging. Het andere hoofdevoordeel van tape substraten is hun lage gewicht, wat betekent dat ze niet eens de minste dimensie van zwaarte toevoegen aan een toegepast oppervlak.

Substraten om Metaalgeleiders te Assisteren

IC-verpakkingen moeten ook voorzien zijn van metaalgeleiders die signalen kunnen routeren naar diverse interconnectiefuncties. Daarom is het essentieel voor substraten om dit proces te faciliteren. Substraten routeren de in- en uitgaande signalen van een chip naar andere functies op een systeem in verpakkingen. De plaatsing van folie, typisch koper, die aan de laminaat in het substraat gebonden is, bereikt de metaalgeleiding. Immersion-lagen van goud en nikkel worden vaak als afwerkingen over de koper aangebracht om interdiffusie en oxidatie te voorkomen.

Wat Zijn de Meest Voorkomende IC-verpakkingsTypen?

Lead frames zijn de meest voorkomende IC-verpakkingsTypen. Je zou deze verpakkingen gebruiken voor wire-bond geïntegreerde dies, met een zilver of goud-geplateerde afwerking. Voor oppervlaktemontage plastic verpakkingen, gebruiken fabrikanten vaak koper lead-frame materialen. Koper is hoog geleidend en extreem compliant, dus het kan nuttig zijn voor dit doel.

Alternatieve IC-verpakkingsMaterialen en Methodes voor Assemblage

Veel fabrikanten proberen weg te gaan van echte lead-afwerking lead-frame IC-verpakkingen, maar ze zijn zo lang in zo frequent gebruik geweest dat het een moeilijke overgang is voor sommigen. De meest voorkomende verpakkingen omvatten het volgende:

• Dual inline packages: Een dual inline package bestaat uit twee rijen elektrische pennen langs de horizontale randen van een rechthoekig IC-stuk. Een dual inline package monteert op een printplaat met ofwel een doorsteekgat of een socket.
• Small outline packages: Een dunne small outline package (TSOP) is een IC-component die bestaat uit een rechthoekige vorm met kleine pennen langs de horizontale randen. TSOPs zijn veelvoorkomend op IC's die RAM en flash-geheugen aandrijven.
• Quad flat packages: Een quad flat package (QFP) is een plat, vierkant IC-component met leads langs elk van de vier randen. QFPs kunnen niet doorsteekgat-gemonteerd worden, en sockets zijn zelden beschikbaar voor verpakkingen van dit type. QFPs kunnen zo weinig als 32 pennen of zoveel als 304 pennen hebben, afhankelijk van de pitch-range. Varianten van de QFP omvatten low-profile en thin. Japans elektronica-fabrikanten gebruikten QFPs eerste keer tijdens de jaren 70, hoewel het verpakkings-type geen tractie in Noord-Amerika en Europa zou krijgen tot de vroege jaren 90.
• Ball grid arrays: Een BGA is een chip-dragende oppervlaktemontage-verpakking die veelvoorkomend gezien wordt in computerapparatuur. In tegenstelling tot andere IC-verpakkingen, waar alleen de omtrek kan verbinden, kan de hele bodemoppervlakte op een BGA montieren. Vanwege de kortere balverbindingen, bieden BGA's enkele van de hoogste snelheden van alle IC-verpakkingen. BGA's zijn veelvoorkomend op RAM-stokjes en USB-kaarten, inclusief RAM- en speakerkaarten. Het solderproces op een BGA vereist precisie.

Substraatverpakkingen, zoals keramisch-gebaseerde verpakkingen, zullen een legering vereisen die vergelijkbaar is in coefficient of thermal expansion (CTE) met keramiek, zoals Iconel of Alloy 42. In het die-attach-proces binden we de die aan het substraat met speciale die-attach-materialen, die we kunnen gebruiken in face-up wire-bond assemblage. Het is cruciaal om gaten in het aangehechte materiaal te vermijden, aangezien deze tot hotspots kunnen leiden. Goed die-attach materiaal is elektrisch en thermisch geleidend, wat het ideaal maakt voor substraatverpakkingen.

Je zou laminaat gebruiken als je hogere prestaties nodig hebt of te maken hebt met hoge I/O-aantallen. Laminaatverpakkingen zijn een uitstekende laagkost-alternatief voor keramische substraten en hebben een lagere dielectrische constante ook.

Wat is Die-attach Materiaal?

Dit IC-verpakkings type dient twee primaire functies. De eerste is om de die te beschermen tegen schade die externe factoren kunnen veroorzaken. De tweede is om de in- en uitgang te herverdelen naar een beheersbare fijn pitch. Bovendien biedt de verpakking een gestandaardiseerde structuur die het thermische pad correct stuurt, weg van de gestapelde die. Over het algemeen is de structuur beter geschikt voor elektrische testen en meer weerstandsfout tegen fouten.

Die-attach materialen zijn of vloeistof of film materialen die fabrikanten ontwerpen om uitgassing te vermijden, wat de kwaliteit van de wire bond kan degraderen. Deze materialen dienen ook als een stressbuffer, zodat de die niet barst als de CTE niet helemaal overeenkomt met het substraat.

Er zijn verschillende methodes van het aanbrengen van die-attach materialen, sommige van welke ingewikkelder zijn dan andere. Voor de meerderheid van gebruiken, wordt die-attach aangebracht op assemblages waar de wire bond op het gezicht van het oppervlak is. In alle gevallen zijn die-attach materialen thermisch geleidend. Op bepaalde assemblages biedt die-attach ook elektrische geleiding. Om plekken te voorkomen dat ze te heet worden samen met de die, zoeken fabrikanten doorgaans gaten in het materiaal te voorkomen. Die-attach materialen, zowel vloeistof als film, weerstaan uitgassing en beschermen dies tegen schade.

Draadbond Assemblage Typen

Draadbond assemblages komen in drie formaten:

• Thermo-compressie bonding
• Thermosonische bal bonding
• Kamertemperatuur ultrasonische wig bonding

De draadbond assemblage type die je kiest, zal met verschillende assemblage-mogelijkheden komen. Draadbonding gebruikt typisch goud draad, hoewel je koper draad kunt gebruiken als je een stikstof-rijke assemblage-omgeving hebt. Wig-bonding met aluminium draad kan een economische alternatief zijn.

Ultrasonische bonding begint met een draadvoeding door een gat in het oppervlak van een componentassemblage. Het proces omvat een die en substraat bond.

Thermosonische bonding is een proces gebruikt om silicium IC's met computers te verbinden. Het proces assembleert de componenten van centrale verwerkingseenheden, die de schakeling van personal computers en laptops integreren.

Thermosonische bindingen zijn samengesteld uit thermische, mechanische en ultrasonische energieën. De machines die dit proces uitvoeren bevatten transducers, die elektrische energie omzetten in piezo-elektriciteit.

Thermocompressie bonding is een methode die twee metalen verbindt door een mengsel van kracht en warmte. De methode wordt afwisselend wafer bonding, diffusiebonding, vastestof-lassen en drukverbindende genoemd. Thermocompressie bonding beschermt elektrische structuren en apparaatverpakkingen vooruitlopend op oppervlaktemontage. De methode omvat de diffusie van het oppervlak en korrelgrens.

Encapsulants

Encapsulants zijn het laatste stuk van de IC-verpakking en dienen om de geleider en draden te beschermen van omgevings- en fysieke schade. Ze kunnen gemaakt worden van epoxy of epoxy-blends, silicone, polyimide of ofwel oplosmiddel-gebaseerd of kamertemperatuur vulcaniseerbaar. De rest van de componenten die je kiest, zullen afhangen van de specifieke behoeften van je geïntegreerde schakelingen en je toepassingen.

Printplaten kunnen kwetsbaar zijn voor elektrostatische stof in industriële en automotieve omgevingen. Om de mechanische eigenschappen van PCB's te beschermen, gebruiken fabrikanten nu encapsulatieharsen.

Als een beschermende barrière, zijn potting en encapsulants hoog effectief in het voorkomen van stof en andere atmosferische elementen die de mechanismen van PCB's schaden. Met voldoende harsen, kunnen encapsulants PCB's beschermen van de stressen van trilling, schok en externe elementen. Voor de toepassing om effectief te werken, moeten harsen getest worden voor hun geschiktheid in diverse potentiële werkomgevingen. De eenheden's functionaliteit in deze instellingen moet ook geëvalueerd worden.

Als alternatief voor potting en encapsulatieharsen, gebruiken sommige fabrikanten conformal coatings, die de vorm van elk bord nauw volgen en kracht en duurzaamheid bieden, zonder het gewicht of de afmetingen van een PCB te beïnvloeden. Coatings worden doorgaans getest in normale atmosferische instellingen. Elke test plaatst het effect van een gegeven coating op de elektrische en mechanische mogelijkheden van een PCB onder onderzoek.

Encapsulant materialen komen in drie basale variëteiten. Het primaire materiaal is epoxy, ofwel zuiver of geblend. Epoxy's bestaan uit organische harsen en zijn doorgaans betaalbaar, vandaar hun populariteit onder fabrikanten. Een ander wijdverspreid materiaal gebruikt in encapsulant IC-chips is silicone, wat niet koolstof-gebaseerd is en daarom geen organische hars is. Silicone harsen zijn doorgaans oplosmiddel-gebaseerd. Alternatief, zijn sommige harsen kamertemperatuur-vulcaniseerbaar, en contact met vocht kan ze genezen. Silicones zijn populair vanwege hun flexibiliteit in hete alsook koude instellingen.

Potting en encapsulatieharsen komen in verscheidene verschillende formuleringen, evenals conformal coatings. Elke formulering is gebalanceerd voor een specifiek bereik aan atmosferische condities. Door testen kunnen fabrikanten bepalen welke formuleringen het beste passen voor bepaalde omgevingen. In een normale situatie zullen de meeste typen harsen en coatings voldoende bescherming bieden voor een PCB. In harde instellingen, zal een bord doorgaans een coating met speciaal materiaal vereisen, zoals acrylaat. Als de PCB bedoeld is voor gebruik in een ondergedompte setting, zijn extra-sterke coatings onder de meest geschikte opties.

Harsen gemaakt van silicone bieden optimale PCB-prestaties in een bereik aan omgevingen. Voor PCB-ontwerpen, is silicone doorgaans bevorzugd tot polyurethane of epoxy. Tussen die laatste twee, is polyurethane het meer betrouwbare materiaal in diverse instellingen. Polyurethane harsen kunnen effectief zijn in mariene instellingen als bescherming in zoutwater-immersie.

IC-verpakking Begrijpen

Om bovenop de markt te blijven, is het cruciaal om op de hoogte te blijven van trends in IC-verpakking. Op die manier kun je competitief blijven en de juiste investeringen doen in de IC-verpakkingsmateriaalmarkt. Diverse marktsegmenten beïnvloeden de prijs, populariteit en beschikbaarheid van verpakkingsmaterialen. Bovendien kunnen trends op regionaal schaal impact hebben op of verpakkingsmaterialen stijgen en dalen in gebruik in bepaalde hoeken van de wereld.

Voor nieuws, statistieken en informatie over trends in de IC-markt, zouden geïnteresseerde partijen de Semiconductor and IC Packaging Materials Market report moeten lezen, wat dingen uitlegt volgens categorieën en toepassingen, allemaal binnen het kader van de IC-industrie. Experts binnen de industrie gebruiken design data management om informatie te verzamelen en te beoordelen over ontwerpoplossingen, elk brengend hun inzichten aan tafel als fabrikanten, leveranciers en detailhandelaren en een volledig plaatje biedend van de waardeketen.

Op elk gegeven moment kunnen plotselinge, onverwachte gebeurtenissen de markt beïnvloeden, inclusief natuurrampen, klimaatverandering, politieke opheffingen, disruptieve technologie en culturele verschuivingen. Als geïnteresseerde partij op de IC-front, vereist het op de hoogte blijven van IC-verpakking je om trends te herkennen met betrekking tot de productie, voorraad, export, import, prijzen, integriteitsanalyse en algehele groeisnelheid van verpakkingsmaterialen, en ze regelmatig te onderzoeken zodat je kunt plannen, budgetteren en je opbrengst beschermen.

IC-verpakking van Millennium Circuits

Zoals je kunt zien, zijn er veel elementen aan IC-verpakking voor elektronische systemen, en als speler in de elektronica-industrie, is het essentieel om ze te begrijpen en op de hoogte te blijven van nieuwe ontwikkelingen in geavanceerde verpakking – met name met betrekking tot hoe ze je componenten beïnvloeden met betrekking tot prestatievereisten. Sommige aspecten van IC-verpakking zullen waarschijnlijk relatief stabiel blijven in de komende jaren, terwijl anderen significant kunnen veranderen, en je wilt voorop lopen. Weten waar veranderingen waarschijnlijk zullen komen, stelt je in staat om beter op ze te reageren.

Als je vragen hebt over de diverse typen IC-verpakking of iets gerelateerd aan schakelingen of printplaten, contacteer de experts bij Millennium Circuits nu. We nemen enorme trots in het helpen van onze klanten een complete begrip te hebben van de elektronica waar we mee werken. We zijn blij om je het ontwerp- en verificatie-informatie te bieden die je nodig hebt zodat je de beste beslissingen kunt maken over elektronische componenten voor je bedrijf.

Offerte Aanvragen