Упаковка интегральной схемы — это заключительный этап изготовления полупроводниковых приборов , 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.
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] И в конструкции, и в материалах приоритет должен отдаваться 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]
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 термопластичный ), металл (обычно ковар ) или керамика. Обычно для этого используется эпоксидно - крезол - новолак ( ECN). [2] Все три типа материалов 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]
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]
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 с бесвыводным держателем 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 — держатель, занимающий Площадь примерно на 30–50% 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 шариковая решетчатая решетка (BGA), еще один тип упаковки с площадной решеткой, стала одной из наиболее часто используемых технологий упаковки. [7]
В конце 1990-х годов пластиковый четырехъядерный плоский корпус (PQFP) и тонкие корпуса малого контура (TSOP) заменили корпуса PGA как наиболее распространенные для устройств с большим количеством выводов, [1] хотя корпуса 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 более крупных панелей печатных плат 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]
Для традиционных микросхем после нарезки пластины кристалл извлекается из нарезанной пластины с помощью вакуумного наконечника или присоски [12] [13] и подвергается прикреплению кристалла , что представляет собой этап, на котором кристалл устанавливается и закрепляется на корпусе или опоре. структура (заголовок). [14] В приложениях с высокой мощностью матрица обычно приклеивается к корпусу эвтектическим способом , 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 .
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]
{{cite web}}
: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка )