stringtranslate.com

Корпус интегральной схемы

Поперечное сечение двухрядного корпуса . Этот тип корпуса содержит небольшой полупроводниковый кристалл с микроскопическими проводами, соединяющими кристалл с рамками выводов , что позволяет выполнять электрические соединения с печатной платой .
Лента с металлической выводной рамкой и контактами для двухрядной (DIP) интегральной схемы

Упаковка интегральной схемы является заключительным этапом изготовления полупроводникового прибора , на котором кристалл инкапсулируется в поддерживающий корпус, который предотвращает физическое повреждение и коррозию. Корпус, известный как « упаковка », поддерживает электрические контакты, которые соединяют устройство с печатной платой.

За этапом упаковки следует тестирование интегральной схемы.

Соображения по дизайну

Различные корпуса ИС (слева направо): TSSOP-32, TQFP-100, SO-20, SO-14, SSOP-28, SSOP-16, SO-8, QFN-28

Электрические

Токопроводящие дорожки, которые выходят из кристалла, проходят через корпус и попадают в печатную плату (PCB), имеют совершенно иные электрические свойства по сравнению с сигналами на чипе. Они требуют специальных методов проектирования и требуют гораздо большей электрической мощности, чем сигналы, ограниченные самим чипом. 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, при этом сводя к минимуму любые паразитные элементы , которые могут негативно повлиять на сигнал.

Управление этими характеристиками становится все более важным, поскольку остальная часть технологий начинает ускоряться. Задержки упаковки могут составлять почти половину задержки высокопроизводительного компьютера, и ожидается, что это узкое место в скорости будет увеличиваться. [1]

Механические и термические

Корпус интегральной схемы должен быть устойчивым к физическому разрушению, не пропускать влагу, а также обеспечивать эффективный отвод тепла от чипа. Более того, для радиочастотных приложений корпус обычно требуется для экранирования электромагнитных помех , которые могут либо ухудшить работу схемы, либо отрицательно повлиять на соседние схемы. Наконец, корпус должен позволять соединять чип с печатной платой . [1] Материалы корпуса — это либо пластик ( термореактивный или термопластик ), либо металл (обычно ковар ), либо керамика. Обычным пластиком, используемым для этого, является эпоксидно - крезол - новолак (ECN). [2] Все три типа материалов обеспечивают приемлемую механическую прочность, влагостойкость и термостойкость. Тем не менее, для более дорогих устройств металлические и керамические корпуса обычно предпочтительны из-за их более высокой прочности (которая также поддерживает конструкции с большим количеством выводов), рассеивания тепла, герметичности или по другим причинам. Как правило, керамические корпуса стоят дороже, чем аналогичные пластиковые корпуса. [3]

Некоторые пакеты имеют металлические ребра для улучшения теплопередачи, но они занимают место. Более крупные пакеты также позволяют использовать больше соединительных штырей. [1]

Экономический

Стоимость является фактором при выборе корпуса интегральной схемы. Обычно недорогой пластиковый корпус может рассеивать тепло до 2 Вт, что достаточно для многих простых приложений, 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 рассеивании тепла увеличивается, стоимость корпуса растет вместе с ней. Как правило, чем меньше и сложнее должен быть корпус, тем дороже его производство. [3] Вместо таких методов, как перевернутый кристалл, можно использовать проволочное соединение, чтобы снизить затраты. [4]

История

Малогабаритная интегральная схема. Этот корпус имеет 16 выводов типа «крыло чайки», выступающих с двух длинных сторон, и расстояние между выводами 0,050 дюйма.

Ранние интегральные схемы были упакованы в керамические плоские пакеты , которые военные использовали в течение многих лет из-за их надежности и малого размера. Другой тип упаковки, используемый в 1970-х годах, называемый ICP (Integrated Circuit Package), представлял собой керамический пакет (иногда круглый, как корпус транзистора), с выводами на одной стороне, соосно с осью пакета.

Коммерческая упаковка схем быстро перешла на двухрядный корпус (DIP), сначала в керамике, а затем в пластике. [5] В 1980-х годах количество выводов СБИС превысило практический предел для корпуса DIP, что привело к появлению корпусов с матрицей выводов (PGA) и безвыводных кристаллодержателей (LCC). [6] Корпуса для поверхностного монтажа появились в начале 1980-х годов и стали популярными в конце 1980-х годов, используя более мелкий шаг выводов с выводами, сформированными либо в виде крыла чайки, либо в виде J-вывода, примером чего является малогабаритная интегральная схема — носитель, занимающий площадь примерно на 30–50 % меньше, чем эквивалентный DIP , с типичной толщиной на 70 % меньше. [6]

Ранняя интегральная схема советского производства. Маленький блок полупроводникового материала («кристалл») заключен внутри круглого металлического корпуса («корпус»).

Следующим крупным новшеством стал корпус массива областей , который размещает клеммы межсоединений по всей площади поверхности корпуса, обеспечивая большее количество соединений, чем предыдущие типы корпусов, где используется только внешний периметр. Первый корпус массива областей представлял собой керамический корпус с решеткой выводов . [1] Вскоре после этого корпус с решеткой пластиковых шариков (BGA), другой тип корпуса массива областей, стал одним из наиболее часто используемых методов упаковки. [7]

В конце 1990-х годов пластиковые корпуса quad flat pack (PQFP) и тонкие корпуса small-outline (TSOP) заменили корпуса PGA как наиболее распространенные для устройств с большим количеством выводов, [1] хотя корпуса PGA по-прежнему часто используются для микропроцессоров . Однако лидеры отрасли Intel и AMD перешли в 2000-х годах с корпусов PGA на корпуса Land Grid Array (LGA). [8]

Корпуса BGA существуют с 1970-х годов, но в 1990-х годах эволюционировали в корпуса Flip-Chip Ball Grid Array (FCBGA). Корпуса FCBGA допускают гораздо большее количество выводов, чем любые существующие типы корпусов. В корпусе FCBGA кристалл монтируется вверх дном (перевернутый) и подключается к шарикам корпуса через подложку, похожую на печатную плату, а не через провода. Корпуса FCBGA позволяют распределить массив входных-выходных сигналов (называемый Area-I/O) по всему кристаллу, а не ограничиваться его периферией. [9] Керамические подложки для BGA были заменены органическими подложками для снижения затрат и использования существующих технологий производства печатных плат для производства большего количества корпусов за раз с использованием более крупных панелей печатных плат во время производства. [10]

Трассы из кристалла, через корпус и в печатную плату имеют совершенно иные электрические свойства по сравнению с сигналами на чипе. Они требуют специальных методов проектирования и требуют гораздо большей электрической мощности, чем сигналы, ограниченные самим чипом.

Последние разработки состоят из укладки нескольких кристаллов в один корпус, называемый SiP, для System In Package , или трехмерной интегральной схемы . Объединение нескольких кристаллов на небольшой подложке, часто керамической, называется MCM, или многокристальным модулем . Граница между большим MCM и маленькой печатной платой иногда размыта. [11]

Распространенные типы упаковок

Слева — рентгеновский снимок правой печатной платы , на котором видны металлические рамки выводов внутри корпусов ИС.

Операции

Для традиционных ИС после нарезки пластин кристалл извлекается из нарезанной пластины с помощью вакуумного наконечника или присоски [12] [13] и подвергается прикреплению кристалла , что является этапом, на котором кристалл монтируется и фиксируется на корпусе или опорной конструкции (заголовке). [14] В мощных приложениях кристалл обычно эвтектически прикрепляется к корпусу, например, с помощью припоя золото-олово или золото-кремний (для хорошей теплопроводности ). Для недорогих, маломощных приложений кристалл часто приклеивается непосредственно к подложке (например, печатной плате ) с помощью эпоксидного клея . В качестве альтернативы кристаллы можно прикрепить с помощью припоя. Эти методы обычно используются, когда кристалл будет припаиваться проволокой; кристаллы с технологией перевернутого кристалла не используют эти методы крепления. [15] [16]

Соединение ИС также известно как соединение кристаллов, присоединение кристаллов и монтаж кристаллов. [17]

На этапе упаковки выполняются следующие операции, разбитые на этапы склеивания, инкапсуляции и склеивания пластин. Обратите внимание, что этот список не является исчерпывающим, и не все эти операции выполняются для каждой упаковки, поскольку процесс сильно зависит от типа упаковки .

Спекание кристалла — это процесс, который включает в себя размещение полупроводникового кристалла на подложке, а затем подвергание его воздействию высокой температуры и давления в контролируемой среде. [18]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ abcdefg Rabaey, Jan (2007). Цифровые интегральные схемы (2-е изд.). Prentice Hall, Inc. ISBN 978-0130909961.
  2. ^ Ардебили, Халех; Пехт, Майкл Г. (2009). «Пластиковые инкапсулирующие материалы». Технологии инкапсуляции для электронных приложений . стр. 47–127. doi :10.1016/B978-0-8155-1576-0.50006-1. ISBN 9780815515760. S2CID  138753417 – через ResearchGate .
  3. ^ ab Greig, William (2007). Упаковка, сборка и взаимосвязи интегральных схем . Springer Science & Business Media. ISBN 9780387339139.
  4. ^ "Проволочная связь против упаковки Flip Chip | Semiconductor Digest". 10 декабря 2016 г.
  5. ^ Даммер, GWA (1978). Электронные изобретения и открытия (2-е изд.) . Pergamon Press. ISBN 0-08-022730-9.
  6. ^ ab Baker, R. Jacob (2010). CMOS: Circuit Design, Layout, and Simulation, Third Edition . Wiley-IEEE. ISBN 978-0-470-88132-3.
  7. ^ Кен Джиллео (2003). Процессы корпусирования массивов площадей для BGA, Flip Chip и CSP . McGraw-Hill Professional . стр. 251. ISBN 0-07-142829-1.
  8. ^ "Land Grid Array (LGA) Socket and Package Technology" (PDF) . Intel . Получено 7 апреля 2016 г. .
  9. ^ Райли, Джордж (2009-01-30). "Flipchips: Tutorial #1". Архивировано из оригинала 30 января 2009 года . Получено 2016-04-07 .{{cite web}}: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка )
  10. ^ Материалы для усовершенствованной упаковки. Springer. 17 декабря 2008 г. ISBN 978-0-387-78219-5.
  11. ^ Р. Уэйн Джонсон, Марк Стрикленд и Дэвид Герке, Программа NASA Electronic Parts and Packaging. "3-D Packaging: A Technology Review". 23 июня 2005 г. Получено 31 июля 2015 г.
  12. ^ Каталог Die Attachment, Fluid Dispensing от SPT small precision tools
  13. ^ "Техники и методы соединения штампов". 9 июля 2012 г.
  14. ^ LW Turner (редактор), Справочник инженеров-электронщиков , Newnes-Butterworth, 1976, ISBN 0-408-00168-2 , страницы 11-34 — 11-37 
  15. ^ "Техники и методы соединения штампов". 9 июля 2012 г.
  16. ^ Lau, John H. (30 июня 1994 г.). Чип на плате: технология для многокристальных модулей. Springer. ISBN 978-0-442-01441-4.
  17. ^ "Что такое процесс Die Attach?". Oricus Semicon Solutions . 2021-11-01 . Получено 2024-04-22 .
  18. ^ Баттей, Сирил и др. «Присоединение кристаллов силовых устройств с использованием оптимизации и характеризации процесса спекания-склеивания серебра». HiTEN 2011. 2011.