Embalaje de circuitos integrados

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• ¿Qué es el empaquetado de circuitos integrados?
• ¿Por qué es importante el empaquetado de circuitos integrados?
• ¿Qué es el empaquetado de circuitos integrados?
• Tipos de paquetes IC
• Consideraciones de diseño de circuitos integrados
• ¿Cuál es el tipo de paquete IC más común?
• Materiales y métodos de montaje alternativos del paquete de circuitos integrados
• ¿Qué es el material de fijación del troquel?
• Tipos de ensamblajes de unión de cables
• Encapsulantes
• Comprensión del empaquetado de circuitos integrados

Para que un semiconductor funcione de manera confiable durante muchos años de uso, es crucial que cada chip permanezca protegido de los elementos y posibles tensiones. Eso nos lleva a dos preguntas:¿qué es el empaquetado de circuitos integrados (IC) y por qué es esencial para sus aplicaciones electrónicas? Si trabaja en la industria electrónica y no tiene claro cómo el material de empaque de IC puede funcionar para usted, aquí hay un desglose básico de la idea detrás del empaque de IC.

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¿Qué es el empaquetado de circuitos integrados?

El empaque de IC se refiere al material que contiene un dispositivo semiconductor. El paquete es una caja que rodea el material del circuito para protegerlo de la corrosión o daño físico y permitir el montaje de los contactos eléctricos que lo conectan a la placa de circuito impreso (PCB). Hay muchos tipos diferentes de circuitos integrados y, por lo tanto, hay diferentes tipos de diseños de sistemas de empaquetamiento de circuitos integrados a considerar, ya que los diferentes tipos de diseños de circuitos tendrán diferentes necesidades en lo que respecta a su capa exterior.

¿Por qué es importante el empaquetado de circuitos integrados?

El empaquetado de circuitos integrados es la última etapa en la producción de dispositivos semiconductores. Durante esta etapa importante, el bloque de semiconductores se cubre con un paquete que protege el circuito integrado de elementos externos potencialmente dañinos y los efectos corrosivos del tiempo. El paquete es esencialmente un revestimiento diseñado para proteger el bloque y también para promover los contactos eléctricos que envían señales a la placa de circuito de un dispositivo electrónico.

La tecnología de empaquetado de circuitos integrados ha evolucionado desde la década de 1970, cuando los paquetes de matriz de rejilla esférica (BGA) comenzaron a utilizarse entre los fabricantes de embalajes electrónicos. En los albores del siglo XXI, las opciones más nuevas en tecnologías de paquetes eclipsaron los paquetes de matriz de rejilla de clavijas, a saber, el paquete plano cuádruple de plástico y el paquete delgado de contorno pequeño. A medida que avanzaba la década de 2000, fabricantes como Intel marcaron el comienzo de la era de los paquetes de arreglos de red terrestre.

Mientras tanto, las matrices de cuadrícula de bolas flip-chip (FCBGA), que admiten más recuentos de pines que otros tipos de paquetes, reemplazaron a las BGA. El FCBGA contiene señales de entrada y salida en todo el troquel, en lugar de solo los bordes.

Tipos de paquetes IC

Hay varias formas de categorizar los diseños de empaques de circuitos integrados según la formación. Como tal, hay dos tipos de paquetes IC:el tipo de marco de plomo y el tipo de sustrato.

¿Cuáles son los nombres de los tipos de paquetes IC?

Más allá de la definición estructural básica de un paquete IC, otras categorías distinguen tipos secundarios de interconexión. Puede encontrar más información sobre las diferentes categorías de paquetes IC a continuación:

• Matriz de cuadrícula de clavijas: Estos son para encastrar.
• Paquetes de marco de plomo y doble línea: Estos paquetes son para ensamblajes en los que los pasadores pasan por orificios.
• Paquete de escala de chips: Un paquete de escala de chip es un paquete de montaje directo en superficie de una sola matriz, con un área que es más pequeña que 1,2 veces el área de la matriz.
• Paquete plano cuádruple: Un paquete de marco de plomo de la variedad sin plomo.
• Quad flat sin plomo: Un paquete diminuto, del tamaño de un chip, que se utiliza para el montaje en superficie.
• Paquete multichip: Los paquetes multichip, o módulos multichip, integran múltiples circuitos integrados, componentes discretos y matrices de semiconductores en un sustrato, lo que hace que el paquete multichip se asemeje a un circuito integrado más grande.
• Paquete de matriz de áreas: Estos paquetes ofrecen el máximo rendimiento al mismo tiempo que conservan espacio al permitir que cualquier parte de la superficie del chip se utilice para la interconexión.

Es importante tener en cuenta que muchas empresas utilizan paquetes de matriz de área. El ejemplo más destacado en este sentido es el paquete BGA, que viene en varios formatos, incluidos los paquetes a escala de chip diminutos (a veces denominados paquetes QFN) y paquetes más grandes. La construcción BGA involucra un sustrato orgánico, y su mejor aplicación es en estructuras multichip. Los módulos y paquetes multichip son las principales alternativas a las soluciones que utilizan un formato de sistema en chip. Otras opciones incluyen los paquetes de interconexión de dos pasos y de doble superficie.

Además, una categoría para el ensamblaje de circuitos integrados de oblea, conocida como empaque a nivel de oblea (WLP), se ha popularizado en la jerga de la industria. En los paquetes a nivel de oblea, la construcción ocurre en la cara de la oblea, creando un paquete del tamaño de un chip invertido. Otro paquete de nivel de oblea es el empaque de nivel de oblea de abanico (FOWLP), que es una versión más avanzada de las soluciones WLP convencionales. A diferencia de un WLP en el que la oblea se corta en cubitos después de unir las capas exteriores del empaque, la oblea FOWLP se corta en cubitos primero.

Consideraciones de diseño de circuitos integrados

La elección del paquete de circuitos integrados adecuado para sus aplicaciones comienza con el conocimiento de la información técnica sobre la amplia gama de consideraciones de diseño que intervienen en la producción de paquetes de circuitos integrados. Por ejemplo, querrá estar al tanto de las composiciones de materiales y sustratos correctos para su paquete IC. También es importante conocer la diferencia entre sustratos rígidos y de paquete de cinta. Muchas empresas también consideran el uso de laminados como alternativa a los marcos de plomo y seleccionan sustratos que funcionan bien con conductores metálicos.

Obtenga más información sobre algunas de las principales consideraciones de diseño a continuación.

Composición de materiales

El rendimiento de un paquete de circuitos integrados depende en gran medida de su composición química, eléctrica y de materiales. A pesar de sus diferencias funcionales, los paquetes laminados y de estructura de plomo dependen en gran medida de la composición del material. Los paquetes de estructura de plomo, el formato predominante, usan acabados de unión de alambre plateados u dorados, unidos con un método de recubrimiento por puntos. Eso hace que el proceso sea más simple y asequible.

En los paquetes de cerámica, la aleación 42 es un tipo de metal muy utilizado porque funciona con el material subyacente. En paquetes de plástico, el marco de plomo de cobre es preferible porque protege la unión de soldadura y ofrece conductividad. Debido a las políticas en ciertos territorios, el material también es uno de los factores críticos en los envases de plástico de montaje en superficie.

Debido a las revisiones de las normas europeas, el acabado de plomo ha sido un tema de intenso escrutinio en el ensamblaje de empaques de siguiente nivel. El objetivo ha sido encontrar reemplazos viables para las soldaduras de estaño y plomo, que se aplican fácilmente y han sido un elemento básico durante mucho tiempo en toda la industria. Sin embargo, los fabricantes aún tienen que unificarse en torno a una única solución, debido en parte a la competencia generalizada entre los proveedores. Es poco probable que el problema del plomo se resuelva por sí solo durante algún tiempo.

Alternativa a los marcos principales

A partir de fines de la década de 1970, los laminados surgieron como una alternativa a los marcos de plomo en los ensamblajes de chip a placa. Hoy en día, los laminados están muy extendidos en la industria de soluciones de empaquetado de circuitos integrados, debido a su rentabilidad relativa en comparación con los sustratos cerámicos. Los laminados más populares son los tipos orgánicos de alta temperatura, que brindan características eléctricas superiores y también son más asequibles.

Sustratos aplicables

En medio del aumento de la popularidad de los paquetes de semiconductores, también ha habido una mayor demanda de sustratos e intercaladores aplicables. Un sustrato es la parte de un paquete IC que le da a la placa su fuerza mecánica y le permite conectarse con dispositivos externos. El intermediario permite el enrutamiento conectivo en el paquete. En algunos casos, las palabras "sustrato" e "intercalador" son intercambiables.

Diferencia entre sustratos rígidos y de paquete de cinta

Los sustratos del paquete vienen en variedades rígidas y de cinta. Los sustratos rígidos son firmes y definidos en su forma, mientras que los sustratos de cinta son delgados y flexibles. En los primeros días de la fabricación de circuitos integrados, los sustratos consistían en material cerámico. Hoy en día, la mayoría de los sustratos están hechos de material orgánico.

Si un sustrato consiste en múltiples capas delgadas apiladas para formar un sustrato rígido, se le conoce como sustrato laminado. Dos de los sustratos laminados más comunes en la fabricación de circuitos integrados son FR4 y bismaleimida-triazina (BT). El primero consiste en epoxi, mientras que el segundo es un material de resina de alta calidad.

Debido en parte a sus cualidades de aislamiento y su baja constante dieléctrica, la resina BT se ha convertido en uno de los materiales laminados preferidos en la industria de circuitos integrados. En BGA, BT es el más utilizado de todos los sustratos. BT también se ha convertido en la resina favorita para los laminados de paquete de escala de chip (CSP). Mientras tanto, los competidores de todo el mundo están fabricando nuevas alternativas de epoxi y mezclas de epoxi, que amenazan con hacer que BT corra por su dinero, posiblemente reduciendo los precios en general a medida que el mercado se vuelve más competitivo en los próximos años.

Como alternativa a los sustratos rígidos, los sustratos de cinta están hechos principalmente de poliimida y otros tipos de materiales duraderos tolerantes a la temperatura. La ventaja de los sustratos de cinta es su capacidad para mover y transportar circuitos simultáneamente, lo que hace que los sustratos de cinta sean la opción preferida en unidades de disco y otros dispositivos que transportan circuitos en medio de un movimiento rápido y constante. La otra ventaja principal de los sustratos de cinta es su bajo peso, lo que significa que no agregan ni la más mínima dimensión de pesadez a una superficie aplicada.

Sustratos para ayudar a los conductores metálicos

Los paquetes de circuitos integrados también deben venir con conductores metálicos que puedan enrutar señales a varias funciones de interconexión. Por lo tanto, es fundamental que los sustratos ayuden a facilitar este proceso. Los sustratos enrutan las señales de entrada y salida de un chip a otras características en un sistema en paquetes. La colocación de una lámina, normalmente de cobre, que se une a los laminados en el sustrato logra la conductividad del metal. Las capas de inmersión de oro y níquel a menudo se aplican como acabados sobre el cobre para evitar la interdifusión y la oxidación.

¿Cuáles son los tipos de paquetes IC más comunes?

Los marcos de plomo son los tipos de paquetes de circuitos integrados más comunes. Usaría estos paquetes para troqueles interconectados de unión por cable, con un acabado plateado o chapado en oro. Para los paquetes de plástico de montaje en superficie, los fabricantes suelen utilizar materiales de cobre para el marco de plomo. El cobre es altamente conductivo y extremadamente compatible, por lo que puede ser beneficioso para este propósito.

Materiales y métodos de montaje alternativos del paquete de circuitos integrados

Muchos fabricantes están tratando de alejarse de los paquetes de circuitos integrados de marco de plomo con acabado de plomo real, pero se han usado con tanta frecuencia durante tanto tiempo que es una transición difícil para algunos. Los paquetes más comunes incluyen lo siguiente:

• Paquetes dobles en línea: Un paquete dual en línea consta de dos filas de pines eléctricos a lo largo de los bordes horizontales de una pieza de circuito integrado rectangular. Un paquete dual en línea se monta en una placa de circuito con un orificio pasante o un zócalo.
• Paquetes de contorno pequeño: Un paquete delgado de contorno pequeño (TSOP) es un componente de IC que consta de una forma rectangular con pequeños pines a lo largo de los bordes horizontales. Los TSOP son comunes en los circuitos integrados que alimentan RAM y memoria flash.
• Paquetes quad flat: Un paquete cuádruple plano (QFP) es un componente IC plano y cuadrado con conductores a lo largo de cada uno de los cuatro bordes. Los QFP no se pueden montar en orificios pasantes y rara vez hay enchufes disponibles para paquetes de este tipo. Los QFP pueden tener tan solo 32 pines o hasta 304 pines, según el rango de tono. Las variantes del QFP incluyen perfil bajo y delgado. Los fabricantes japoneses de productos electrónicos usaron QFP por primera vez durante la década de 1970, aunque el tipo de paquete no ganaría fuerza en América del Norte y Europa hasta principios de la década de 1990.
• Matrices de cuadrícula de bolas: Un BGA es un paquete de montaje en superficie que lleva un chip que se ve comúnmente en los equipos informáticos. A diferencia de otros paquetes IC, donde solo se puede conectar el perímetro, toda la superficie inferior se puede montar en un BGA. Debido a las conexiones de bola más cortas, los BGA ofrecen algunas de las velocidades más altas de todos los paquetes de circuitos integrados. Los BGA son comunes en memorias RAM y tarjetas USB, incluidas RAM y tarjetas de altavoces. El proceso de soldadura en un BGA requiere precisión.

Los paquetes de sustrato, como los paquetes a base de cerámica, requerirán una aleación que tenga un coeficiente de expansión térmica (CTE) similar al de la cerámica, como Iconel o Alloy 42. En el proceso de fijación de la matriz, unimos la matriz al sustrato con una matriz especial. -Adjuntar materiales, que podemos usar en el ensamblaje de unión de cables boca arriba. Es crucial evitar espacios en el material adjunto, ya que pueden generar puntos calientes. Un buen material de fijación por troquel es conductor eléctrico y térmico, lo que lo hace ideal para paquetes de sustrato.

En su lugar, usaría laminado si necesita un mayor rendimiento o está lidiando con un alto número de E/S. Los paquetes laminados son una excelente alternativa de bajo costo a los sustratos cerámicos y también tienen una constante dieléctrica más baja.

¿Qué es el material de fijación del troquel?

Este tipo de paquete IC tiene dos funciones principales. El primero es salvaguardar el troquel de daños que puedan causar factores externos. El segundo es redistribuir la entrada y la salida a un tono fino manejable. Además, el paquete proporciona una estructura estandarizada que dirige la ruta térmica correctamente, lejos del troquel apilado. En general, la estructura se adapta mejor a las pruebas eléctricas y es más resistente a los errores.

Los materiales de fijación por troquel son materiales líquidos o de película que los fabricantes diseñan para evitar la desgasificación, lo que podría degradar la calidad de la unión del cable. Estos materiales también sirven como amortiguadores de tensión, por lo que el troquel no se fractura si el CTE no coincide con el sustrato.

Existen diferentes métodos para aplicar materiales de fijación de troqueles, algunos de los cuales son más complicados que otros. Para la mayoría de los usos, la fijación por troquel se aplica en ensamblajes donde la unión del cable se encuentra en la cara de la superficie. En todos los casos, los materiales de unión al troquel son térmicamente conductores. En ciertos ensambles, la unión por troquel también proporciona conductividad eléctrica. Para evitar que los puntos se calienten demasiado junto con el troquel, los fabricantes generalmente buscan evitar vacíos en el material. Los materiales que se adhieren al troquel, tanto líquidos como en película, resisten la desgasificación y protegen los troqueles contra daños.

Tipos de ensamblajes de unión de cables

Los ensamblajes de unión de cables vienen en tres formatos:

• Adhesión por termocompresión
• Unión de bolas termosónicas
• Unión de cuña ultrasónica a temperatura ambiente

El tipo de ensamblaje de unión de cables que elija vendrá con diferentes capacidades de ensamblaje. La unión de cables generalmente usa alambre de oro, aunque puede usar alambre de cobre en su lugar si tiene un entorno de ensamblaje rico en nitrógeno. La unión en cuña con alambre de aluminio puede ser una alternativa económica.

La unión ultrasónica comienza con una alimentación de alambre a través de un orificio en la superficie de un ensamblaje de componentes. El proceso incluye una unión entre matriz y sustrato.

La unión termosónica es un proceso que se utiliza para conectar los circuitos integrados de silicio a las computadoras. El proceso ensambla los componentes de las unidades centrales de procesamiento, que integran los circuitos de las computadoras personales y portátiles.

Los enlaces termosónicos se componen de energías térmicas, mecánicas y ultrasónicas. Las máquinas que realizan este proceso contienen transductores, que transforman la energía eléctrica en piezoelectricidad.

La unión por termocompresión es un método que une dos metales a través de una combinación de fuerza y ​​calor. El método se denomina alternativamente unión de obleas, unión por difusión, soldadura de estado sólido y unión a presión. La unión por termocompresión protege las estructuras eléctricas y los paquetes de dispositivos antes del montaje en superficie. El método incluye la difusión de la superficie y el límite de grano.

Encapsulantes

Los encapsulantes son la última pieza del paquete IC y sirven para proteger el conductor y los cables del daño ambiental y físico. Pueden estar hechos de epoxi o mezclas de epoxi, silicona, poliimida o vulcanizables a temperatura ambiente o basados ​​en solventes. El resto de los componentes que elija dependerá de las necesidades específicas de sus circuitos integrados y sus aplicaciones.

Las placas de circuito impreso pueden ser vulnerables al polvo electrostático en entornos industriales y automotrices. Para proteger las propiedades mecánicas de las PCB, los fabricantes ahora usan resinas de encapsulación.

Como barrera protectora, el relleno y los encapsulantes son muy efectivos para evitar que el polvo y otros elementos atmosféricos dañen los mecanismos de los PCB. Con suficientes resinas, los encapsulantes pueden proteger las PCB del estrés de las vibraciones, los golpes y los elementos externos. Para que la aplicación funcione de manera efectiva, las resinas deben probarse para determinar su idoneidad en varios entornos de trabajo potenciales. La funcionalidad de las unidades en estas configuraciones también debe evaluarse.

Como alternativa a las resinas de encapsulado y encapsulado, algunos fabricantes utilizan recubrimientos de conformación, que ajustan la forma de cada placa y ofrecen resistencia y durabilidad, sin afectar el peso o las dimensiones de una PCB. Los recubrimientos generalmente se prueban en ambientes atmosféricos normales. Cada prueba coloca el efecto de un revestimiento dado en las capacidades eléctricas y mecánicas de una PCB bajo examen.

Los materiales encapsulantes vienen en tres variedades básicas. El material principal es epoxi, ya sea puro o mezclado. Los epoxis consisten en resinas orgánicas y generalmente son asequibles, de ahí su popularidad entre los fabricantes. Otro material ampliamente utilizado en los chips IC encapsulantes es la silicona, que no tiene una base de carbono y, por lo tanto, no es una resina orgánica. Las resinas de silicona son generalmente a base de solventes. Alternativamente, algunas resinas son vulcanizables a temperatura ambiente y el contacto con la humedad puede curarlas. Las siliconas son populares debido a su flexibilidad tanto en ambientes fríos como calientes.

Las resinas de encapsulado y encapsulado vienen en varias formulaciones diferentes, al igual que los recubrimientos de conformación. Cada formulación está equilibrada para un rango específico de condiciones atmosféricas. Mediante pruebas, los fabricantes pueden determinar qué formulaciones son las más adecuadas para entornos particulares. En una situación normal, la mayoría de los tipos de resinas y recubrimientos ofrecerán suficiente protección para una PCB. En entornos más duros, una tabla generalmente requerirá una capa con un material especial, como acrílico. Si la placa de circuito impreso está diseñada para usarse en un entorno sumergido, las capas extrafuertes se encuentran entre las opciones más adecuadas.

Las resinas hechas de silicona brindan un rendimiento óptimo de PCB en una variedad de entornos. Para los diseños de PCB, generalmente se prefiere la silicona al poliuretano o al epoxi. Entre los dos últimos, el poliuretano es el material más confiable en varios entornos. Las resinas de poliuretano pueden ser efectivas en ambientes marinos como protección en inmersión en agua salada.

Comprensión del empaquetado de circuitos integrados

Para mantenerse en la cima del mercado, es crucial mantenerse al tanto de las tendencias en el empaquetado de circuitos integrados. De esta forma, puede seguir siendo competitivo y realizar las inversiones adecuadas en el mercado de materiales de embalaje de circuitos integrados. Varios segmentos del mercado afectan el precio, la popularidad y la disponibilidad de los materiales de empaque. Además, las tendencias a escala regional pueden influir en el aumento o disminución del uso de los materiales de embalaje en determinados rincones del mundo.

Para obtener noticias, estadísticas e información sobre tendencias en el mercado de circuitos integrados, las partes interesadas deben leer el informe del mercado de materiales de embalaje de circuitos integrados y semiconductores, que se desglosa según categorías y aplicaciones, todo dentro del marco de la industria de circuitos integrados. Los expertos dentro de la industria utilizan la gestión de datos de diseño para recopilar y revisar información sobre soluciones de diseño, cada uno de los cuales aporta sus conocimientos como fabricantes, proveedores y minoristas y brinda una imagen completa de toda la cuadrícula de valor.

En cualquier momento, eventos repentinos e inesperados pueden afectar el mercado, incluidos desastres naturales, cambio climático, trastornos políticos, tecnología disruptiva y cambios culturales. Como parte interesada en el frente de IC, mantenerse al tanto de los empaques de IC requiere que reconozca las tendencias relacionadas con la producción, el suministro, la exportación, la importación, los precios, el análisis de integridad y la tasa de crecimiento general de los materiales de empaque, y los examine regularmente para que pueda planificar. , presupueste en consecuencia y proteja sus ingresos.

Embalaje IC de Millennium Circuits

Como puede ver, hay muchos elementos en el empaque de circuitos integrados para sistemas electrónicos y, como actor en la industria electrónica, es esencial comprenderlos y mantenerse al tanto de los nuevos desarrollos en empaques avanzados, especialmente con respecto a cómo afectan sus componentes con respecto a los requisitos de rendimiento. . Es probable que algunos aspectos del empaquetado de circuitos integrados se mantengan relativamente estables en los próximos años, mientras que otros pueden cambiar significativamente y querrá mantenerse a la vanguardia del juego. Saber dónde es probable que se produzcan cambios le permite reaccionar mejor ante ellos.

Si tiene alguna pregunta sobre los distintos tipos de empaques de circuitos integrados o cualquier cosa relacionada con circuitos o placas de circuito impreso, comuníquese con los expertos de Millennium Circuits ahora. Nos enorgullece enormemente ayudar a nuestros clientes a tener una comprensión completa de la electrónica con la que trabajamos. Nos complace brindarle la información de diseño y verificación que necesita para que pueda tomar las mejores decisiones sobre los componentes electrónicos para su negocio.

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