Empaquetado IC: Protegiendo tus Chips Semiconductores para Fiabilidad a Largo Plazo

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• ¿Qué es Empaquetado IC?
• ¿Por Qué es Importante el Empaquetado IC?
• ¿Qué es Empaquetado IC
• Tipos de Paquetes IC
• Consideraciones de Diseño IC
• ¿Cuál es el Tipo Más Común de Paquete IC?
• Materiales y Métodos Alternativos de Ensamblaje para Paquetes IC
• ¿Qué es Material Die-Attach?
• Tipos de Ensamblaje Wire Bond
• Encapsulantes
• Comprendiendo el Empaquetado IC

Para que un semiconductor funcione de manera confiable por muchos años de uso, es crucial que cada chip permanezca protegido de los elementos y posibles estrés. Eso nos lleva a dos preguntas: ¿qué es el empaquetado de circuito integrado (IC), y por qué es esencial para tus aplicaciones electrónicas? Si trabajas en la industria electrónica y no estás claro en cómo el material de empaquetado IC puede trabajar para ti, aquí hay un desglose básico de la idea detrás del empaquetado IC.

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¿Qué es Empaquetado IC?

El empaquetado IC se refiere al material que contiene un dispositivo semiconductor. El paquete es una carcasa que rodea el material de circuito para protegerlo de corrosión o daño físico y permitir el montaje de los contactos eléctricos conectándolo 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 empaquetado IC a considerar, ya que diferentes tipos de diseños de circuito tendrán diferentes necesidades cuando se trata de su carcasa exterior.

¿Por Qué es Importante el Empaquetado IC?

El empaquetado IC es la etapa final en la producción de dispositivos semiconductores. Durante esta etapa importante, el bloque semiconductor se cubre en un paquete que protege el IC de elementos externos potencialmente dañinos y los efectos corrosivos de la edad. El paquete es esencialmente un recinto diseñado para proteger el bloque y también promover los contactos eléctricos que entregan señales a la placa de circuito de un dispositivo electrónico.

La tecnología de empaquetado IC ha evolucionado desde los años 1970 cuando paquetes de ball grid array (BGA) primero entraron en uso entre fabricantes de empaquetado electrónico. Al amanecer del siglo 21, opciones más nuevas en tecnologías de paquete eclipsaron paquetes de pin grid array, a saber, el paquete plástico quad flat y el paquete delgado small outline. A medida que los años 2000 progresaron, fabricantes como Intel inauguraron la era de paquetes land grid array.

Mientras tanto, los flip-chip ball grid arrays (FCBGA), que acomodan más conteos de pines que otros tipos de paquetes, superaron a los BGA. El FCBGA contiene señales de entrada y salida sobre todo el die, en oposición a solo los bordes.

Tipos de Paquetes IC

Hay varias formas de categorizar diseños de empaquetado IC basados en formación. Como tal, hay dos tipos de paquetes IC: el tipo lead-frame y el tipo sustrato.

¿Cuáles Son los Nombres de los Tipos de Paquetes IC?

Más allá de la definición estructural básica de un paquete IC, categorías adicionales distinguen tipos secundarios de interconexión. Más información sobre las diferentes categorías de paquetes IC puede encontrarse abajo:

• Pin-grid array: Estos son para zócalos.
• Lead-frame y paquetes dual-inline: Estos paquetes son para ensamblajes en los que los pines pasan a través de agujeros.
• Chip scale package: Un chip scale package es un paquete de un solo die, montable directamente en superficie, con un área que es menor que 1.2 veces el área del die.
• Quad flat pack: Un paquete lead-frame de la variedad sin plomos.
• Quad flat no-lead: Un paquete diminuto, del tamaño de un chip, usado para montaje en superficie.
• Multichip package: Los paquetes multichip, o módulos multichip, integran múltiples ICs, componentes discretos y dies semiconductores en un sustrato, haciendo que el paquete multichip se asemeje a un IC más grande.
• Area array package: Estos paquetes ofrecen rendimiento máximo mientras aún conservan espacio al permitir que cualquier porción del área de superficie del chip sea usada para interconexión.

Es importante notar que muchas compañías utilizan paquetes area array. El ejemplo principal en este sentido es el paquete BGA, que viene en varios formatos, incluyendo los diminutos paquetes chip scale, a veces referidos como 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 alternativas líderes a soluciones que usan formato system-on-chip. Otras opciones incluyen paquetes de interconexión de doble superficie y dos escalones.

Adicionalmente, una categoría para ensamblaje IC wafer, conocida como wafer-level packaging (WLP), ha prendido en la jerga de la industria. En paquetes wafer-level, la construcción ocurre en la cara del wafer, creando un paquete del tamaño de un flip chip. Otro paquete wafer level es fan-out wafer-level packaging (FOWLP), que es una versión más avanzada de soluciones WLP convencionales. A diferencia de un WLP donde el wafer es cortado después de que las capas exteriores de empaquetado se adjuntan, el dicado de wafer FOWLP ocurre primero.

Consideraciones de Diseño IC

Elegir el paquete IC correcto para tus aplicaciones empieza con saber información técnica sobre la amplia gama de consideraciones de diseño que entran en producir paquetes IC. Por ejemplo, querrás estar al tanto de las composiciones de materiales y sustratos correctos para tu paquete IC. También es importante saber la diferencia entre sustratos de paquete rígidos y de cinta. Muchas compañías también consideran usar laminados como alternativas a lead frames y seleccionar sustratos que funcionen bien con conductores metálicos.

Aprende más sobre algunas de las principales consideraciones de diseño abajo.

Composición de Materiales

El rendimiento de un paquete IC depende en gran medida de su composición química, eléctrica y de materiales. A pesar de sus diferencias funcionales, los paquetes lead-frame y laminados ambos dependen fuertemente de la composición de materiales. Los paquetes lead-frame, el formato prevaleciente, usan acabados wire-bond de plata u oro, adjuntos con un método de plateado puntual. Eso hace el proceso más simple y más asequible.

En paquetes cerámicos, Alloy 42 es un tipo de metal ampliamente usado porque funciona con el material subyacente. En paquetes plásticos, el lead frame de cobre es preferible porque salvaguarda la junta de soldadura y ofrece conductividad. Debido a políticas en ciertos territorios, el material también es uno de los factores críticos en paquetes plásticos de montaje en superficie.

Debido a revisiones en estándares europeos, el acabado de plomo ha sido materia de intenso escrutinio en ensamblaje de empaquetado de siguiente nivel. El objetivo ha sido encontrar reemplazos viables para soldaduras estaño-plomo, que son fácilmente aplicadas y han sido un pilar de larga data a través de la industria. Sin embargo, los fabricantes aún no se han unificado alrededor de una sola solución, debido en parte a la competencia extendida entre proveedores. El asunto del plomo es poco probable que se resuelva por sí solo por algún tiempo.

Alternativa a Lead Frames

Comenzando a finales de los años 1970, los laminados emergieron como alternativa a lead frames en ensamblajes chip-a-placa. Hoy, los laminados son extensos a través de la industria de soluciones de empaquetado IC, debido a su rentabilidad relativa cuando se comparan a sustratos cerámicos. Los laminados más populares son los tipos orgánicos de alta temperatura, que proporcionan características eléctricas superiores y también son más asequibles.

Sustratos Aplicables

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

Diferencia Entre Sustratos de Paquete Rígidos y de Cinta

Los sustratos de 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 días tempranos de fabricación IC, los sustratos consistían de material cerámico. Hoy, la mayoría de sustratos son hechos de material orgánico.

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

Debido en parte a sus cualidades de aislamiento y constante dieléctrica baja, la resina BT ha emergido en la industria IC como uno de los materiales laminados favorecidos. En BGAs, BT es el sustrato más comúnmente usado de todos. BT también se ha vuelto la resina favorecida para laminados chip scale package (CSP). Mientras tanto, competidores alrededor del globo están fabricando nuevas alternativas de epoxi y epoxi-blend, que amenazan a dar a BT una carrera por su dinero, posiblemente reduciendo precios en general a medida que el mercado se vuelve más competitivo en los años por venir.

Como alternativa a sustratos rígidos, los sustratos de cinta son mayormente hechos de polyimida y otros tipos de materiales tolerantes a temperatura, durables. La ventaja de sustratos de cinta es su habilidad para simultáneamente mover y llevar circuitos, lo que hace sustratos de cinta la opción preferida en unidades de disco y otros dispositivos que llevan circuitos en medio de movimiento rápido y constante. La otra ventaja principal de sustratos de cinta es su bajo peso, lo que significa que no añaden ni la más mínima dimensión de pesadez a una superficie aplicada.

Sustratos para Asistir Conductores Metálicos

Los paquetes IC deben también venir con conductores metálicos que puedan enrutar señales a varias características de interconexión. Por lo tanto, es esencial 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 lámina, típicamente cobre, que está unida a los laminados en el sustrato logra la conductividad metálica. Capas de inmersión de oro y níquel a menudo se aplican como acabados sobre el cobre para prevenir interdifusión y oxidación.

¿Cuáles Son los Tipos de Paquetes IC Más Comunes?

Los lead frames son los tipos de paquetes IC más comunes. Usarías estos paquetes para dies interconectados wire-bond, con un acabado plateado de plata u oro. Para paquetes plásticos de montaje en superficie, los fabricantes a menudo usan materiales lead-frame de cobre. El cobre es altamente conductivo y extremadamente complaciente, así que puede ser beneficioso para este propósito.

Materiales y Métodos Alternativos de Ensamblaje para Paquetes IC

Muchos fabricantes están intentando alejarse de acabados de plomo reales en paquetes IC lead-frame, pero han estado en uso tan frecuente por tanto tiempo que es una transición difícil para algunos. Los paquetes más comunes incluyen los siguientes:

• Paquetes dual inline: Un paquete dual inline consiste en dos filas de pines eléctricos a lo largo de los bordes horizontales de una pieza IC rectangular. Un paquete dual inline se monta a una placa de circuito con either un through-hole o un zócalo.
• Paquetes small outline: Un paquete thin small outline (TSOP) es un componente IC que consiste en una forma rectangular con pines pequeños a lo largo de los bordes horizontales. TSOPs son comunes en ICs que alimentan RAM y memoria flash.
• Paquetes quad flat: Un paquete quad flat (QFP) es un componente IC plano, cuadrado, con leads a lo largo de cada uno de los cuatro bordes. QFPs no pueden ser montados through-hole, y zócalos rara vez están disponibles para paquetes de este tipo. QFPs pueden tener tan pocos como 32 pines o tantos como 304 pines, dependiendo del rango de pitch. Variantes del QFP incluyen low-profile y thin. Fabricantes electrónicos japoneses primero usaron QFPs durante los años 1970, aunque el tipo de paquete no ganaría tracción en Norteamérica y Europa hasta principios de los 90.
• Ball grid arrays: Un BGA es un paquete surface-mount de transporte de chip comúnmente visto en equipo de computadora. A diferencia de otros paquetes IC, donde solo el perímetro puede conectar, toda la superficie inferior puede montar en un BGA. Debido a las conexiones de bola más cortas, BGAs ofrecen algunas de las velocidades más altas de todos los paquetes IC. BGAs son comunes en palitos de RAM y tarjetas USB, incluyendo tarjetas RAM y de altavoz. El proceso de soldadura en un BGA necesita precisión.

Paquetes de sustrato, como paquetes basados en cerámica, requerirán una aleación que sea similar en coeficiente de expansión térmica (CTE) a cerámica, como Iconel o Alloy 42. En el proceso de adjunto de die, unimos el die al sustrato con materiales die-attach especiales, que podemos usar en ensamblaje wire-bond face-up. Es crucial evitar huecos en el material adjunto, ya que estos pueden llevar a puntos calientes. Buen material die-attach es eléctricamente y térmicamente conductivo, haciéndolo ideal para paquetes de sustrato.

Usarías laminado en su lugar si necesitas mayor rendimiento o estás lidiando con altos conteos I/O. Paquetes de laminado son una excelente alternativa de bajo costo a sustratos cerámicos y tienen una constante dieléctrica más baja también.

¿Qué es Material Die-Attach?

Este tipo de paquete IC sirve dos funciones primarias. La primera es salvaguardar el die de daño que factores externos podrían causar. La segunda es redistribuir la entrada y salida a un pitch fino manejable. Adicionalmente, el paquete proporciona una estructura estandarizada que dirige la vía térmica apropiadamente, lejos del die apilado. En general, la estructura es mejor adaptada para pruebas eléctricas y más resistente a errores.

Los materiales die-attach son materiales líquidos o de película que los fabricantes diseñan para evitar outgassing, que podría degradar la calidad del wire bond. Estos materiales también sirven como buffer de estrés, para que el die no fracture si el CTE no coincide exactamente con el sustrato.

Hay diferentes métodos de aplicar materiales die-attach, algunos de los cuales son más complicados que otros. Para la mayoría de usos, die-attach se aplica en ensamblajes donde el wire bond está en la cara de la superficie. En todos los casos, los materiales die-attach son térmicamente conductivos. En ciertos ensamblajes, die-attach también proporciona conductividad eléctrica. Para prevenir que puntos se vuelvan demasiado calientes junto con el die, los fabricantes generalmente buscan prevenir vacíos en el material. Los materiales die-attach, tanto líquidos como de película, resisten outgassing y protegen dies de daño.

Tipos de Ensamblaje Wire Bond

Los ensamblajes wire bond vienen en tres formatos:

• Thermo-compression bonding
• Thermosonic ball bonding
• Room temperature ultrasonic wedge bonding

El tipo de ensamblaje wire bond que elijas vendrá con diferentes capacidades de ensamblaje. El wire bonding típicamente usa hilo de oro, aunque puedes usar hilo de cobre en su lugar si tienes un entorno de ensamblaje rico en nitrógeno. Wedge-bonding con hilo de aluminio puede ser una alternativa económica.

El bonding ultrasónico empieza con una alimentación de hilo a través de un agujero en la superficie de un ensamblaje de componente. El proceso incluye una unión die y sustrato.

El bonding termósónico es un proceso usado para conectar ICs de silicio a computadoras. El proceso ensambla los componentes de unidades de procesamiento central, que integran la circuitería de computadoras personales y laptops.

Los bonds termósónicos están compuestos de energías térmicas, mecánicas y ultrasónicas. Las máquinas que conducen este proceso contienen transductores, que transforman energía eléctrica en piezoelectricidad.

El thermocompression bonding es un método que une dos metales a través de una mezcla de fuerza y calor. El método es alternativamente llamado wafer bonding, diffusion bonding, solid-state welding y pressure joining. El thermocompression bonding protege estructuras eléctricas y paquetes de dispositivos en avance de montaje en superficie. El método incluye la difusión de la superficie y frontera de grano.

Encapsulantes

Los encapsulantes son la última pieza del paquete IC y sirven para proteger el conductor e hilos de daño ambiental y físico. Pueden ser hechos de epoxi o blends de epoxi, silicona, polyimida o either solvente-base o vulcanizable a temperatura ambiente. El resto de los componentes que elijas dependerán de las necesidades específicas de tus circuitos integrados y tus aplicaciones.

Los PCB pueden ser vulnerables a polvo electrostático en entornos industriales y automotrices. Para proteger las propiedades mecánicas de PCB, los fabricantes ahora usan resinas de encapsulación.

Como barrera protectora, potting y encapsulantes son altamente efectivos previniendo polvo y otros elementos atmosféricos de dañar los mecanismos de PCB. Con resinas suficientes, encapsulantes pueden proteger PCB de los estrés de vibración, choque y elementos externos. Para que la aplicación funcione efectivamente, las resinas deben ser probadas para su idoneidad en varios entornos de trabajo potenciales. La funcionalidad de las unidades en estos entornos también debe ser evaluada.

Como alternativa a potting y resinas de encapsulación, algunos fabricantes usan recubrimientos conformales, que ajustan la forma de cada placa y ofrecen fuerza y durabilidad, sin afectar el peso o dimensiones de un PCB. Los recubrimientos generalmente se prueban en entornos atmosféricos normales. Cada prueba pone el efecto de un recubrimiento dado en las capacidades eléctricas y mecánicas de un PCB bajo examen.

Los materiales encapsulantes vienen en tres variedades básicas. El material primario es epoxi, ya sea puro o mezclado. Los epoxis consisten en resinas orgánicas y son generalmente asequibles, de ahí su popularidad entre fabricantes. Otro material extendido usado en chips IC encapsulantes es silicona, que no es basada en carbono y por lo tanto no es una resina orgánica. Las resinas de silicona son generalmente solvente-base. Alternativamente, algunas resinas son room-temperature-vulcanizable, y el contacto con humedad puede curarlas. Las siliconas son populares debido a su flexibilidad en entornos calientes así como fríos.

Potting y resinas de encapsulación vienen en varias formulaciones diferentes, al igual que recubrimientos conformales. Cada formulación está balanceada para un rango específico de condiciones atmosféricas. A través de pruebas, los fabricantes pueden determinar qué formulaciones son las más adecuadas para entornos particulares. En una situación normal, la mayoría de tipos de resinas y recubrimientos ofrecerán protección suficiente para un PCB. En entornos más duros, una placa generalmente requerirá un recubrimiento con material especial, como acrílico. Si el PCB está destinado para uso en un entorno sumergido, recubrimientos de fuerza extra están entre las opciones más adecuadas.

Las resinas hechas de silicona proporcionan rendimiento PCB óptimo en una gama de entornos. Para diseños PCB, la silicona es generalmente preferible a poliuretano o epoxi. Entre esos dos últimos, el poliuretano es el material más confiable en varios entornos. Las resinas de poliuretano pueden ser efectivas en entornos marinos como protección en inmersión de agua salada.

Comprendiendo el Empaquetado IC

Para mantenerte al día en el mercado, es crucial mantenerse al tanto de tendencias en empaquetado IC. De esta manera, puedes mantenerte competitivo y hacer las inversiones correctas en el mercado de materiales de empaquetado IC. Varios segmentos de mercado afectan el precio, popularidad y disponibilidad de materiales de empaquetado. Adicionalmente, tendencias a escala regional pueden impactar si materiales de empaquetado suben y bajan en uso en ciertas esquinas del mundo.

Para noticias, estadísticas e información sobre tendencias en el mercado IC, las partes interesadas deberían leer el reporte Semiconductor and IC Packaging Materials Market, que desglosa cosas según categorías y aplicaciones, todo dentro del marco de la industria IC. Expertos dentro de la industria usan design data management para colectar y revisar información en soluciones de diseño, cada uno trayendo sus insights a la mesa como fabricantes, proveedores y minoristas y proporcionando una imagen completa a través de la cuadrícula de valor.

En cualquier momento dado, eventos repentinos e inesperados pueden impactar el mercado, incluyendo desastres naturales, cambio climático, agitación política, tecnología disruptiva y cambios culturales. Como parte interesada en el frente IC, mantenerse al día en empaquetado IC requiere que reconozcas tendencias respecto a producción, suministro, exportación, importación, precios, análisis de integridad y tasa de crecimiento general de materiales de empaquetado, y los examines regularmente para que puedas planificar, presupuestar apropiadamente y proteger tus ingresos.

Empaquetado IC de Millennium Circuits

Como puedes ver, hay muchos elementos al empaquetado IC para sistemas electrónicos, y como jugador en la industria electrónica, es esencial entenderlos y mantenerse al día de nuevos desarrollos en empaquetado avanzado, especialmente respecto a cómo afectan tus componentes concernientes a requisitos de rendimiento. Algunos aspectos del empaquetado IC probablemente permanecerán relativamente estables en los años venideros, mientras que otros pueden cambiar significativamente, y querrás mantenerte adelante del juego. Saber dónde es probable que vengan los cambios te permite reaccionar a ellos mejor.

Si tienes alguna pregunta sobre los varios tipos de empaquetado IC o cualquier cosa relacionada con circuitos o PCB, contacta a los expertos en Millennium Circuits ahora. Tomamos inmenso orgullo en ayudar a nuestros clientes a tener una comprensión completa de la electrónica con la que trabajamos. Estamos felices de proporcionarte la información de diseño y verificación que necesitas para que puedas tomar las mejores decisiones sobre componentes electrónicos para tu negocio.

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