Embalagem IC

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• O que é embalagem IC?
• Por que a embalagem IC é importante?
• O que é Embalagem IC
• Tipos de pacote de IC
• Considerações de projeto de IC
• Qual ​​é o tipo mais comum de pacote de IC
• Materiais e métodos de montagem alternativos do pacote IC
• O que é material de fixação por matriz?
• Tipos de montagem de ligação de fio
• Encapsulantes
• Compreendendo a embalagem IC

Para que um semicondutor funcione de forma confiável por muitos anos de uso, é crucial que cada chip permaneça protegido contra os elementos e possíveis tensões. Isso nos leva a duas perguntas – o que é empacotamento de circuito integrado (IC) e por que ele é essencial para suas aplicações eletrônicas? Se você trabalha na indústria eletrônica e não tem certeza de como o material de embalagem IC pode funcionar para você, aqui está um resumo básico da ideia por trás da embalagem IC.

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O que é embalagem IC?

A embalagem IC refere-se ao material que contém um dispositivo semicondutor. A embalagem é uma caixa que envolve o material do circuito para protegê-lo contra corrosão ou danos físicos e permite a montagem dos contatos elétricos conectando-o à placa de circuito impresso (PCB). Existem muitos tipos diferentes de circuitos integrados e, portanto, existem diferentes tipos de projetos de sistemas de empacotamento IC a serem considerados, pois diferentes tipos de projetos de circuitos terão necessidades diferentes quando se trata de seu invólucro externo.

Por que a embalagem IC é importante?

A embalagem IC é a última etapa na produção de dispositivos semicondutores. Durante esta importante etapa, o bloco semicondutor é coberto por uma embalagem que protege o CI de elementos externos potencialmente prejudiciais e dos efeitos corrosivos da idade. A embalagem é essencialmente um invólucro projetado para proteger o bloco e também para promover os contatos elétricos que enviam sinais para a placa de circuito de um dispositivo eletrônico.

A tecnologia de embalagem IC evoluiu desde a década de 1970, quando os pacotes BGA (ball grid array) começaram a ser usados ​​entre os fabricantes de embalagens eletrônicas. No início do século 21, as opções mais recentes em tecnologias de embalagem eclipsaram os pacotes de matriz de pinos, ou seja, o pacote de plástico quad flat e o pacote de contorno fino fino. À medida que os anos avançavam, fabricantes como a Intel inauguraram a era dos pacotes de matrizes terrestres.

Enquanto isso, os FCBGAs (flip-chip ball grid arrays), que acomodam mais contagens de pinos do que outros tipos de pacotes, substituíram os BGAs. O FCBGA contém sinais de entrada e saída em toda a matriz, ao invés de apenas nas bordas.

Tipos de pacote de IC

Existem várias maneiras de categorizar designs de embalagens IC com base na formação. Como tal, existem dois tipos de pacotes IC:o tipo lead-frame e o tipo substrato.

Quais são os nomes dos tipos de pacotes IC?

Além da definição estrutural básica de um pacote IC, outras categorias distinguem tipos secundários de interconexão. Mais informações sobre as diferentes categorias de pacotes IC podem ser encontradas abaixo:

• Matriz de grade de pinos: Estes são para soquetes.
• Pacotes de lead-frame e dual-inline: Esses pacotes são para montagens nas quais os pinos passam por furos.
• Pacote de escala de chip: Um pacote de escala de chip é um pacote de montagem direta em superfície de um único molde, com uma área menor que 1,2 vezes a área do molde.
• Pacote plano quádruplo: Um pacote de lead-frame do tipo leadless.
• Quad plano sem chumbo: Um pequeno pacote, do tamanho de um chip, usado para montagem em superfície.
• Pacote multichip: Pacotes multichip, ou módulos multichip, integram vários ICs, componentes discretos e matrizes de semicondutores em um substrato, fazendo com que o pacote multichip se assemelhe a um IC maior.
• Pacote de matriz de área: Esses pacotes oferecem desempenho máximo enquanto ainda economizam espaço, permitindo que qualquer parte da área de superfície do chip seja usada para interconexão.

É importante observar que muitas empresas utilizam pacotes de array de área. O principal exemplo a esse respeito é o pacote BGA, que vem em vários formatos, incluindo os pequenos pacotes de escala de chip - às vezes chamados de pacotes QFN - e pacotes maiores. A construção do BGA envolve um substrato orgânico, e sua melhor aplicação é em estruturas multichip. Módulos e pacotes multichip são as principais alternativas para soluções que usam um formato system-on-chip. Outras opções incluem os pacotes de interconexão de duas etapas e de superfície dupla.

Além disso, uma categoria para montagem de IC de wafer, conhecida como embalagem em nível de wafer (WLP), pegou na linguagem da indústria. Nas embalagens em nível de wafer, a construção ocorre na face do wafer, criando uma embalagem do tamanho de um flip chip. Outro pacote de nível de wafer é o pacote de nível de wafer (FOWLP), que é uma versão mais avançada das soluções WLP convencionais. Ao contrário de um WLP em que o wafer é cortado em cubos após as camadas externas da embalagem serem anexadas, o corte do wafer FOWLP ocorre primeiro.

Considerações de projeto de IC

A escolha do pacote de IC certo para suas aplicações começa com o conhecimento das informações técnicas sobre a ampla gama de considerações de projeto que envolvem a produção de pacotes de IC. Por exemplo, você deve estar ciente das composições e substratos de materiais corretos para o seu pacote de IC. Também é importante saber a diferença entre substratos de pacote rígido e de fita. Muitas empresas também consideram o uso de laminados como alternativas para quadros de chumbo e selecionam substratos que funcionam bem com condutores metálicos.

Saiba mais sobre algumas das principais considerações de design abaixo.

Composição do Material

O desempenho de um pacote IC depende em grande parte de sua composição química, elétrica e material. Apesar de suas diferenças funcionais, os pacotes de estrutura de chumbo e laminado dependem muito da composição do material. As embalagens de estrutura de chumbo, o formato predominante, usam acabamentos de ligação de arame prateado ou dourado, fixados com um método de chapeamento por pontos. Isso torna o processo mais simples e acessível.

Em embalagens cerâmicas, a Liga 42 é um tipo de metal amplamente utilizado porque trabalha com o material subjacente. Em embalagens plásticas, a estrutura de chumbo de cobre é preferível porque protege a junta de solda e oferece condutividade. Devido às políticas em determinados territórios, o material também é um dos fatores críticos nas embalagens plásticas de montagem em superfície.

Por causa das revisões nos padrões europeus, o acabamento de chumbo tem sido uma questão de intenso escrutínio na montagem de embalagens de próximo nível. O objetivo foi encontrar substitutos viáveis ​​para soldas de estanho-chumbo, que são facilmente aplicadas e têm sido um grampo de longa data em toda a indústria. No entanto, os fabricantes ainda precisam se unificar em torno de uma única solução, em parte devido à ampla concorrência entre os fornecedores. É improvável que o problema principal se resolva por algum tempo.

Alternativa aos quadros de chumbo

A partir do final da década de 1970, os laminados surgiram como uma alternativa para quadros de chumbo em montagens chip-to-board. Hoje, os laminados são difundidos em toda a indústria de soluções de embalagem IC, devido à sua relação custo-benefício quando comparados aos substratos cerâmicos. Os laminados mais populares são os orgânicos, de alta temperatura, que proporcionam características elétricas superiores e também são mais acessíveis.

Substratos Aplicáveis

Em meio ao aumento da popularidade dos pacotes de semicondutores, também houve um aumento na demanda por substratos e interposers aplicáveis. Um substrato é a parte de um pacote de IC que confere à placa sua resistência mecânica e permite que ela se conecte a dispositivos externos. O interposer habilita o roteamento conectivo no pacote. Em alguns casos, as palavras “substrato” e “interposer” são intercambiáveis.

Diferença entre substratos de pacote rígido e de fita

Os substratos de pacote vêm em variedades rígidas e de fita. Os substratos rígidos são firmes e definidos em sua forma, enquanto os substratos de fita são finos e flexíveis. Nos primórdios da fabricação do CI, os substratos consistiam em material cerâmico. Hoje, a maioria dos substratos são feitos de material orgânico.

Se um substrato consiste em múltiplas camadas finas empilhadas para formar um substrato rígido, ele é conhecido como substrato laminado. Dois dos substratos laminados mais comuns na fabricação de IC são FR4 e bismaleimida-triazina (BT). O primeiro consiste em epóxi, enquanto o último é um material de resina de alta qualidade.

Devido em parte às suas qualidades de isolamento e baixa constante dielétrica, a resina BT surgiu na indústria de IC como um dos materiais laminados preferidos. Em BGAs, BT é o mais comumente usado de todos os substratos. A BT também se tornou a resina preferida para laminados de pacote de escala de chip (CSP). Enquanto isso, concorrentes em todo o mundo estão fabricando novas alternativas de epóxi e misturas de epóxi, que ameaçam dar à BT uma corrida pelo seu dinheiro, possivelmente reduzindo os preços em geral à medida que o mercado se torna mais competitivo nos próximos anos.

Como alternativa aos substratos rígidos, os substratos de fita são feitos principalmente de poliimida e outros tipos de materiais duráveis ​​e tolerantes à temperatura. A vantagem dos substratos de fita é sua capacidade de mover e transportar circuitos simultaneamente, o que torna os substratos de fita a escolha preferida em unidades de disco e outros dispositivos que transportam circuitos em meio a movimentos rápidos e constantes. A outra vantagem principal dos substratos de fita é seu baixo peso, o que significa que eles não adicionam nem a menor dimensão de peso a uma superfície aplicada.

Substratos para auxiliar condutores metálicos

Os pacotes de IC também devem vir com condutores de metal que podem direcionar os sinais para vários recursos de interconexão. Portanto, é essencial que os substratos ajudem a facilitar esse processo. Os substratos roteiam os sinais de entrada e saída de um chip para outros recursos em um sistema em pacotes. A colocação de folha, tipicamente cobre, que é ligada aos laminados no substrato atinge a condutividade do metal. Camadas de imersão de ouro e níquel geralmente são aplicadas como acabamentos sobre o cobre para evitar a interdifusão e a oxidação.

Quais são os tipos de pacotes IC mais comuns?

Os quadros de chumbo são os tipos de pacotes IC mais comuns. Você usaria esses pacotes para matrizes interconectadas por fio, com acabamento prateado ou banhado a ouro. Para embalagens plásticas de montagem em superfície, os fabricantes geralmente usam materiais de estrutura de chumbo de cobre. O cobre é altamente condutor e extremamente compatível, por isso pode ser benéfico para esta finalidade.

Materiais alternativos do pacote IC e métodos para montagem

Muitos fabricantes estão tentando se afastar dos pacotes IC de estrutura de chumbo com acabamento de chumbo, mas eles têm sido usados ​​com tanta frequência por tanto tempo que é uma transição difícil para alguns. Os pacotes mais comuns incluem o seguinte:

• Pacotes duplos em linha: Um pacote em linha duplo consiste em duas fileiras de pinos elétricos ao longo das bordas horizontais de uma peça retangular de IC. Um pacote em linha duplo é montado em uma placa de circuito com um orifício ou um soquete.
• Pacotes de esboços pequenos: Um pacote de contorno pequeno fino (TSOP) é ​​um componente de IC que consiste em uma forma retangular com pequenos pinos ao longo das bordas horizontais. TSOPs são comuns em ICs que alimentam RAM e memória flash.
• Pacotes quad flat: Um pacote quad flat (QFP) é um componente de IC plano e quadrado com terminais ao longo de cada uma das quatro bordas. Os QFPs não podem ser montados em orifícios e soquetes raramente estão disponíveis para pacotes desse tipo. Os QFPs podem ter apenas 32 pinos ou até 304 pinos, dependendo da faixa de afinação. Variantes do QFP incluem perfil baixo e fino. Os fabricantes japoneses de eletrônicos usaram QFPs pela primeira vez durante a década de 1970, embora o tipo de pacote não ganhasse força na América do Norte e na Europa até o início dos anos 90.
• Matrizes de grade de bola: Um BGA é um pacote de montagem em superfície com chip comumente visto em equipamentos de computador. Ao contrário de outros pacotes IC, onde apenas o perímetro pode se conectar, toda a superfície inferior pode ser montada em um BGA. Devido às conexões de esfera mais curtas, os BGAs oferecem algumas das velocidades mais altas de todos os pacotes IC. BGAs são comuns em memórias RAM e cartões USB, incluindo RAM e placas de alto-falante. O processo de soldagem em um BGA requer precisão.

Embalagens de substrato, como embalagens à base de cerâmica, exigirão uma liga que seja semelhante em coeficiente de expansão térmica (CTE) à cerâmica, como Iconel ou Alloy 42. No processo de fixação da matriz, colamos a matriz ao substrato com matriz especial -anexar materiais, que podemos usar na montagem de ligação de fio de face para cima. É crucial evitar lacunas no material anexado, pois elas podem levar a pontos quentes. Um bom material de fixação é eletricamente e termicamente condutor, tornando-o ideal para pacotes de substrato.

Em vez disso, você usaria laminado se precisar de maior desempenho ou estiver lidando com altas contagens de E/S. As embalagens laminadas são uma excelente alternativa de baixo custo aos substratos cerâmicos e também possuem uma constante dielétrica mais baixa.

O que é material de fixação por matriz?

Este tipo de pacote IC atende a duas funções principais. A primeira é proteger a matriz contra danos que fatores externos possam causar. A segunda é redistribuir a entrada e a saída para um tom fino gerenciável. Além disso, a embalagem fornece uma estrutura padronizada que direciona o caminho térmico adequadamente, longe da matriz empilhada. No geral, a estrutura é mais adequada para testes elétricos e mais resistente a erros.

Os materiais de fixação por matriz são materiais líquidos ou de filme que os fabricantes projetam para evitar a liberação de gases, o que pode degradar a qualidade da ligação do fio. Esses materiais também servem como amortecedores de tensão, de modo que a matriz não fratura se o CTE não corresponder exatamente ao substrato.

Existem diferentes métodos de aplicação de materiais de fixação por matriz, alguns dos quais são mais complicados do que outros. Para a maioria dos usos, o die-attach é aplicado em montagens onde a ligação do fio está na face da superfície. Em todos os casos, os materiais acoplados à matriz são termicamente condutores. Em certas montagens, o die-attach também fornece condutividade elétrica. Para evitar que as manchas fiquem muito quentes junto com a matriz, os fabricantes geralmente procuram evitar vazios no material. Os materiais de fixação da matriz, tanto líquidos quanto em filme, resistem à liberação de gases e protegem as matrizes contra danos.

Tipos de montagem de ligação de fio

Os conjuntos de ligação de fio vêm em três formatos:

• Aderência por termocompressão
• Colagem de esferas termosônicas
• Aderência de cunha ultrassônica à temperatura ambiente

O tipo de montagem de ligação de fio que você escolher virá com diferentes capacidades de montagem. A ligação de fios normalmente usa fio de ouro, embora você possa usar fio de cobre se tiver um ambiente de montagem rico em nitrogênio. A colagem em cunha com fio de alumínio pode ser uma alternativa econômica.

A ligação ultrassônica começa com uma alimentação de arame através de um orifício na superfície de um conjunto de componentes. O processo inclui uma ligação de matriz e substrato.

A ligação termosônica é um processo usado para conectar CIs de silício a computadores. O processo reúne os componentes das unidades centrais de processamento, que integram os circuitos de computadores pessoais e laptops.

As ligações termossônicas são compostas de energias térmicas, mecânicas e ultrassônicas. As máquinas que realizam esse processo contêm transdutores, que transformam energia elétrica em piezoeletricidade.

A ligação por termocompressão é um método que une dois metais através de uma mistura de força e calor. O método é alternadamente chamado de ligação de wafer, ligação de difusão, soldagem em estado sólido e união de pressão. A colagem por termocompressão protege estruturas elétricas e pacotes de dispositivos antes da montagem em superfície. O método inclui a difusão da superfície e do contorno de grão.

Encapsulantes

Os encapsulantes são a última peça do pacote do IC e servem para proteger o condutor e os fios contra danos ambientais e físicos. Eles podem ser feitos de epóxi ou misturas de epóxi, silicone, poliimida ou à base de solvente ou vulcanizáveis ​​à temperatura ambiente. O restante dos componentes que você escolher dependerá das necessidades específicas de seus circuitos integrados e de suas aplicações.

As placas de circuito impresso podem ser vulneráveis ​​à poeira eletrostática em ambientes industriais e automotivos. Para proteger as propriedades mecânicas dos PCBs, os fabricantes agora usam resinas de encapsulamento.

Como barreira protetora, os encapsulamentos e encapsulantes são altamente eficazes para evitar que poeira e outros elementos atmosféricos danifiquem os mecanismos dos PCBs. Com resinas suficientes, os encapsulantes podem proteger os PCBs das tensões de vibração, choque e elementos externos. Para que a aplicação funcione de forma eficaz, as resinas devem ser testadas quanto à sua adequação em vários ambientes de trabalho potenciais. A funcionalidade das unidades nessas configurações também deve ser avaliada.

Como alternativa às resinas de envasamento e encapsulamento, alguns fabricantes usam revestimentos isolantes, que se ajustam ao formato de cada placa e oferecem resistência e durabilidade, sem afetar o peso ou as dimensões de uma placa de circuito impresso. Os revestimentos geralmente são testados em ambientes atmosféricos normais. Cada teste coloca o efeito de um determinado revestimento nas capacidades elétricas e mecânicas de um PCB sob exame.

Os materiais encapsulantes vêm em três variedades básicas. O material primário é epóxi, puro ou misturado. Os epóxis consistem em resinas orgânicas e geralmente são acessíveis, daí sua popularidade entre os fabricantes. Outro material amplamente utilizado em chips encapsulantes IC é o silicone, que não é à base de carbono e, portanto, não é uma resina orgânica. As resinas de silicone são geralmente à base de solvente. Alternativamente, algumas resinas são vulcanizáveis ​​à temperatura ambiente e o contato com a umidade pode curá-las. Os silicones são populares devido à sua flexibilidade em ambientes quentes e frios.

As resinas de envasamento e encapsulamento vêm em várias formulações diferentes, assim como os revestimentos isolantes. Cada formulação é balanceada para uma faixa específica de condições atmosféricas. Por meio de testes, os fabricantes podem determinar quais formulações são mais adequadas para ambientes específicos. Em uma situação normal, a maioria dos tipos de resinas e revestimentos oferecerá proteção suficiente para um PCB. Em ambientes mais severos, uma placa geralmente exigirá uma camada com material especial, como o acrílico. Se o PCB for destinado ao uso em um ambiente submerso, os revestimentos extra-resistentes estão entre as opções mais adequadas.

As resinas feitas de silicone proporcionam um ótimo desempenho de PCB em uma variedade de ambientes. Para projetos de PCB, o silicone é geralmente preferível ao poliuretano ou epóxi. Entre esses dois últimos, o poliuretano é o material mais confiável em várias configurações. As resinas de poliuretano podem ser eficazes em ambientes marinhos como proteção em imersão em água salgada.

Compreendendo a embalagem do IC

Para se manter no topo do mercado, é fundamental estar a par das tendências em embalagens IC. Dessa forma, você pode se manter competitivo e fazer os investimentos certos no mercado de materiais de embalagem IC. Vários segmentos de mercado afetam o preço, a popularidade e a disponibilidade dos materiais de embalagem. Além disso, as tendências em escala regional podem afetar o aumento e a diminuição do uso dos materiais de embalagem em certos cantos do mundo.

Para notícias, estatísticas e informações sobre tendências no mercado de IC, as partes interessadas devem ler o relatório do mercado de materiais de embalagem de semicondutores e IC, que divide as coisas de acordo com categorias e aplicações, tudo dentro da estrutura da indústria de IC. Especialistas do setor usam o gerenciamento de dados de design para coletar e revisar informações sobre soluções de design, cada um trazendo seus insights para a mesa como fabricantes, fornecedores e varejistas e fornecendo uma visão completa de toda a grade de valor.

A qualquer momento, eventos repentinos e inesperados podem impactar o mercado, incluindo desastres naturais, mudanças climáticas, convulsões políticas, tecnologia disruptiva e mudanças culturais. Como parte interessada na frente de IC, manter-se atualizado sobre a embalagem de IC exige que você reconheça as tendências em relação à produção, fornecimento, exportação, importação, preços, análise de integridade e taxa de crescimento geral dos materiais de embalagem e as examine regularmente para poder planejar , faça um orçamento adequado e proteja sua receita.

Embalagens IC dos circuitos Millennium

Como você pode ver, existem muitos elementos no empacotamento de IC para sistemas eletrônicos e, como participante da indústria eletrônica, é essencial entendê-los e ficar a par dos novos desenvolvimentos em empacotamento avançado - especialmente em relação a como eles afetam seus componentes em relação aos requisitos de desempenho . Alguns aspectos do empacotamento do IC provavelmente permanecerão relativamente estáveis ​​nos próximos anos, enquanto outros podem mudar significativamente, e você desejará ficar à frente do jogo. Saber onde as mudanças provavelmente virão permite que você reaja melhor a elas.

Se você tiver alguma dúvida sobre os vários tipos de embalagens de IC ou qualquer coisa relacionada a circuitos ou placas de circuito impresso, entre em contato agora com os especialistas da Millennium Circuits. Temos imenso orgulho em ajudar nossos clientes a ter uma compreensão completa dos eletrônicos com os quais trabalhamos. Estamos felizes em fornecer as informações de design e verificação de que você precisa para que você possa tomar as melhores decisões sobre componentes eletrônicos para sua empresa.

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