Encapsulamento de IC: Protegendo Seus Chips Semicondutores para Confiabilidade a Longo Prazo

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• O que é Encapsulamento de IC?
• Por Que Encapsulamento de IC é Importante?
• O que é Encapsulamento de IC
• Tipos de Encapsulamento de IC
• Considerações de Design de IC
• Qual é o Tipo Mais Comum de Encapsulamento de IC
• Materiais e Métodos Alternativos de Encapsulamento de IC para Montagem
• O que é Material de Die-Attach?
•  Tipos de Montagem Wire Bond
• Encapsulantes
• Entendendo Encapsulamento de IC

Para um semicondutor funcionar confiavelmente por muitos anos de uso, é crucial que cada chip permaneça protegido dos elementos e possíveis estresses. Isso nos traz a duas perguntas — o que é encapsulamento de circuito integrado (IC), e por que é essencial para suas aplicações eletrônicas? Se você trabalha na indústria eletrônica e não está claro sobre como material de encapsulamento de IC pode trabalhar para você, aqui está uma quebra básica da ideia por trás do encapsulamento de IC.

 

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O que é Encapsulamento de IC?

Encapsulamento de IC refere-se ao material que contém um dispositivo semicondutor. O pacote é um invólucro que envolve o material do circuito para protegê-lo de corrosão ou dano físico e permitir montagem dos contatos elétricos conectando-o à placa de circuito impresso (PCI). Há muitos tipos diferentes de circuitos integrados, e portanto há diferentes tipos de designs de sistemas de encapsulamento de IC a considerar, já que diferentes tipos de designs de circuito terão diferentes necessidades quando se trata de sua carcaça externa.

Por Que Encapsulamento de IC é Importante?

Encapsulamento de IC é o estágio final na produção de dispositivos semicondutores. Durante este estágio importante, o bloco semicondutor fica coberto em um pacote que protege o IC de elementos externos potencialmente danosos e dos efeitos corrosivos da idade. O pacote é essencialmente um invólucro projetado para proteger o bloco e também promover os contatos elétricos que entregam sinais à placa de circuito de um dispositivo eletrônico.

Tecnologia de encapsulamento de IC evoluiu desde os anos 1970 quando pacotes ball grid array (BGA) primeiro entraram em uso entre fabricantes de embalagens eletrônicas. No alvorecer do século 21, opções mais novas em tecnologias de pacote eclipsaram pacotes pin grid array, nomeadamente o plastic quad flat pack e o thin small outline package. Conforme os anos 2000 progrediram, fabricantes como Intel introduziram a era de pacotes land grid array.

Enquanto isso, flip-chip ball grid arrays (FCBGAs), que acomodam mais contagens de pinos que outros tipos de pacote, suplantaram BGAs. O FCBGA contém sinais de entrada e saída sobre todo o die, em oposição a apenas as bordas.

Tipos de Encapsulamento de IC

Há várias maneiras de categorizar designs de encapsulamento de IC baseados em formação. Como tal, há dois tipos de pacotes de IC: o tipo lead-frame e o tipo substrato.

Quais São os Nomes dos Tipos de Pacote de IC?

Além da definição estrutural básica de um pacote de IC, categorias adicionais distinguem tipos secundários de interconexão. Mais informação sobre as diferentes categorias de pacotes de IC pode ser encontrada abaixo:

• Pin-grid array: Estes são para soquetes.
• Lead-frame e pacotes dual-inline: Estes pacotes são para montagens nas quais pinos passam através de furos.
• Chip scale package: Um chip scale package é um pacote de die único, montável diretamente em superfície, com uma área que é menor que 1,2 vezes a área do die.
• Quad flat pack: Um pacote lead-frame da variedade sem chumbo.
• Quad flat no-lead: Um pacote minúsculo, do tamanho de um chip, usado para montagem em superfície.
• Multichip package: Pacotes multichip, ou módulos multichip, integram múltiplos ICs, componentes discretos e dies semicondutores em um substrato, fazendo com que o pacote multichip se assemelhe a um IC maior.
• Area array package: Estes pacotes oferecem performance máxima enquanto ainda conservam espaço ao permitir qualquer porção da área de superfície do chip ser usada para interconexão.

É importante notar que muitas empresas utilizam pacotes area array. O exemplo principal a este respeito é o pacote BGA, que vem em vários formatos, incluindo os minúsculos pacotes chip scale — às vezes referidos como pacotes QFN — e pacotes maiores. Construção BGA envolve um substrato orgânico, e sua melhor aplicação é em estruturas multichip. Módulos multichip e pacotes são as alternativas líderes a soluções que usam formato system-on-chip. Outras opções incluem pacotes de interconexão de duas etapas e dupla superfície.

Adicionalmente, uma categoria para montagem de IC em wafer, conhecida como wafer-level packaging (WLP), pegou na terminologia da indústria. Em pacotes wafer-level, a construção ocorre na face do wafer, criando um pacote do tamanho de um flip chip. Outro pacote wafer level é fan-out wafer-level packaging (FOWLP), que é uma versão mais avançada de soluções WLP convencionais. Diferente de um WLP onde o wafer é cortado após as camadas externas de embalagem serem anexadas, dicing de wafer FOWLP ocorre primeiro.

Considerações de Design de IC

Escolher o pacote de IC certo para suas aplicações começa com saber informação técnica sobre a ampla gama de considerações de design que entram na produção de pacotes de IC. Por exemplo, você vai querer estar ciente das composições de material e substratos certos para seu pacote de IC. Também é importante saber a diferença entre substratos de pacote rígido e fita. Muitas empresas também consideram usar laminados como alternativas a lead frames e selecionam substratos que funcionam bem com condutores metálicos.

Saiba mais sobre algumas das principais considerações de design abaixo.

Composição de Material

O desempenho de um pacote de IC depende largamente de sua composição química, elétrica e de material. Apesar de suas diferenças funcionais, pacotes lead-frame e laminados ambos dependem pesadamente de composição de material. Pacotes lead-frame, o formato prevalente, usam acabamentos wire-bond de prata ou ouro, anexados com um método de spot-plating. Isso torna o processo mais simples e mais acessível.

Em pacotes cerâmicos, Alloy 42 é um tipo de metal amplamente usado porque funciona com o material subjacente. Em pacotes plásticos, o lead frame de cobre é preferível porque protege a junta de solda e oferece condutividade. Devido a políticas em certos territórios, o material também é um dos fatores críticos em pacotes plásticos de montagem em superfície.

Por causa de revisões em padrões europeus, o acabamento de chumbo tem sido matéria de intenso escrutínio em montagem de embalagem de próximo nível. O objetivo tem sido encontrar substituições viáveis para soldas estanho-chumbo, que são facilmente aplicadas e têm sido um grampo de longa data através da indústria. No entanto, fabricantes ainda não se unificaram em torno de uma única solução, devido em parte à competição generalizada entre fornecedores. A questão do chumbo é improvável de se resolver por algum tempo.

Alternativa a Lead Frames

Começando no final dos anos 1970, laminados emergiram como uma alternativa a lead frames em montagens chip-para-placa. Hoje, laminados são generalizados através da indústria de soluções de encapsulamento de IC devido à sua relativa custo-efetividade quando comparados a substratos cerâmicos. Os laminados mais populares são os tipos orgânicos de alta temperatura, que fornecem características elétricas superiores e também são mais acessíveis.

Substratos Aplicáveis

Em meio ao aumento na popularidade de pacotes semicondutores, também houve uma demanda aumentada por substratos e interposers aplicáveis. Um substrato é a parte de um pacote de IC que dá à placa sua resistência mecânica e permite que ela conecte com dispositivos externos. O interposer permite roteamento conectivo no pacote. Em alguns casos, as palavras "substrato" e "interposer" são intercambiáveis.

Diferença Entre Substratos de Pacote Rígido e Fita

Substratos de pacote vêm em variedades rígida e fita. Substratos rígidos são firmes e definidos em sua forma, enquanto substratos de fita são finos e flexíveis. Nos primeiros dias de fabricação de IC, substratos consistiam de material cerâmico. Hoje, a maioria dos substratos é feita de material orgânico.

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

Devido em parte às suas qualidades de isolamento e constante dielétrica baixa, resina BT emergiu na indústria de IC como um dos materiais laminados favorecidos. Em BGAs, BT é o substrato mais comumente usado de todos. BT também se tornou a resina favorecida para laminados de chip scale package (CSP) . Enquanto isso, competidores ao redor do globo estão fabricando novas alternativas de epóxi e epóxi-blend, que ameaçam dar a BT uma corrida por seu dinheiro, possivelmente reduzindo preços geral conforme o mercado se torna mais competitivo nos anos vindouros.

Como uma alternativa a substratos rígidos, substratos de fita são feitos principalmente de poliimida e outros tipos de materiais tolerantes a temperatura, duráveis. A vantagem de substratos de fita é sua habilidade de simultaneamente mover e carregar circuitos, o que faz substratos de fita a escolha preferida em drives de disco e outros dispositivos que carregam circuitos em meio a movimento rápido e constante. A outra vantagem principal de substratos de fita é seu peso baixo, que significa que eles não adicionam nem a menor dimensão de peso a uma superfície aplicada.

Substratos para Auxiliar Condutores Metálicos

Pacotes de IC devem também vir com condutores metálicos que podem rotear sinais para várias características de interconexão. Portanto, é essencial para substratos ajudar a facilitar este processo. Substratos roteiam os sinais de entrada e saída de um chip para outras características em um sistema em pacotes. A colocação de folha, tipicamente cobre, que é ligada aos laminados no substrato alcança a condutividade metálica. Camadas de imersão de ouro e níquel frequentemente são aplicadas como acabamentos sobre o cobre para prevenir interdiffusão e oxidação.

Quais São os Tipos Mais Comuns de Pacote de IC?

Lead frames são os tipos mais comuns de pacote de IC. Você usaria estes pacotes para dies interconectados por wire-bond, com um acabamento prata ou ouro-plated. Para pacotes plásticos de montagem em superfície, fabricantes frequentemente usam materiais de lead-frame de cobre. Cobre é altamente condutivo e extremamente complacente, então pode ser benéfico para este propósito.

Materiais e Métodos Alternativos de Encapsulamento de IC para Montagem

Muitos fabricantes estão tentando se afastar de pacotes lead-frame com acabamento de chumbo real, mas eles têm estado em uso tão frequente por tanto tempo que é uma transição difícil para alguns. Os pacotes mais comuns incluem o seguinte:

• Pacotes dual inline: Um pacote dual inline consiste de duas fileiras de pinos elétricos ao longo das bordas horizontais de uma peça retangular de IC. Um pacote dual inline monta em uma placa de circuito com um furo passante ou um soquete.
• Pacotes small outline: Um thin small outline package (TSOP) é um componente de IC que consiste de 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 quad flat package (QFP) é um componente de IC plano, quadrado, com leads ao longo de cada uma das quatro bordas. QFPs não podem ser montados through-hole, e soquetes raramente estão disponíveis para pacotes deste tipo. QFPs podem ter tão poucos quanto 32 pinos ou tantos quanto 304 pinos, dependendo da faixa de pitch. Variantes do QFP incluem low-profile e thin. Fabricantes eletrônicos japoneses primeiro usaram QFPs durante os anos 1970, embora o tipo de pacote não ganhasse tração na América do Norte e Europa até o início dos anos 90.
• Ball grid arrays: Um BGA é um pacote de montagem em superfície carregador de chip comumente visto em equipamentos de computador. Diferente de outros pacotes de IC, onde apenas o perímetro pode conectar, a superfície inferior inteira pode montar em um BGA. Devido às conexões de bola mais curtas, BGAs oferecem algumas das velocidades mais altas de todos os pacotes de IC. BGAs são comuns em sticks de RAM e cartões USB, incluindo cartões de RAM e alto-falante. O processo de soldagem em um BGA necessita precisão.

Pacotes de substrato, tais como pacotes baseados em cerâmica, requererão uma liga que é similar em coeficiente de expansão térmica (CTE) a cerâmica, como Iconel ou Alloy 42. No processo de die attach, ligamos o die ao substrato com materiais especiais de die-attach, que podemos usar em montagem wire-bond face-up. É crucial evitar lacunas no material anexado, pois estas podem levar a hot spots. Bom material de die-attach é eletricamente e termicamente condutivo, tornando-o ideal para pacotes de substrato.

Você usaria laminado em vez se você precisa de performance mais alta ou está lidando com altas contagens de I/O. Pacotes de laminado são uma excelente alternativa de baixo custo a substratos cerâmicos e têm uma constante dielétrica mais baixa também.

O que é Material de Die-Attach?

Este tipo de pacote de IC serve a duas funções primárias. A primeira é salvaguardar o die de dano que fatores externos poderiam causar. A segunda é redistribuir a entrada e saída para um pitch fino gerenciável. Adicionalmente, o pacote fornece uma estrutura padronizada que direciona o caminho térmico propriamente, para longe do die empilhado. No geral, a estrutura é melhor adequada para testes elétricos e mais resistente a erros.

Materiais de die-attach são materiais líquidos ou de filme que fabricantes projetam para evitar outgassing, que poderia degradar a qualidade do wire bond. Estes materiais também servem como um buffer de estresse, para que o die não frature se o CTE não combinar exatamente com o substrato.

Há diferentes métodos de aplicar materiais de die-attach, alguns dos quais são mais complicados que outros. Para a maioria dos usos, die-attach é aplicado em montagens onde o wire bond está na face da superfície. Em todos os casos, materiais de die-attach são termicamente condutivos. Em certas montagens, die-attach também fornece condutividade elétrica. Para prevenir pontos de ficarem muito quentes junto com o die, fabricantes geralmente buscam prevenir vazios no material. Materiais de die-attach, tanto líquidos quanto de filme, resistem a outgassing e protegem dies de dano.

Tipos de Montagem Wire Bond

Montagens wire bond vêm em três formatos:

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

O tipo de montagem wire bond que você escolher virá com diferentes capacidades de montagem. Wire bonding tipicamente usa fio de ouro, embora você possa usar fio de cobre em vez se você tem um ambiente de montagem rico em nitrogênio. Wedge-bonding com fio de alumínio pode ser uma alternativa econômica.

Ultrasonic bonding começa com uma alimentação de fio através de um furo na superfície de uma montagem de componente. O processo inclui uma ligação die e substrato.

Thermosonic bonding é um processo usado para conectar ICs de silício a computadores. O processo monta os componentes de unidades de processamento central, que integram a circuitaria de computadores pessoais e laptops.

Ligações thermosonic são compostas de energias térmica, mecânica e ultrassônica. As máquinas que conduzem este processo contêm transdutores, que transformam energia elétrica em piezoeletricidade.

Thermocompression bonding é um método que junta dois metais através de uma mistura de força e calor. O método é alternadamente chamado wafer bonding, diffusion bonding, solid-state welding e pressure joining. Thermocompression bonding protege estruturas elétricas e pacotes de dispositivos em adiantamento a montagem em superfície. O método inclui a difusão da superfície e fronteira de grão.

Encapsulantes

Encapsulantes são a última peça do pacote de IC e servem para proteger o condutor e fios de dano ambiental e físico. Eles podem ser feitos de epóxi ou blends de epóxi, silicone, poliimida ou seja solvent-based ou room temperature vulcanizable. O resto dos componentes que você escolher dependerá das necessidades específicas dos seus circuitos integrados e suas aplicações.

Placas de circuito impresso podem ser vulneráveis a poeira eletrostática em ambientes industriais e automotivos. Para proteger as propriedades mecânicas de PCIs, fabricantes agora usam resinas de encapsulamento.

Como uma barreira protetora, potting e encapsulantes são altamente eficazes em prevenir poeira e outros elementos atmosféricos de prejudicar os mecanismos de PCIs. Com resinas suficientes, encapsulantes podem proteger PCIs dos estresses de vibração, choque e elementos externos. Para a aplicação funcionar efetivamente, resinas devem ser testadas para sua adequação em vários ambientes de trabalho potenciais. A funcionalidade das unidades nestes contextos também deve ser avaliada.

Como uma alternativa a potting e resinas de encapsulamento, alguns fabricantes usam revestimentos conformais, que se ajustam à forma de cada placa e oferecem força e durabilidade, sem afetar o peso ou dimensões de uma PCI. Revestimentos geralmente são testados em configurações atmosféricas normais. Cada teste coloca o efeito de um dado revestimento nas capacidades elétricas e mecânicas de uma PCI sob exame.

Materiais de encapsulante vêm em três variedades básicas. O material primário é epóxi, seja puro ou blended. Epóxies consistem de resinas orgânicas e são geralmente acessíveis, daí sua popularidade entre fabricantes. Outro material generalizado usado em chips IC encapsulantes é silicone, que não é baseado em carbono e portanto não é uma resina orgânica. Resinas de silicone são geralmente solvent-based. Alternadamente, algumas resinas são room-temperature-vulcanizable, e contato com umidade pode curá-las. Silicones são populares devido à sua flexibilidade em configurações quentes bem como frias.

Potting e resinas de encapsulamento vêm em várias formulações diferentes, assim como revestimentos conformais. Cada formulação é balanceada para uma faixa específica de condições atmosféricas. Através de testes, fabricantes podem determinar quais formulações são mais adequadas para ambientes particulares. Em uma situação normal, a maioria dos tipos de resinas e revestimentos oferecerão proteção suficiente para uma PCI. Em configurações mais severas, uma placa geralmente requererá um revestimento com material especial, como acrílico. Se a PCI é destinada para uso em configuração submersa, revestimentos de força extra estão entre as opções mais adequadas.

Resinas feitas de silicone fornecem performance ótima de PCI em uma gama de ambientes. Para designs de PCI, silicone é geralmente preferível a poliuretano ou epóxi. Entre aqueles dois últimos, poliuretano é o material mais confiável em várias configurações. Resinas de poliuretano podem ser efetivas em configurações marinhas como proteção em imersão em água salgada.

Entendendo Encapsulamento de IC

Para manter-se no topo do mercado, é crucial manter-se a par de tendências em encapsulamento de IC. Dessa forma, você pode se manter competitivo e fazer os investimentos certos no mercado de material de encapsulamento de IC. Vários segmentos de mercado afetam o preço, popularidade e disponibilidade de materiais de embalagem. Adicionalmente, tendências em escala regional podem impactar se materiais de embalagem sobem e caem em uso em certos cantos do mundo.

Para notícias, estatísticas e informação sobre tendências no mercado de IC, partes interessadas devem ler o Semiconductor and IC Packaging Materials Market report, que quebra as coisas de acordo com categorias e aplicações, tudo dentro do framework da indústria de IC. Especialistas dentro da indústria usam design data management para coletar e revisar informação em soluções de design, cada um trazendo seus insights para a mesa como fabricantes, fornecedores e varejistas e fornecendo uma imagem completa de toda a grade de valor.

A qualquer momento, eventos súbitos e inesperados podem impactar o mercado, incluindo desastres naturais, mudança climática, agitações políticas, tecnologia disruptiva e mudanças culturais. Como uma parte interessada na frente de IC, manter-se no topo de encapsulamento de IC requer que você reconheça tendências sobre a produção, fornecimento, exportação, importação, precificação, análise de integridade e taxa de crescimento geral de materiais de embalagem, e examine-os regularmente para que você possa planejar, orçar adequadamente e proteger sua receita.

Encapsulamento de IC da Millennium Circuits

Como você pode ver, há muitos elementos para encapsulamento de IC para sistemas eletrônicos, e como um jogador na indústria eletrônica, é essencial entendê-los e manter-se a par de novos desenvolvimentos em embalagem avançada — especialmente sobre como eles afetam seus componentes concernentes a requisitos de performance. Alguns aspectos de encapsulamento de IC provavelmente permanecerão relativamente estáveis nos próximos anos, enquanto outros podem mudar significativamente, e você vai querer ficar à frente do jogo. Saber onde mudanças são prováveis de vir permite que você reaja a elas melhor.

Se você tem quaisquer perguntas sobre os vários tipos de encapsulamento de IC ou qualquer coisa relacionada a circuitos ou placas de circuito impresso, contate os especialistas da Millennium Circuits agora. Temos imenso orgulho em ajudar nossos clientes a ter um entendimento completo da eletrônica com a qual trabalhamos. Estamos felizes em fornecer a você a informação de design e verificação que você precisa para que você possa tomar as melhores decisões sobre componentes eletrônicos para seu negócio.

 

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