Что такое корпус интегральной схемы?

Что такое корпус интегральной схемы? Корпус интегральной схемы (IC-пакет) — это процесс защиты, межсоединения, поддержки и обеспечения внешних электрических соединений для полупроводникового кристалла, изготовленного на пластине. Различные типы корпусов электронных компонентов разработаны для удовлетворения различных требований к размеру, тепловому управлению и электрической связности. От традиционных разъемных корпусов до современных поверхностных монтажных конструкций выбор корпуса влияет не только на защиту кристаллаи его интеграцию в схемы, но и на общую эффективность и производительность электронной системы.

Почему важен корпус интегральной схемы ?

Корпус интегральной схемы (IC) — это не только важный заключительный этап процесса производства чипов, но и ключевой мост, соединяющий внутренние схемы чипа с внешними системами.

• Физическая защита: Защищает хрупкий голый кристалл от влаги, пыли, механических напряжений, электростатического разряда и экологических повреждений.
• Электрическое соединение: Соединяет внутреннюю схему чипа с выводами или контактными площадками, обеспечивая передачу сигналов и питания с печатной платой и внешними схемами.
• Теплоотвод: Проводит и рассеивает тепло, выделяемое во время работы чипа, обеспечивая стабильную производительность и предотвращая тепловой сбой.
• Поддержка сигналов: Обеспечивает электрическую экранизацию, минимизирует помехи и поддерживает целостность сигналов.
• Стандартизированная сборка: Устанавливает единые размеры и форматы монтажа для упрощения пайки, тестирования, поверхностного монтажа и сборки конечного продукта.
• Обеспечение производительности и надежности: Повышает срок службы, стабильность и выход годных чипов, являясь необходимым этапом для массового производства и практического применения.

Наиболее распространенные типы корпусов интегральных схем

1. Классификация по конфигурации выводов

Разъемные корпуса

Тип: DIP (Корпус с двумя рядами выводов)

Выводы вертикально выходят с обеих сторон корпуса и проходят через отверстия на печатной плате для пайки. Этот метод простой, экономичный и удобный для ручной пайки и ремонта. Он широко используется в ранних электронных устройствах, учебных платах и универсальных чипах с малым количеством выводов. Основные недостатки — большой размер и низкая плотность интеграции.

Корпуса для поверхностного монтажа (SMD / SMT)

Типы: SOP, SOIC, QFP, QFN, BGA

В настоящее время основной тип корпусов в полупроводниковой промышленности, эти корпуса не требуют сквозных отверстий в печатной плате. Они припаиваются непосредственно на поверхность платы, обладая преимуществами малого размера, легкого веса, высокой плотности интеграции и отличных электрических характеристик. Подходят для автоматизированного монтажа и используются в большинстве потребительской электроники, промышленной электроники и коммуникационного оборудования.

2. Классификация по структуре и распределению выводов

Корпуса с двумя рядами выводов: DIP, SOP, SOIC, TSOP

В этом типе корпусов выводы равномерно распределены по обеим сторонам корпуса. Структура регулярная, процессы проектирования и производства отработаны. Эта классическая форма корпуса ИС широко используется в ранних и начальных интегральных схемах, включая DIP, SOP, SOIC и TSOP.

(1) DIP (Корпус с двумя рядами выводов)

Характеристики: Разъемный корпус с двумя рядами выводов, выходящих вертикально вниз с обеих сторон. Имеет широкое расстояние между выводами и высокую механическую прочность, поддерживает ручную пайку и доработку. Простая структура обеспечивает чрезвычайно низкую стоимость производства и высокую устойчивость к экологическим помехам. Однако большой размер и ограниченное количество выводов делают его непригодным для плотных схем.

Промышленное применение: Учебные платы разработки, старое промышленное контрольное оборудование, чипы управления базовыми приборами, логические чипы с малым количеством выводов и низкопотребляющие чипы управления питанием.

(2) SOP / SOIC (Малогабаритный корпус / Малогабаритный корпус интегральной схемы)

Характеристики: Корпуса для поверхностного монтажа с двумя рядами выводов в форме крыла чайки, выходящих наружу с обеих сторон. Они значительно меньше и тоньше DIP, подходят для автоматизированного монтажа, имеют высокий выход годных при пайке, контролируемую стоимость и лучшие электрические характеристики по сравнению с DIP. SOIC — более точный вариант SOP с меньшим шагом выводов.

Промышленное применение: Универсальные аналоговые чипы, чипы памяти малой емкости, периферия потребительской электроники, базовые автомобильные электронные модули и драйверные чипы питания.

(3) TSOP (Тонкий малогабаритный корпус)

Характеристики: Ультратонкий корпус для поверхностного монтажа с двумя рядами выводов. На основе конструкции SOP TSOP дополнительно уменьшает толщину корпуса и шаг выводов, обеспечивая более компактную форму. Имеет низкие паразитную индуктивность и емкость, лучшую высокочастотную производительность, сбалансированный теплоотвод и высокую надежность пайки выводов.

Промышленное применение: Широко используется для модулей памяти, флэш-памяти, SRAM и других типов чипов памяти, являясь классическим корпусом для запоминающих устройств.

Корпуса с выводами по четырем сторонам

QFP (Четырехсторонний плоский корпус)

Характеристики: Выводы выходят со всех четырех сторон в форме крыла чайки. Расположение выводов регулярное, количество выводов может быть высоким, с точным контролем шага для удовлетворения требований межсоединения многоконтактных чипов. Трассировка печатной платы относительно простая, процессы массового производства отработаны, теплоотвод и стабильность сигналов средние. Однако при большом количестве выводов выводы легко деформируются, и повышаются требования к точности пайки.

Промышленное применение: Микроконтроллеры (МК), специализированные АСИК, процессоры среднего и низкого уровня, чипы коммуникационных интерфейсов, промышленные контрольные модули и обычные чипы обработки изображений.

Четырехсторонние безвыводные корпуса / корпуса с массивом контактных площадок

(1) QFN (Четырехсторонний плоский безвыводной корпус)

Характеристики: Без открытых выводов по периметру корпуса; периферийные припойные площадки и большая центральная тепловая площадка расположены на дне. Чрезвычайно тонкий и компактный, занимает минимальное место на печатной плате. Низкие паразитные параметры, малые потери высокочастотных сигналов, лучший теплоотвод по сравнению с QFP и SOP, высокая надежность пайки.

Промышленное применение: Смартфоны, устройства Интернета вещей, носимая электроника, автомобильная электроника, РЧ-модули, портативные медицинские устройства и плотные малые схемы.

(2) LCC (Безвыводной носитель чипа)

Характеристики: Полностью герметичный безвыводной корпус с контактными площадками по четырем сторонам, часто изготовленный из керамики. Высокая устойчивость к температуре и влаге, чрезвычайно высокая надежность. На дне имеются углубленные площадки для хорошей электрической экранизации, подходящие для тяжелых условий эксплуатации. Стоимость выше, чем у QFN.

Промышленное применение: Военная электроника, аэрокосмические устройства, высококачественные автомобильные электронные системы управления, промышленные сценарии с высокой температурой и напряжением, а также высоконадежные коммуникационные модули.

Корпуса с массивом припойных шариков на дне

BGA, FBGA, CSP (Чипскейлные корпуса)

Эти корпуса исключают традиционные выводы, используя для электрического межсоединения припойные шарики, равномерно распределенные на дне. Они обладают чрезвычайно высокой плотностью выводов и отличными электрическими характеристиками, являясь предпочтительным выбором для высококачественных высокопроизводительных чипов.

(1) BGA (Массив шариковых выводов)

Характеристики: Припойные шарики равномерно распределены на дне корпуса. Короткие электрические пути снижают потери сигналов, обеспечивают сильную устойчивость к электромагнитным помехам и эффективный теплоотвод. BGA выдерживают высокий ток и высокоскоростные сигналы, имея гораздо больше выводов, чем QFP, решая задачи многоконтактного корпуса. Однако доработка после пайки затруднена.

(2) FBGA (Массив шариковых выводов с малым шагом)

Характеристики: Улучшенная версия BGA с меньшим шагом шариков и более высокой плотностью. Размер корпуса дополнительно уменьшен, форма тонкая. Электрические характеристики и теплоотвод оптимизированы одновременно, обеспечивая более стабильную передачу высокоскоростных сигналов.

(3) CSP (Чипскейлный корпус)

Характеристики: Ультракомпактный корпус с массивом припойных шариков, размер которого почти совпадает с голым кристаллом. Один из самых маленьких и наиболее интегрированных типов корпусов. Чрезвычайно короткие межсоединения, очень низкое энергопотребление, быстрая передача сигналов и очень высокие требования к точности производства.

3. Классификация по материалу упаковки

Пластиковые упаковки: низкая стоимость и наиболее широкое применение.

Керамические упаковки: устойчивость к высоким температурам и высокая надежность; часто используются в военной и аэрокосмической технике.

Металлические упаковки: отличная экранизация и теплоотвод; часто применяются для высокочастотных и мощных устройств.

4. Классификация по уровню интеграции и передовая упаковка

• Однокристальная упаковка: один чип на упаковку.
• Многокристальная упаковка (MCP): несколько чипов одного типа интегрированы в одну упаковку для увеличения емкости и производительности. Часто используется в устройствах высокой емкости памяти. Технологии MCP проще по сравнению с SiP.
• Система в упаковке (SiP): интегрирует чипы с разными функциями (например, основной контроллер, память, сенсоры, радиочастотные чипы) в одну упаковку, обеспечивая полную функциональность системы. SiP повышает интеграцию без изменения процессов производства чипов и широко применяется в 5G, Интернете вещей и умных устройствах.
• 3D-упаковка с укладкой: использует технологию сквозных кремниевых переходов (TSV) для вертикальной укладки нескольких чипов, значительно сокращая расстояние межсоединений, увеличивая скорость передачи, снижая энергопотребление и дополнительно повышая интеграцию. Распространена в высококлассной памяти, ИИ-чипах и чипах высокопроизводительных вычислений. 3D-укладка является основным трендом будущей высококлассной упаковки чипов.

Как упаковывают полупроводниковые чипы?

Упаковка интегральной схемы (ИС) — это процесс превращения хрупкого кремниевого чипа в долговечный, пригодный к использованию электронный компонент. Она защищает чип, обеспечивает электрические соединения и помогает управлять теплоотводом.

1. Резка пластины (нарезка чипов)

Интегральные схемы сначала изготавливаются на кремниевой пластине, которая затем точно разрезается на отдельные кристаллы (чипы) с помощью пилы или лазера.

2. Крепление кристалла (монтаж чипа)

Каждый кристалл надежно крепится к подложке упаковки или выводной раме с помощью таких материалов, как эпоксидный клей, припой или спеченное серебро, для обеспечения механической стабильности и эффективного теплоотвода.

3. Проводное соединение / соединение перевернутого кристалла

Электрические соединения между кристаллом и упаковкой устанавливаются либо с помощью проводного соединения, где тонкие золотые или медные провода соединяют контактные площадки с выводами, либо с помощью технологии перевернутого кристалла, где кристалл переворачивается и соединяется через припойные выступы для формирования надежных электрических путей.

4. Герметизация (формовка упаковки)

Собранный чип заключается в защитный материал, обычно эпоксидную смолу для пластиковых упаковок или керамику/металл для приложений с высокой надежностью, чтобы защитить его от влаги, пыли и механических повреждений.

5. Формирование и покрытие выводов

Внешние соединения завершаются обрезкой и изгибом контактных выводов для упаковок типа DIP и QFP или добавлением припойных шариков для упаковок BGA, при этом выводы часто покрываются оловом, золотом или серебром для повышения проводимости и паяемости.

6. Тестирование и контроль

Каждая упакованная интегральная схема проходит строгие электрические тесты и визуальный или механический контроль для проверки функциональности и производительности, гарантируя выявление и удаление любых дефектных экземпляров.

7. Маркировка и финальная упаковка

Готовые чипы маркируются основной информацией, такой как номер детали, бренд и дата изготовления, а затем упаковываются в форматы, такие как лента с барабаном, лотки или трубки для доставки и сборки.

Какие материалы используются для упаковки интегральных схем?

Интегральные схемы зависят не только от продвинутого дизайна чипов, но и от технологии упаковки для обеспечения производительности и надежности. В основе упаковки лежит выбор и комбинация материалов, которые вместе обеспечивают защиту, соединение и теплоотвод, формируя стабильную и эффективную структуру чипа.

1. Материалы корпуса упаковки

Используются для герметизации чипа, обеспечивая механическую защиту и изоляцию от окружающей среды.

Эпоксидная формовочная смесь (EMC): низкая стоимость, широкое применение.

Керамические материалы (например, глинозем): устойчивость к высоким температурам, высокая надежность.

Металлические материалы (например, ковар): используются для герметичного уплотнения.

2. Материалы выводной рамы / подложки

Используются для поддержки чипа и установления внутренних и внешних электрических соединений.

Медь и медные сплавы: отличная электрическая и тепловая проводимость.

Сплав 42 (Fe-Ni): соответствует тепловому расширению кремниевых чипов.

Органические подложки (смола BT, FR-4): часто используются в упаковках BGA, CSP и других.

Поверхностное покрытие (золото/серебро/олово): повышает проводимость и устойчивость к окислению.

3. Материалы для крепления кристалла

Используются для фиксации чипа на подложке или выводной раме, одновременно помогая в теплоотводе.

Эпоксидные клеи (часто с серебряным наполнением): обеспечивают как склеивание, так и тепловую проводимость.

Припой (например, SnAgCu): подходит для высокотемпературных или мощных устройств.

Спекенное серебро: высокая тепловая проводимость для приложений с высокой надежностью.

4. Материалы для соединения

Используются для установления электрических соединений между чипом и упаковкой.

Золотая проволока (Au): высокая надежность и устойчивость к коррозии.

Медная проволока (Cu): низкая стоимость и широкое применение.

Алюминиевая проволока (Al): часто используется в силовых устройствах.

5. Материалы для теплового управления

Используются для отвода тепла, выделяемого при работе чипа, обеспечивая стабильную производительность.

Термоинтерфейсные материалы (TIM): термопаста или клеи.

Фазовые материалы (PCM).

Металлические радиаторы или теплораспределители: медные или алюминиевые компоненты для усиленного теплоотвода.

6. Материалы внешних соединений (выводы / межсоединения)

Используются для обеспечения электрических и механических соединений между упаковкой и печатной платой.

Припой (например, Sn-Ag-Cu): для припойных шариков и выступных соединений.

Медные выводы / контактные площадки: основные проводящие структуры.

Поверхностное покрытие (золото / серебро / олово): улучшает надежность пайки.

Упаковка интегральных схем — это критический процесс, превращающий хрупкие кремниевые чипы в стабильные, пригодные к использованию электронные компоненты. Материалы корпуса защищают чип, выводные рамы и материалы соединений обеспечивают электрические связи, материалы для теплового управления гарантируют эффективный теплоотвод, а надежные структуры внешних межсоединений завершают упаковку. Каждый шаг напрямую влияет на производительность и надежность ИС. Разные типы упаковки и сценарии применения используют разные комбинации материалов для баланса стоимости, производительности и долговечности. Понимание этих материалов и их функций помогает не только освоить принципы упаковки ИС, но и дает ценные рекомендации для выбора и закупки компонентов.

Если у вас есть вопросы по упаковке интегральных схем, рекомендуется проконсультироваться с профессиональными и надежными поставщиками чипов и интегральных схем, так как они часто могут предоставить более целевые решения. Как надежный партнер по электронным компонентам, Eastech стремится предоставлять клиентам стабильные поставки чипов и эффективную поддержку при закупках, помогая продуктам достичь комплексного улучшения производительности и надежности.