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IC-Verpackung



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Damit ein Halbleiter über viele Jahre hinweg zuverlässig funktioniert, ist es entscheidend, dass jeder Chip vor Witterungseinflüssen und möglichen Belastungen geschützt bleibt. Das bringt uns zu zwei Fragen:Was ist die Verpackung von integrierten Schaltkreisen (IC) und warum ist sie für Ihre Elektronikanwendungen unerlässlich? Wenn Sie in der Elektronikindustrie arbeiten und nicht wissen, wie IC-Verpackungsmaterial für Sie funktionieren kann, finden Sie hier eine grundlegende Aufschlüsselung der Idee hinter der IC-Verpackung.

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Was ist IC-Packaging?


IC-Verpackung bezieht sich auf das Material, das ein Halbleiterbauelement enthält. Das Gehäuse ist ein Gehäuse, das das Schaltungsmaterial umgibt, um es vor Korrosion oder physischer Beschädigung zu schützen und die Montage der elektrischen Kontakte zu ermöglichen, die es mit der gedruckten Schaltungsplatine (PCB) verbinden. Es gibt viele verschiedene Arten von integrierten Schaltkreisen, und daher müssen verschiedene Arten von IC-Packaging-Systemdesigns berücksichtigt werden, da unterschiedliche Arten von Schaltungsdesigns unterschiedliche Anforderungen an ihre äußere Hülle stellen.

Warum ist IC-Verpackung wichtig?

Das IC-Packaging ist die letzte Stufe in der Produktion von Halbleiterbauelementen. Während dieser wichtigen Phase wird der Halbleiterblock mit einem Gehäuse bedeckt, das den IC vor potenziell schädlichen externen Elementen und den korrosiven Auswirkungen des Alters schützt. Das Gehäuse ist im Wesentlichen eine Umhüllung, die dazu dient, den Block zu schützen und auch die elektrischen Kontakte zu fördern, die Signale an die Leiterplatte eines elektronischen Geräts liefern.

Die IC-Packaging-Technologie hat sich seit den 1970er Jahren weiterentwickelt, als Ball Grid Array (BGA)-Packages zum ersten Mal bei Elektronik-Packaging-Herstellern zum Einsatz kamen. Zu Beginn des 21. Jahrhunderts verdrängten neuere Optionen in der Gehäusetechnologie Pin-Grid-Array-Gehäuse, nämlich das Kunststoff-Quad-Flat-Pack und das dünne Small-Outline-Gehäuse. Im Laufe der Nullerjahre läuteten Hersteller wie Intel die Ära der Land-Grid-Array-Pakete ein.

In der Zwischenzeit haben Flip-Chip-Ball-Grid-Arrays (FCBGAs), die mehr Pins aufnehmen können als andere Gehäusetypen, BGAs abgelöst. Der FCBGA enthält Eingangs- und Ausgangssignale über den gesamten Chip, im Gegensatz zu nur den Kanten.

IC-Pakettypen

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, IC-Gehäuseentwürfe basierend auf der Formation zu kategorisieren. Daher gibt es zwei Arten von IC-Gehäusen:den Lead-Frame-Typ und den Substrat-Typ.

Wie heißen IC-Gehäusetypen?

Über die grundlegende strukturelle Definition eines IC-Gehäuses hinaus unterscheiden weitere Kategorien sekundäre Verbindungsarten. Weitere Informationen zu den verschiedenen Kategorien von IC-Paketen finden Sie unten:

Es ist wichtig zu beachten, dass viele Unternehmen Area-Array-Pakete verwenden. Das wichtigste Beispiel in dieser Hinsicht ist das BGA-Gehäuse, das in verschiedenen Formaten erhältlich ist, darunter die winzigen Chip-Scale-Gehäuse – manchmal auch als QFN-Gehäuse bezeichnet – und größere Gehäuse. Die BGA-Konstruktion umfasst ein organisches Substrat, und seine beste Anwendung sind Multichip-Strukturen. Multichip-Module und -Packages sind die führenden Alternativen zu Lösungen, die ein System-on-Chip-Format verwenden. Weitere Optionen sind die zweistufigen und zweiflächigen Verbindungspakete.

Darüber hinaus hat sich eine Kategorie für Wafer-IC-Montage, bekannt als Wafer-Level-Packaging (WLP), in der Fachsprache durchgesetzt. Bei Wafer-Level-Packages erfolgt die Konstruktion auf der Vorderseite des Wafers, wodurch ein Package in der Größe eines Flip-Chips entsteht. Ein weiteres Wafer-Level-Package ist das Fan-out-Wafer-Level-Packaging (FOWLP), das eine fortgeschrittenere Version herkömmlicher WLP-Lösungen ist. Im Gegensatz zu einem WLP, bei dem der Wafer gewürfelt wird, nachdem die äußeren Verpackungsschichten angebracht wurden, erfolgt das Würfeln des FOWLP-Wafers zuerst.

Überlegungen zum IC-Design

Die Auswahl des richtigen IC-Gehäuses für Ihre Anwendungen beginnt mit der Kenntnis technischer Informationen über die zahlreichen Designüberlegungen, die in die Herstellung von IC-Gehäusen einfließen. Beispielsweise sollten Sie sich über die richtigen Materialzusammensetzungen und Substrate für Ihr IC-Gehäuse im Klaren sein. Es ist auch wichtig, den Unterschied zwischen starren und Bandverpackungssubstraten zu kennen. Viele Unternehmen erwägen auch die Verwendung von Laminaten als Alternative zu Leiterrahmen und wählen Substrate aus, die gut mit Metallleitern funktionieren.

Erfahren Sie unten mehr über einige der wichtigsten Designüberlegungen.

Materialzusammensetzung

Die Leistung eines IC-Gehäuses hängt weitgehend von seiner chemischen, elektrischen und materiellen Zusammensetzung ab. Trotz ihrer funktionalen Unterschiede sind Leiterrahmen- und Laminatpakete beide stark von der Materialzusammensetzung abhängig. Lead-Frame-Gehäuse, das vorherrschende Format, verwenden Silber- oder Gold-Drahtbond-Oberflächen, die mit einem Spot-Plating-Verfahren angebracht werden. Das macht den Prozess einfacher und kostengünstiger.

Bei Keramikgehäusen ist Alloy 42 ein weit verbreiteter Metalltyp, da es mit dem darunter liegenden Material zusammenarbeitet. Auf Kunststoffgehäusen ist der Kupfer-Leiterrahmen vorzuziehen, da er die Lötstelle schützt und Leitfähigkeit bietet. Aufgrund der Richtlinien in bestimmten Gebieten ist das Material auch einer der kritischen Faktoren bei oberflächenmontierten Kunststoffverpackungen.

Aufgrund von Überarbeitungen der europäischen Normen war die Bleiveredelung Gegenstand intensiver Prüfung bei der Verpackungsmontage der nächsten Stufe. Das Ziel bestand darin, einen praktikablen Ersatz für Zinn-Blei-Lote zu finden, die sich leicht auftragen lassen und in der gesamten Branche seit langem ein fester Bestandteil sind. Die Hersteller müssen sich jedoch noch auf eine einzige Lösung einigen, was zum Teil auf den weit verbreiteten Wettbewerb zwischen den Anbietern zurückzuführen ist. Es ist unwahrscheinlich, dass sich das Lead-Problem in absehbarer Zeit von selbst löst.

Alternative zu Leadframes

Ab den späten 1970er Jahren entwickelten sich Laminate als Alternative zu Leadframes in Chip-to-Board-Baugruppen. Heutzutage sind Laminate aufgrund ihrer relativen Kosteneffizienz im Vergleich zu Keramiksubstraten in der gesamten Industrie für IC-Gehäuselösungen weit verbreitet. Die beliebtesten Laminate sind die organischen Hochtemperaturtypen, die überlegene elektrische Eigenschaften bieten und auch günstiger sind.

Anwendbare Substrate

Inmitten der zunehmenden Popularität von Halbleitergehäusen gab es auch eine erhöhte Nachfrage nach anwendbaren Substraten und Interposern. Ein Substrat ist der Teil eines IC-Gehäuses, das der Platine ihre mechanische Festigkeit verleiht und es ihr ermöglicht, sich mit externen Geräten zu verbinden. Der Interposer ermöglicht das verbindende Routing im Paket. In einigen Fällen sind die Wörter „Substrat“ und „Interposer“ austauschbar.

Unterschied zwischen starren und Bandverpackungssubstraten

Verpackungssubstrate gibt es in starren und Bandvarianten. Starre Substrate sind fest und definiert in ihrer Form, während Tape-Substrate schlank und flexibel sind. In den frühen Tagen der IC-Herstellung bestanden Substrate aus keramischem Material. Heutzutage bestehen die meisten Substrate aus organischem Material.

Wenn ein Substrat aus mehreren dünnen Schichten besteht, die gestapelt sind, um ein starres Substrat zu bilden, wird es als Laminatsubstrat bezeichnet. Zwei der gebräuchlichsten Laminatsubstrate in der IC-Herstellung sind FR4 und Bismaleimid-Triazin (BT). Ersteres besteht aus Epoxid, während letzteres ein hochwertiges Harzmaterial ist.

Teilweise aufgrund seiner Isolationseigenschaften und seiner niedrigen Dielektrizitätskonstante hat sich BT-Harz in der IC-Industrie zu einem der bevorzugten Laminatmaterialien entwickelt. Auf BGAs ist BT das am häufigsten verwendete aller Substrate. BT hat sich auch zum bevorzugten Harz für CSP-Laminate (Chip Scale Package) entwickelt. Währenddessen stellen Wettbewerber auf der ganzen Welt neue Epoxid- und Epoxidmischungen her, die BT drohen, für sein Geld zu kämpfen, und möglicherweise die Preise insgesamt senken, da der Markt in den kommenden Jahren wettbewerbsintensiver wird.

Als Alternative zu starren Substraten werden Bandsubstrate meist aus Polyimid und anderen Arten von temperaturtoleranten, haltbaren Materialien hergestellt. Der Vorteil von Bandsubstraten ist ihre Fähigkeit, Schaltungen gleichzeitig zu bewegen und zu tragen, was Bandsubstrate zur bevorzugten Wahl in Plattenlaufwerken und anderen Geräten macht, die Schaltungen inmitten einer schnellen, konstanten Bewegung tragen. Der andere Hauptvorteil von Bandsubstraten ist ihr geringes Gewicht, was bedeutet, dass sie einer aufgetragenen Oberfläche nicht einmal die geringste Schwere verleihen.

Substrate zur Unterstützung von Metallleitern

IC-Pakete müssen auch mit Metallleitern geliefert werden, die Signale zu verschiedenen Verbindungsmerkmalen leiten können. Daher ist es wichtig, dass Substrate diesen Prozess erleichtern. Substrate leiten die Eingangs- und Ausgangssignale eines Chips zu anderen Merkmalen auf einem System in Gehäusen. Die Platzierung von Folie, typischerweise Kupfer, die mit den Laminaten in dem Substrat verbunden ist, erreicht die Metallleitfähigkeit. Immersionsschichten aus Gold und Nickel werden oft als Finish über dem Kupfer aufgetragen, um Interdiffusion und Oxidation zu verhindern.

Was sind die gängigsten IC-Gehäusetypen?

Leadframes sind die gebräuchlichsten IC-Gehäusetypen. Sie würden diese Gehäuse für durch Drahtbonden verbundene Chips mit einer versilberten oder vergoldeten Oberfläche verwenden. Für oberflächenmontierte Kunststoffgehäuse verwenden Hersteller häufig Leiterrahmenmaterialien aus Kupfer. Kupfer ist sehr leitfähig und extrem nachgiebig, daher kann es für diesen Zweck von Vorteil sein.

Alternative IC-Gehäusematerialien und Montagemethoden

Viele Hersteller versuchen, sich von den eigentlichen Bleirahmen-IC-Gehäusen zu entfernen, aber sie werden so lange so häufig verwendet, dass es für einige ein schwieriger Übergang ist. Zu den gängigsten Paketen gehören die folgenden:

Substratgehäuse, wie z. B. Gehäuse auf Keramikbasis, erfordern eine Legierung mit einem ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) wie Keramik, wie Iconel oder Alloy 42. Beim Die-Befestigungsprozess verbinden wir das Die mit einem speziellen Die mit dem Substrat - Befestigungsmaterialien, die wir in der Face-up-Drahtbondmontage verwenden können. Es ist wichtig, Lücken im angebrachten Material zu vermeiden, da diese zu Hot Spots führen können. Gutes Die-Attach-Material ist elektrisch und thermisch leitfähig und somit ideal für Substratpakete.

Sie würden stattdessen Laminat verwenden, wenn Sie eine höhere Leistung benötigen oder mit hohen E/A-Anzahlen zu tun haben. Laminatgehäuse sind eine hervorragende kostengünstige Alternative zu Keramiksubstraten und haben außerdem eine niedrigere Dielektrizitätskonstante.

Was ist Die-Attach-Material?

Dieser IC-Gehäusetyp dient zwei Hauptfunktionen. Die erste besteht darin, den Chip vor Schäden zu schützen, die durch externe Faktoren verursacht werden könnten. Die zweite besteht darin, die Ein- und Ausgabe auf eine überschaubare feine Tonhöhe umzuverteilen. Darüber hinaus bietet das Gehäuse eine standardisierte Struktur, die den Wärmepfad richtig vom gestapelten Chip wegführt. Insgesamt ist der Aufbau für elektrische Tests besser geeignet und fehlerresistenter.

Die-Attach-Materialien sind entweder flüssige oder Folienmaterialien, die von den Herstellern entwickelt werden, um ein Ausgasen zu vermeiden, das die Qualität der Drahtverbindung beeinträchtigen könnte. Diese Materialien dienen auch als Spannungspuffer, damit der Chip nicht bricht, wenn der CTE nicht ganz mit dem Substrat übereinstimmt.

Es gibt verschiedene Methoden zum Aufbringen von Die-Attach-Materialien, von denen einige komplizierter sind als andere. Bei den meisten Anwendungen wird Die-Attach auf Baugruppen aufgebracht, bei denen sich die Drahtverbindung auf der Oberfläche befindet. In allen Fällen sind Die-Attach-Materialien wärmeleitfähig. Bei bestimmten Baugruppen bietet Die-Attach auch elektrische Leitfähigkeit. Um zu verhindern, dass Punkte zusammen mit der Matrize zu heiß werden, versuchen die Hersteller im Allgemeinen, Hohlräume im Material zu verhindern. Sowohl flüssige als auch filmische Die-Attach-Materialien widerstehen dem Ausgasen und schützen die Dies vor Beschädigung.

Drahtbond-Montagetypen

Drahtbondbaugruppen gibt es in drei Formaten:

Der von Ihnen gewählte Drahtbond-Montagetyp verfügt über unterschiedliche Montagemöglichkeiten. Drahtbonden verwendet normalerweise Golddraht, obwohl Sie stattdessen Kupferdraht verwenden können, wenn Sie eine stickstoffreiche Montageumgebung haben. Wedge-Bonden mit Aluminiumdraht kann eine wirtschaftliche Alternative sein.

Das Ultraschallbonden beginnt mit einer Drahtzuführung durch ein Loch in der Oberfläche einer Bauteilbaugruppe. Der Prozess umfasst eine Chip- und Substratverbindung.

Thermosonic-Bonden ist ein Prozess, der verwendet wird, um Silizium-ICs mit Computern zu verbinden. Der Prozess setzt die Komponenten von Zentraleinheiten zusammen, die die Schaltkreise von PCs und Laptops integrieren.

Thermosonic-Bindungen bestehen aus thermischen, mechanischen und Ultraschallenergien. Die Maschinen, die diesen Prozess durchführen, enthalten Wandler, die elektrische Energie in Piezoelektrizität umwandeln.

Thermokompressionsbonden ist ein Verfahren, das zwei Metalle durch eine Mischung aus Kraft und Wärme verbindet. Das Verfahren wird abwechselnd als Waferbonden, Diffusionsbonden, Festkörperschweißen und Druckfügen bezeichnet. Das Thermokompressionsbonden schützt elektrische Strukturen und Gerätepakete vor der Oberflächenmontage. Das Verfahren beinhaltet die Diffusion der Oberfläche und der Korngrenze.

Verkapselungsmittel

Vergussmassen sind das letzte Stück des IC-Gehäuses und dienen dazu, den Leiter und die Drähte vor Umwelteinflüssen und physikalischen Schäden zu schützen. Sie können aus Epoxid oder Epoxidmischungen, Silikon, Polyimid oder entweder auf Lösungsmittelbasis oder bei Raumtemperatur vulkanisierbar hergestellt werden. Die restlichen Komponenten, die Sie auswählen, hängen von den spezifischen Anforderungen Ihrer integrierten Schaltungen und Ihrer Anwendungen ab.

Leiterplatten können in Industrie- und Automobilumgebungen anfällig für elektrostatischen Staub sein. Um die mechanischen Eigenschaften von Leiterplatten zu schützen, verwenden Hersteller jetzt Vergussharze.

Als Schutzbarriere sind Verguss- und Vergussmassen hochwirksam, um zu verhindern, dass Staub und andere atmosphärische Elemente die Mechanismen von PCBs schädigen. Mit ausreichend Harzen können Vergussmassen Leiterplatten vor den Belastungen durch Vibrationen, Stöße und äußere Elemente schützen. Damit die Anwendung effektiv funktioniert, müssen Harze auf ihre Eignung in verschiedenen potenziellen Arbeitsumgebungen getestet werden. Die Funktionalität der Einheiten in diesen Einstellungen sollte ebenfalls evaluiert werden.

Als Alternative zu Verguss- und Verkapselungsharzen verwenden einige Hersteller konforme Beschichtungen, die sich der Form jeder Platine anpassen und Festigkeit und Haltbarkeit bieten, ohne das Gewicht oder die Abmessungen einer Leiterplatte zu beeinträchtigen. Beschichtungen werden im Allgemeinen in normalen atmosphärischen Umgebungen getestet. Bei jedem Test wird die Auswirkung einer bestimmten Beschichtung auf die elektrischen und mechanischen Fähigkeiten einer zu prüfenden Leiterplatte geprüft.

Einkapselungsmaterialien gibt es in drei Grundvarianten. Das Hauptmaterial ist Epoxid, entweder rein oder gemischt. Epoxide bestehen aus organischen Harzen und sind im Allgemeinen erschwinglich, daher ihre Beliebtheit bei den Herstellern. Ein weiteres weit verbreitetes Material, das zum Einkapseln von IC-Chips verwendet wird, ist Silikon, das nicht auf Kohlenstoff basiert und daher kein organisches Harz ist. Silikonharze sind im Allgemeinen lösungsmittelbasiert. Alternativ sind einige Harze bei Raumtemperatur vulkanisierbar, und der Kontakt mit Feuchtigkeit kann sie aushärten. Silikone sind aufgrund ihrer Flexibilität sowohl bei heißen als auch bei kalten Einstellungen beliebt.

Verguss- und Verkapselungsharze gibt es in verschiedenen Formulierungen, ebenso wie konforme Beschichtungen. Jede Formulierung ist auf einen bestimmten Bereich atmosphärischer Bedingungen abgestimmt. Durch Tests können Hersteller feststellen, welche Formulierungen für bestimmte Umgebungen am besten geeignet sind. Unter normalen Umständen bieten die meisten Arten von Harzen und Beschichtungen einen ausreichenden Schutz für eine Leiterplatte. In raueren Umgebungen erfordert ein Brett im Allgemeinen eine Beschichtung mit einem speziellen Material, wie z. B. Acryl. Wenn die Leiterplatte für den Einsatz unter Wasser vorgesehen ist, gehören besonders widerstandsfähige Beschichtungen zu den am besten geeigneten Optionen.

Aus Silikon hergestellte Harze bieten eine optimale PCB-Leistung in einer Reihe von Umgebungen. Für PCB-Designs ist Silikon im Allgemeinen Polyurethan oder Epoxid vorzuziehen. Zwischen den letzten beiden ist Polyurethan in verschiedenen Umgebungen das zuverlässigere Material. Polyurethanharze können in Meeresumgebungen als Schutz beim Eintauchen in Salzwasser wirksam sein.

IC-Verpackung verstehen

Um auf dem Markt an der Spitze zu bleiben, ist es entscheidend, mit den Trends in der IC-Verpackung Schritt zu halten. Auf diese Weise können Sie wettbewerbsfähig bleiben und die richtigen Investitionen auf dem Markt für IC-Verpackungsmaterialien tätigen. Verschiedene Marktsegmente beeinflussen den Preis, die Popularität und die Verfügbarkeit von Verpackungsmaterialien. Darüber hinaus können Trends auf regionaler Ebene beeinflussen, ob Verpackungsmaterialien in bestimmten Teilen der Welt in der Verwendung steigen oder fallen.

Für Neuigkeiten, Statistiken und Informationen zu Trends auf dem IC-Markt sollten Interessenten den Marktbericht für Halbleiter- und IC-Verpackungsmaterialien lesen, der die Dinge nach Kategorien und Anwendungen aufschlüsselt, alles im Rahmen der IC-Industrie. Experten in der Branche nutzen das Designdatenmanagement, um Informationen zu Designlösungen zu sammeln und zu überprüfen, wobei jeder seine Erkenntnisse als Hersteller, Lieferanten und Einzelhändler einbringt und ein vollständiges Bild aus dem gesamten Wertraster liefert.

Plötzliche, unerwartete Ereignisse können sich jederzeit auf den Markt auswirken, darunter Naturkatastrophen, Klimawandel, politische Umwälzungen, disruptive Technologien und kulturelle Veränderungen. Um als interessierte Partei an der IC-Front den Überblick über IC-Verpackungen zu behalten, müssen Sie Trends in Bezug auf Produktion, Lieferung, Export, Import, Preisgestaltung, Integritätsanalyse und allgemeine Wachstumsrate von Verpackungsmaterialien erkennen und diese regelmäßig untersuchen, damit Sie planen können , budgetieren Sie entsprechend und schützen Sie Ihre Einnahmen.

IC-Gehäuse von Millennium Circuits

Wie Sie sehen, gibt es beim IC-Packaging für elektronische Systeme viele Elemente, und als Akteur in der Elektronikindustrie ist es wichtig, diese zu verstehen und über neue Entwicklungen im Advanced Packaging auf dem Laufenden zu bleiben – insbesondere im Hinblick darauf, wie sie sich auf Ihre Komponenten in Bezug auf die Leistungsanforderungen auswirken . Einige Aspekte des IC-Packaging werden in den kommenden Jahren wahrscheinlich relativ stabil bleiben, während sich andere erheblich ändern können, und Sie sollten dem Spiel immer einen Schritt voraus sein. Wenn Sie wissen, wo Änderungen wahrscheinlich sind, können Sie besser darauf reagieren.

Wenden Sie sich jetzt an die Experten von Millennium Circuits, wenn Sie Fragen zu den verschiedenen Arten von IC-Verpackungen oder irgendetwas im Zusammenhang mit Schaltkreisen oder Leiterplatten haben. Wir sind sehr stolz darauf, unseren Kunden dabei zu helfen, die Elektronik, mit der wir arbeiten, vollständig zu verstehen. Wir stellen Ihnen gerne die Design- und Verifizierungsinformationen zur Verfügung, die Sie benötigen, damit Sie die besten Entscheidungen über elektronische Komponenten für Ihr Unternehmen treffen können.

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