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encapsulado de circuitos integrados

Sección transversal de un paquete dual en línea . Este tipo de paquete aloja un pequeño chip semiconductor , con cables microscópicos que unen el chip a los marcos de conexión ,...

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Sección transversal de un paquete dual en línea . Este tipo de paquete aloja un pequeño chip semiconductor , con cables microscópicos que unen el chip a los marcos de conexión , lo que permite realizar conexiones eléctricas a una placa de circuito impreso (PCB) .
Cinta de marco de conexión metálico para circuitos integrados de doble inserción en línea (DIP) con contactos

El encapsulado de circuitos integrados es la etapa final de la fabricación de dispositivos semiconductores , en la que el chip se encapsula en una carcasa que lo protege de daños físicos y corrosión. Esta carcasa, conocida como " paquete ", soporta los contactos eléctricos que conectan el dispositivo a la placa de circuito impreso.

Tras la fase de empaquetado, se procede a la prueba del circuito integrado.

Consideraciones de diseño

Varios encapsulados de circuitos integrados (de izquierda a derecha): TSSOP-32, TQFP-100, SO-20, SO-14, SSOP-28, SSOP-16, SO-8, QFN-28

Eléctrico

Las pistas conductoras de corriente que salen del chip, atraviesan el encapsulado y llegan a la placa de circuito impreso (PCB) tienen propiedades eléctricas muy diferentes a las de las señales dentro del chip. Requieren técnicas de diseño especiales y mucha más energía eléctrica que las señales confinadas al propio chip. Por lo tanto, es importante que los materiales utilizados como contactos eléctricos presenten características como baja resistencia, baja capacitancia y baja inductancia. [ 1 ] Tanto la estructura como los materiales deben priorizar las propiedades de transmisión de la señal, minimizando al mismo tiempo cualquier elemento parásito que pueda afectarla negativamente.

Controlar estas características se está volviendo cada vez más importante a medida que el resto de la tecnología comienza a acelerarse. Los retrasos en el empaquetado pueden representar casi la mitad del retraso de una computadora de alto rendimiento, y se espera que este cuello de botella en la velocidad aumente. [ 1 ]

Mecánica y térmica

El encapsulado del circuito integrado debe resistir roturas físicas, evitar la entrada de humedad y proporcionar una disipación de calor eficaz del chip. Además, para aplicaciones de radiofrecuencia (RF) , el encapsulado suele requerir blindaje contra interferencias electromagnéticas , que pueden degradar el rendimiento del circuito o afectar negativamente a los circuitos vecinos. Finalmente, el encapsulado debe permitir la interconexión del chip a una placa de circuito impreso ( PCB ). [ 1 ] Los materiales del encapsulado pueden ser plástico ( termoestable o termoplástico ), metal (comúnmente Kovar ) o cerámica. Un plástico común utilizado para esto es el epoxi - cresol - novolak (ECN). [ 2 ] Los tres tipos de materiales ofrecen una resistencia mecánica, a la humedad y al calor adecuadas. Sin embargo, para dispositivos de gama alta, se suelen preferir los encapsulados metálicos y cerámicos debido a su mayor resistencia (que también admite diseños con mayor número de pines), disipación de calor, hermeticidad u otras razones. Generalmente, los encapsulados cerámicos son más caros que los encapsulados plásticos similares. [ 3 ]

Algunos encapsulados tienen aletas metálicas para mejorar la transferencia de calor, pero estas ocupan espacio. Los encapsulados más grandes también permiten más pines de interconexión. [ 1 ]

Económico

El costo es un factor en la selección del encapsulado de circuitos integrados. Por lo general, un encapsulado de plástico económico puede disipar calor hasta 2 W, lo cual es suficiente para muchas aplicaciones simples, aunque un encapsulado cerámico similar puede disipar hasta 50 W en el mismo escenario. [ 1 ] A medida que los chips dentro del encapsulado se vuelven más pequeños y rápidos, también tienden a calentarse más. A medida que aumenta la necesidad de una disipación de calor más efectiva, el costo del encapsulado aumenta con ella. Generalmente, cuanto más pequeño y complejo deba ser el encapsulado, más caro será su fabricación. [ 3 ] Se puede utilizar la unión de cables en lugar de técnicas como flip-chip para reducir costos. [ 4 ]

Historia

Circuito integrado de tamaño reducido. Este encapsulado tiene 16 terminales en forma de "ala de gaviota" que sobresalen de los dos lados largos y una separación entre terminales de 0,050 pulgadas.

Los primeros circuitos integrados se empaquetaban en encapsulados planos de cerámica , que el ejército utilizó durante muchos años por su fiabilidad y pequeño tamaño. El otro tipo de encapsulado utilizado en la década de 1970, llamado ICP (Integrated Circuit Package), era un encapsulado de cerámica (a veces redondo, como el encapsulado de transistores), con los terminales en un lado, coaxialmente con el eje del encapsulado.

El empaquetado de circuitos comerciales pasó rápidamente al paquete de doble línea (DIP), primero en cerámica y luego en plástico. [ 5 ] En la década de 1980, el número de pines de VLSI superó el límite práctico para el empaquetado DIP, lo que llevó a los paquetes de matriz de cuadrícula de pines (PGA) y portador de chip sin plomo (LCC). [ 6 ] El empaquetado de montaje superficial apareció a principios de la década de 1980 y se popularizó a finales de la misma década, utilizando un paso de pines más fino con pines formados como alas de gaviota o J, como se ejemplifica en el circuito integrado de contorno pequeño , un portador que ocupa un área aproximadamente entre un 30 y un 50 % menor que un DIP equivalente , con un grosor típico un 70 % menor. [ 6 ]

Circuito integrado de fabricación soviética temprana. El pequeño bloque de material semiconductor (el "chip") está encerrado dentro de la carcasa metálica redonda (el "paquete").

La siguiente gran innovación fue el encapsulado de matriz de área , que coloca los terminales de interconexión en toda la superficie del encapsulado, proporcionando un mayor número de conexiones que los tipos de encapsulado anteriores, donde solo se utiliza el perímetro exterior. El primer encapsulado de matriz de área fue un encapsulado de matriz de rejilla de pines cerámicos . [ 1 ] Poco después, la matriz de rejilla de bolas de plástico (BGA), otro tipo de encapsulado de matriz de área, se convirtió en una de las técnicas de encapsulado más utilizadas. [ 7 ]

A finales de la década de 1990, los encapsulados PQFP ( plastic quad flat pack ) y TSOP ( thin small-outline package ) reemplazaron a los encapsulados PGA como los más comunes para dispositivos con un alto número de pines, [ 1 ] aunque los encapsulados PGA todavía se utilizan con frecuencia para microprocesadores . Sin embargo, los líderes de la industria, Intel y AMD, hicieron la transición en la década de 2000 de los encapsulados PGA a los encapsulados LGA ( land grid array ). [ 8 ]

Los encapsulados de matriz de rejilla de bolas (BGA) existen desde la década de 1970, pero evolucionaron a encapsulados de matriz de rejilla de bolas de chip invertido (FCBGA) en la década de 1990. Los encapsulados FCBGA permiten un número de pines mucho mayor que cualquier otro tipo de encapsulado existente. En un encapsulado FCBGA, el chip se monta al revés (invertido) y se conecta a las bolas del encapsulado a través de un sustrato similar a una placa de circuito impreso, en lugar de mediante cables. Los encapsulados FCBGA permiten que una matriz de señales de entrada/salida (denominada E/S de área ) se distribuya por todo el chip en lugar de estar confinada a la periferia del mismo. [ 9 ] Los sustratos cerámicos para BGA se reemplazaron por sustratos orgánicos para reducir costos y utilizar técnicas de fabricación de PCB existentes para producir más encapsulados a la vez mediante el uso de paneles de PCB más grandes durante la fabricación. [ 10 ]

Las pistas que salen del chip, atraviesan el encapsulado y llegan a la placa de circuito impreso tienen propiedades eléctricas muy diferentes a las de las señales dentro del chip. Requieren técnicas de diseño especiales y mucha más energía eléctrica que las señales confinadas al propio chip.

Los desarrollos recientes consisten en apilar múltiples chips en un solo paquete llamado SiP, por sistema en paquete , o circuito integrado tridimensional . La combinación de múltiples chips en un sustrato pequeño, a menudo cerámico, se llama MCM, o módulo multichip . El límite entre un MCM grande y una placa de circuito impreso pequeña a veces es difuso. [ 11 ]

Tipos de paquetes comunes

A la izquierda se muestra una radiografía de la placa de circuito impreso derecha , donde se aprecian los marcos de conexión metálicos dentro de los encapsulados de los circuitos integrados.

Operaciones

Para los circuitos integrados tradicionales, después del corte de la oblea , el chip se extrae de la oblea cortada mediante una punta de vacío o una ventosa [ 12 ] [ 13 ] y se somete a la fijación del chip , que es el paso durante el cual un chip se monta y fija al encapsulado o estructura de soporte (cabezal). [ 14 ] En aplicaciones de alta potencia, el chip generalmente se une eutécticamente al encapsulado, utilizando, por ejemplo, soldadura de oro-estaño u oro-silicio (para una buena conducción del calor ). Para aplicaciones de bajo costo y baja potencia, el chip a menudo se pega directamente a un sustrato (como una placa de circuito impreso ) utilizando un adhesivo epoxi . Alternativamente, los chips se pueden fijar mediante soldadura. Estas técnicas generalmente se utilizan cuando el chip se va a conectar mediante hilos; los chips con tecnología flip-chip no utilizan estas técnicas de fijación. [ 15 ] [ 16 ]

La unión de circuitos integrados también se conoce como unión de chips, fijación de chips y montaje de chips. [ 17 ]

Las siguientes operaciones se realizan durante la etapa de empaquetado, divididas en pasos de unión, encapsulado y unión de obleas. Tenga en cuenta que esta lista no es exhaustiva y que no todas estas operaciones se realizan para cada paquete, ya que el proceso depende en gran medida del tipo de paquete .

La fijación del chip por sinterización es un proceso que consiste en colocar el chip semiconductor sobre el sustrato y luego someterlo a alta temperatura y presión en un entorno controlado. [ 18 ]

Véase también

Referencias

  1. 1 2 3 4 5 6 7 Rabaey, Jan (2007). Circuitos integrados digitales (2.ª  ed.). Prentice Hall, Inc. ISBN 978-0130909961.
  2. ↑ Ardebili, Haleh; Pecht, Michael G. (2009). «Materiales de encapsulación de plástico» . Tecnologías de encapsulación para aplicaciones electrónicas . págs. 47–127 . doi : 10.1016/B978-0-8155-1576-0.50006-1 . ISBN  9780815515760. S2CID 138753417 – vía ResearchGate . 
  3. 1 2 Greig, William (2007). Empaquetado, ensamblaje e interconexiones de circuitos integrados . Springer Science & Business Media. ISBN 9780387339139.
  4. ↑ "Empaquetado por unión de cables frente a empaquetado flip chip | Semiconductor Digest" . 10 de diciembre de 2016.
  5. ↑ Dummer, GWA (1978). Invenciones y descubrimientos electrónicos (2.ª ed.) . Pergamon Press. ISBN 0-08-022730-9.
  6. 1 2 Baker, R. Jacob (2010). CMOS: Diseño, disposición y simulación de circuitos, tercera edición . Wiley-IEEE. ISBN 978-0-470-88132-3.
  7. ↑ Ken Gilleo (2003). Procesos de empaquetado de matrices de área para BGA, Flip Chip y CSP . McGraw-Hill Professional . pág. 251. ISBN  0-07-142829-1.
  8. ↑ "Tecnología de zócalos y encapsulados Land Grid Array (LGA)" (PDF) . Intel . Consultado el 7 de abril de 2016 .
  9. ↑ Riley, George (30 de enero de 2009). "Flipchips: Tutorial n.° 1" . Archivado del original el 30 de enero de 2009. Consultado el 7 de abril de 2016 .
  10. ↑ Materiales para embalaje avanzado . Springer. 17 de diciembre de 2008. ISBN 978-0-387-78219-5.
  11. ↑ R. Wayne Johnson, Mark Strickland y David Gerke, Programa de Componentes y Empaquetado Electrónico de la NASA. " Empaquetado 3D: Una revisión tecnológica ". 23 de junio de 2005. Consultado el 31 de julio de 2015.
  12. ↑ Catálogo de accesorios para troqueles y sistemas de dispensación de fluidos de SPT small precision tools
  13. ↑ "Técnicas y métodos de unión de chips" . 9 de julio de 2012.
  14. ↑ LW Turner (ed.), Electronics Engineers Reference Book , Newnes-Butterworth, 1976, ISBN 0-408-00168-2páginas 11-34 a 11-37
  15. ↑ "Técnicas y métodos de unión de chips" . 9 de julio de 2012.
  16. ↑ Lau, John H. (30 de junio de 1994). Chip on Board: Technology for Multichip Modules . Springer. ISBN 978-0-442-01441-4.
  17. ↑ "¿Qué es el proceso de unión de chips?" . Oricus Semicon Solutions . 01/11/2021 . Consultado el 22/04/2024 .
  18. ↑ Buttay, Cyril, et al. "Fijación de chips de dispositivos de potencia mediante optimización y caracterización del proceso de unión por sinterización de plata." HiTEN 2011. 2011.
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