Emballage IC

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• Qu'est-ce que l'emballage IC ?
• Pourquoi l'emballage IC est-il important ?
• Qu'est-ce que l'emballage IC ?
• Types de packages IC
• Considérations relatives à la conception des circuits intégrés
• Quel est le type de boîtier IC le plus courant ?
• Matériaux et méthodes d'assemblage des boîtiers IC alternatifs
• Qu'est-ce qu'un matériau de fixation ?
• Types d'assemblages de liaison par fil
• Encapsulants
• Comprendre le packaging IC

Pour qu'un semi-conducteur fonctionne de manière fiable pendant de nombreuses années d'utilisation, il est crucial que chaque puce reste protégée des éléments et des contraintes éventuelles. Cela nous amène à deux questions :qu'est-ce qu'un boîtier de circuit intégré (CI) et pourquoi est-il essentiel pour vos applications électroniques ? Si vous travaillez dans l'industrie électronique et que vous ne savez pas comment le matériel d'emballage IC peut fonctionner pour vous, voici une ventilation de base de l'idée derrière l'emballage IC.

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Qu'est-ce que l'emballage IC ?

L'emballage IC fait référence au matériau qui contient un dispositif semi-conducteur. Le boîtier est un boîtier qui entoure le matériau du circuit pour le protéger de la corrosion ou des dommages physiques et permettre le montage des contacts électriques le reliant à la carte de circuit imprimé (PCB). Il existe de nombreux types de circuits intégrés différents, et par conséquent, il existe différents types de conceptions de systèmes de conditionnement de circuits intégrés à prendre en compte, car différents types de conceptions de circuits auront des besoins différents en ce qui concerne leur coque externe.

Pourquoi l'emballage IC est-il important ?

L'emballage IC est la dernière étape de la production de dispositifs semi-conducteurs. Au cours de cette étape importante, le bloc semi-conducteur est recouvert d'un boîtier qui protège le circuit intégré des éléments externes potentiellement dommageables et des effets corrosifs du vieillissement. Le boîtier est essentiellement un boîtier conçu pour protéger le bloc et également pour favoriser les contacts électriques qui transmettent des signaux à la carte de circuit imprimé d'un appareil électronique.

La technologie des boîtiers de circuits intégrés a évolué depuis les années 1970, lorsque les boîtiers BGA (ball grid array) ont été utilisés pour la première fois par les fabricants de boîtiers électroniques. À l'aube du 21e siècle, de nouvelles options dans les technologies de boîtier ont éclipsé les boîtiers à matrice de broches, à savoir le boîtier plat quadruple en plastique et le boîtier fin à petit contour. Au fil des années 2000, des fabricants comme Intel ont inauguré l'ère des ensembles de réseaux terrestres.

Pendant ce temps, les matrices de grille à billes flip-chip (FCBGA), qui acceptent plus de nombres de broches que les autres types de boîtiers, ont remplacé les BGA. Le FCBGA contient des signaux d'entrée et de sortie sur l'ensemble de la puce, et non uniquement sur les bords.

Types de boîtiers IC

Il existe différentes manières de catégoriser les conceptions d'emballages de circuits intégrés en fonction de leur formation. En tant que tel, il existe deux types de boîtiers de circuits intégrés :le type à grille de connexion et le type à substrat.

Quels sont les noms des types de packages IC ?

Au-delà de la définition structurelle de base d'un package IC, d'autres catégories distinguent les types secondaires d'interconnexion. Vous trouverez ci-dessous de plus amples informations sur les différentes catégories de packages IC :

• Grille de broches : Ceux-ci sont pour le socketing.
• Packages lead-frame et dual-inline : Ces packages sont destinés aux assemblages dans lesquels les broches traversent des trous.
• Paquet de balance à puce : Un boîtier à l'échelle de la puce est un boîtier monopuce montable directement en surface, avec une surface inférieure à 1,2 fois la surface de la matrice.
• Pack plat quadruple : Un emballage à grille de connexion de la variété sans plomb.
• Quad plat sans plomb : Un tout petit boîtier, de la taille d'une puce, utilisé pour le montage en surface.
• Package multipuce : Les boîtiers multipuces, ou modules multipuces, intègrent plusieurs circuits intégrés, composants discrets et puces semi-conductrices sur un substrat, ce qui fait que le boîtier multipuces ressemble à un circuit intégré plus grand.
• Package de tableau de zone : Ces boîtiers offrent des performances maximales tout en économisant de l'espace en permettant d'utiliser n'importe quelle partie de la surface de la puce pour l'interconnexion.

Il est important de noter que de nombreuses entreprises utilisent des packages de réseau de zone. L'exemple le plus important à cet égard est le package BGA, qui se présente sous différents formats, y compris les packages à l'échelle de la puce - parfois appelés packages QFN - et les packages plus grands. La construction BGA implique un substrat organique, et sa meilleure application est dans les structures multipuces. Les modules et packages multipuces sont les principales alternatives aux solutions qui utilisent un format de système sur puce. D'autres options incluent les packages d'interconnexion en deux étapes et à double surface.

De plus, une catégorie pour l'assemblage de circuits intégrés sur tranche, connue sous le nom de conditionnement au niveau de la tranche (WLP), s'est imposée dans le langage de l'industrie. Dans les boîtiers au niveau de la tranche, la construction se produit sur la face de la tranche, créant un boîtier de la taille d'une puce retournée. Un autre package au niveau de la tranche est le conditionnement au niveau de la tranche de déploiement (FOWLP), qui est une version plus avancée des solutions WLP conventionnelles. Contrairement à un WLP où la plaquette est découpée en dés après la fixation des couches externes de l'emballage, la découpe de la plaquette FOWLP se produit en premier.

Considérations relatives à la conception de circuits intégrés

Le choix du bon boîtier IC pour vos applications commence par la connaissance des informations techniques sur le large éventail de considérations de conception qui entrent dans la production de boîtiers IC. Par exemple, vous voudrez connaître les compositions de matériaux et les substrats appropriés pour votre boîtier IC. Il est également important de connaître la différence entre les substrats de boîtiers rigides et en ruban. De nombreuses entreprises envisagent également d'utiliser des stratifiés comme alternatives aux grilles de connexion et sélectionnent des substrats qui fonctionnent bien avec les conducteurs métalliques.

En savoir plus sur certaines des principales considérations de conception ci-dessous.

Composition du matériau

La performance d'un boîtier IC repose en grande partie sur sa composition chimique, électrique et matérielle. Malgré leurs différences fonctionnelles, les boîtiers à grille de connexion et les boîtiers stratifiés dépendent tous deux fortement de la composition des matériaux. Les boîtiers à grille de connexion, le format dominant, utilisent des finitions en fil d'argent ou d'or, attachées avec une méthode de placage ponctuel. Cela rend le processus plus simple et plus abordable.

Sur les boîtiers en céramique, l'alliage 42 est un type de métal largement utilisé car il fonctionne avec le matériau sous-jacent. Sur les boîtiers en plastique, la grille de connexion en cuivre est préférable car elle protège le joint de soudure et offre une conductivité. En raison des politiques en vigueur dans certains territoires, le matériau est également l'un des facteurs critiques des emballages en plastique à montage en surface.

En raison des révisions des normes européennes, la finition au plomb a fait l'objet d'un examen minutieux lors de l'assemblage des emballages de niveau supérieur. L'objectif a été de trouver des substituts viables aux soudures étain-plomb, qui sont faciles à appliquer et qui sont depuis longtemps un élément de base dans l'industrie. Cependant, les fabricants doivent encore s'unir autour d'une solution unique, en partie à cause de la concurrence généralisée entre les fournisseurs. Il est peu probable que le problème de plomb se résolve de lui-même avant un certain temps.

Alternative aux cadres de plomb

À partir de la fin des années 1970, les stratifiés sont apparus comme une alternative aux grilles de connexion dans les assemblages puce-à-carte. Aujourd'hui, les stratifiés sont répandus dans l'industrie des solutions d'emballage de circuits intégrés, en raison de leur rapport coût-efficacité par rapport aux substrats en céramique. Les stratifiés les plus populaires sont les types organiques à haute température, qui offrent des caractéristiques électriques supérieures et sont également plus abordables.

Substrats applicables

Au milieu de la popularité croissante des boîtiers semi-conducteurs, il y a également eu une demande accrue de substrats et d'interposeurs applicables. Un substrat est la partie d'un boîtier IC qui confère à la carte sa résistance mécanique et lui permet de se connecter à des périphériques externes. L'interposeur active le routage connectif dans le package. Dans certains cas, les mots "substrat" ​​et "interposeur" sont interchangeables.

Différence entre les substrats de paquet rigides et de bande

Les substrats d'emballage sont disponibles en variétés rigides et en ruban. Les substrats rigides sont fermes et définis dans leur forme, tandis que les substrats de bande sont minces et flexibles. Au début de la fabrication des circuits intégrés, les substrats étaient constitués de matériau céramique. Aujourd'hui, la plupart des substrats sont en matière organique.

Si un substrat est constitué de plusieurs couches minces empilées pour former un substrat rigide, il est connu sous le nom de substrat stratifié. Deux des substrats stratifiés les plus courants dans la fabrication de circuits intégrés sont le FR4 et le bismaléimide-triazine (BT). Le premier est constitué d'époxy, tandis que le second est un matériau en résine de haute qualité.

En partie en raison de ses qualités d'isolation et de sa faible constante diélectrique, la résine BT s'est imposée dans l'industrie des circuits intégrés comme l'un des matériaux stratifiés privilégiés. Sur les BGA, BT est le plus couramment utilisé de tous les substrats. Le BT est également devenu la résine préférée pour les stratifiés de boîtiers à l'échelle de la puce (CSP). Pendant ce temps, des concurrents du monde entier fabriquent de nouvelles alternatives à l'époxy et aux mélanges d'époxy, qui menacent de donner du fil à retordre à BT, réduisant éventuellement les prix dans l'ensemble à mesure que le marché deviendra plus concurrentiel dans les années à venir.

Comme alternative aux substrats rigides, les substrats de bande sont principalement constitués de polyimide et d'autres types de matériaux durables et tolérants à la température. L'avantage des substrats de bande est leur capacité à déplacer et à transporter simultanément des circuits, ce qui fait des substrats de bande le choix préféré dans les lecteurs de disque et autres dispositifs qui transportent des circuits dans un mouvement rapide et constant. L'autre avantage principal des substrats de bande est leur faible poids, ce qui signifie qu'ils n'ajoutent même pas la moindre dimension de lourdeur à une surface appliquée.

Substrats pour aider les conducteurs métalliques

Les boîtiers de circuits intégrés doivent également être équipés de conducteurs métalliques capables d'acheminer les signaux vers diverses fonctionnalités d'interconnexion. Par conséquent, il est essentiel que les substrats facilitent ce processus. Les substrats acheminent les signaux d'entrée et de sortie d'une puce vers d'autres fonctionnalités d'un système en boîtiers. Le placement d'une feuille, généralement en cuivre, qui est liée aux stratifiés dans le substrat permet d'obtenir la conductivité du métal. Des couches d'immersion d'or et de nickel sont souvent appliquées comme finitions sur le cuivre pour empêcher l'interdiffusion et l'oxydation.

Quels sont les types de boîtiers IC les plus courants ?

Les grilles de connexion sont les types de boîtiers IC les plus courants. Vous utiliseriez ces boîtiers pour les matrices interconnectées par liaison par fil, avec une finition argentée ou plaquée or. Pour les boîtiers en plastique à montage en surface, les fabricants utilisent souvent des matériaux de grille de connexion en cuivre. Le cuivre est hautement conducteur et extrêmement conforme, il peut donc être bénéfique à cette fin.

Matériaux et méthodes d'assemblage alternatifs pour l'emballage IC

De nombreux fabricants essaient de s'éloigner des boîtiers de circuits intégrés à grille de connexion à finition en plomb, mais ils sont utilisés si fréquemment depuis si longtemps que c'est une transition difficile pour certains. Les packages les plus courants sont les suivants :

• Packages en ligne double : Un boîtier en ligne double se compose de deux rangées de broches électriques le long des bords horizontaux d'une pièce IC rectangulaire. Un boîtier en ligne double se monte sur une carte de circuit imprimé avec un trou traversant ou une prise.
• Petits packages : Un boîtier mince à petit contour (TSOP) est un composant IC qui se compose d'une forme rectangulaire avec de petites broches le long des bords horizontaux. Les TSOP sont courants sur les circuits intégrés qui alimentent la RAM et la mémoire flash.
• Forfaits plats quad : Un boîtier plat quadruple (QFP) est un composant IC plat et carré avec des fils le long de chacun des quatre bords. Les QFP ne peuvent pas être montés à travers le trou et les sockets sont rarement disponibles pour les packages de ce type. Les QFP peuvent avoir aussi peu que 32 broches ou jusqu'à 304 broches, selon la plage de pas. Les variantes du QFP incluent le profil bas et le mince. Les fabricants d'électronique japonais ont utilisé les QFP pour la première fois dans les années 1970, bien que ce type de boîtier n'ait pas gagné du terrain en Amérique du Nord et en Europe avant le début des années 90.
• Tableaux de grille à billes : Un BGA est un boîtier à montage en surface portant une puce couramment utilisé dans les équipements informatiques. Contrairement aux autres packages IC, où seul le périmètre peut se connecter, toute la surface inférieure peut être montée sur un BGA. En raison des connexions à billes plus courtes, les BGA offrent certaines des vitesses les plus élevées de tous les packages IC. Les BGA sont courants sur les clés RAM et les cartes USB, y compris les cartes RAM et haut-parleur. Le processus de soudure sur un BGA nécessite de la précision.

Les boîtiers de substrat, tels que les boîtiers à base de céramique, nécessiteront un alliage dont le coefficient de dilatation thermique (CTE) est similaire à celui de la céramique, comme Iconel ou Alloy 42. Dans le processus de fixation de la matrice, nous collons la matrice au substrat avec une matrice spéciale -attacher des matériaux, que nous pouvons utiliser dans l'assemblage par liaison filaire face vers le haut. Il est crucial d'éviter les espaces dans le matériau attaché, car ceux-ci peuvent conduire à des points chauds. Un bon matériau de fixation de matrice est électriquement et thermiquement conducteur, ce qui le rend idéal pour les boîtiers de substrat.

Vous utiliserez plutôt le stratifié si vous avez besoin de performances supérieures ou si vous avez affaire à un nombre élevé d'E/S. Les boîtiers stratifiés sont une excellente alternative peu coûteuse aux substrats céramiques et ont également une constante diélectrique inférieure.

Qu'est-ce qu'un matériau de fixation ?

Ce type de boîtier IC remplit deux fonctions principales. Le premier est de protéger la matrice des dommages que des facteurs externes pourraient causer. La seconde consiste à redistribuer l'entrée et la sortie à un pas fin gérable. De plus, le boîtier fournit une structure standardisée qui dirige correctement le chemin thermique, loin de la puce empilée. Dans l'ensemble, la structure est mieux adaptée aux tests électriques et plus résistante aux erreurs.

Les matériaux de fixation de matrice sont des matériaux liquides ou en film que les fabricants conçoivent pour éviter le dégazage, ce qui pourrait dégrader la qualité de la liaison par fil. Ces matériaux servent également de tampon de contrainte, de sorte que la matrice ne se fracture pas si le CTE ne correspond pas tout à fait au substrat.

Il existe différentes méthodes d'application de matériaux de fixation de matrice, dont certaines sont plus compliquées que d'autres. Pour la majorité des utilisations, le die-attach est appliqué sur les assemblages où la liaison par fil se trouve sur la face de la surface. Dans tous les cas, les matériaux de fixation de matrice sont thermiquement conducteurs. Sur certains assemblages, die-attach fournit également une conductivité électrique. Pour éviter que les points ne deviennent trop chauds avec la matrice, les fabricants cherchent généralement à éviter les vides dans le matériau. Les matériaux de fixation des matrices, à la fois liquides et en film, résistent au dégazage et protègent les matrices contre les dommages.

Types d'assemblage de liaison par fil

Les assemblages de liaison par fil sont disponibles en trois formats :

• Collage par thermocompression
• Collage par billes thermosoniques
• Couplage par ultrasons à température ambiante

Le type d'assemblage de liaison par fil que vous choisissez viendra avec différentes capacités d'assemblage. La liaison par fil utilise généralement du fil d'or, bien que vous puissiez utiliser du fil de cuivre à la place si vous avez un environnement d'assemblage riche en azote. Le collage par coin avec du fil d'aluminium peut être une alternative économique.

La liaison par ultrasons commence par une alimentation en fil à travers un trou dans la surface d'un assemblage de composants. Le processus comprend une liaison matrice et substrat.

La liaison thermosonique est un processus utilisé pour connecter des circuits intégrés en silicium à des ordinateurs. Le processus assemble les composants des unités centrales de traitement, qui intègrent les circuits des ordinateurs personnels et des ordinateurs portables.

Les liaisons thermosoniques sont composées d'énergies thermiques, mécaniques et ultrasonores. Les machines qui réalisent ce processus contiennent des transducteurs qui transforment l'énergie électrique en piézoélectricité.

Le collage par thermocompression est une méthode qui relie deux métaux par un mélange de force et de chaleur. La méthode est alternativement appelée collage de plaquettes, collage par diffusion, soudage à l'état solide et assemblage par pression. La liaison par thermocompression protège les structures électriques et les boîtiers d'appareils avant le montage en surface. La méthode comprend la diffusion de la surface et du joint de grain.

Encapsulants

Les encapsulants sont la dernière pièce du boîtier IC et servent à protéger le conducteur et les fils contre les dommages environnementaux et physiques. Ils peuvent être fabriqués à partir d'époxy ou de mélanges d'époxy, de silicone, de polyimide ou vulcanisables à base de solvant ou à température ambiante. Le reste des composants que vous choisirez dépendra des besoins spécifiques de vos circuits intégrés et de vos applications.

Les cartes de circuits imprimés peuvent être vulnérables à la poussière électrostatique dans les environnements industriels et automobiles. Pour protéger les propriétés mécaniques des PCB, les fabricants utilisent désormais des résines d'encapsulation.

En tant que barrière protectrice, l'empotage et les encapsulants sont très efficaces pour empêcher la poussière et d'autres éléments atmosphériques de nuire aux mécanismes des PCB. Avec suffisamment de résines, les encapsulants peuvent protéger les PCB des contraintes des vibrations, des chocs et des éléments externes. Pour que l'application fonctionne efficacement, les résines doivent être testées pour leur adéquation dans divers environnements de travail potentiels. La fonctionnalité des unités dans ces paramètres doit également être évaluée.

Comme alternative aux résines d'enrobage et d'encapsulation, certains fabricants utilisent des revêtements conformes, qui épousent la forme de chaque carte et offrent résistance et durabilité, sans affecter le poids ou les dimensions d'un PCB. Les revêtements sont généralement testés dans des conditions atmosphériques normales. Chaque test place l'effet d'un revêtement donné sur les capacités électriques et mécaniques d'un PCB en cours d'examen.

Les matériaux d'encapsulation se déclinent en trois variétés de base. Le matériau principal est l'époxy, pur ou mélangé. Les époxy sont constitués de résines organiques et sont généralement abordables, d'où leur popularité auprès des fabricants. Un autre matériau largement utilisé dans les puces IC d'encapsulation est le silicone, qui n'est pas à base de carbone et n'est donc pas une résine organique. Les résines de silicone sont généralement à base de solvant. Alternativement, certaines résines sont vulcanisables à température ambiante et le contact avec l'humidité peut les durcir. Les silicones sont populaires en raison de leur flexibilité à chaud comme à froid.

Les résines d'enrobage et d'encapsulation se présentent sous plusieurs formulations différentes, tout comme les revêtements conformes. Chaque formulation est équilibrée pour une gamme spécifique de conditions atmosphériques. Grâce à des tests, les fabricants peuvent déterminer quelles formulations sont les mieux adaptées à des environnements particuliers. Dans une situation normale, la plupart des types de résines et de revêtements offrent une protection suffisante pour un PCB. Dans des conditions plus difficiles, une planche nécessitera généralement une couche de matériau spécial, tel que l'acrylique. Si le PCB est destiné à être utilisé dans un environnement immergé, les couches extra-résistantes sont parmi les options les plus appropriées.

Les résines en silicone offrent des performances PCB optimales dans une gamme d'environnements. Pour les conceptions de PCB, le silicone est généralement préférable au polyuréthane ou à l'époxy. Entre ces deux derniers, le polyuréthane est le matériau le plus fiable dans divers contextes. Les résines de polyuréthane peuvent être efficaces en milieu marin comme protection en immersion dans l'eau salée.

Comprendre le packaging IC

Pour rester au top du marché, il est crucial de se tenir au courant des tendances en matière d'emballage IC. De cette façon, vous pouvez rester compétitif et faire les bons investissements sur le marché des matériaux d'emballage IC. Divers segments de marché affectent le prix, la popularité et la disponibilité des matériaux d'emballage. De plus, les tendances à l'échelle régionale peuvent avoir un impact sur l'augmentation et la baisse de l'utilisation des matériaux d'emballage dans certaines régions du monde.

Pour des nouvelles, des statistiques et des informations sur les tendances du marché des circuits intégrés, les parties intéressées doivent lire le rapport sur le marché des semi-conducteurs et des matériaux d'emballage IC, qui décompose les choses selon les catégories et les applications, le tout dans le cadre de l'industrie des circuits intégrés. Les experts du secteur utilisent la gestion des données de conception pour collecter et examiner les informations sur les solutions de conception, chacun apportant ses idées en tant que fabricants, fournisseurs et détaillants et fournissant une image complète de l'ensemble de la grille de valeur.

À tout moment, des événements soudains et inattendus peuvent avoir un impact sur le marché, notamment les catastrophes naturelles, le changement climatique, les bouleversements politiques, les technologies perturbatrices et les changements culturels. En tant que partie intéressée sur le front IC, rester au top des emballages IC vous oblige à reconnaître les tendances concernant la production, l'approvisionnement, l'exportation, l'importation, la tarification, l'analyse de l'intégrité et le taux de croissance global des matériaux d'emballage, et à les examiner régulièrement afin que vous puissiez planifier , établissez un budget en conséquence et protégez vos revenus.

Emballage IC de Millennium Circuits

Comme vous pouvez le voir, il existe de nombreux éléments dans l'emballage IC pour les systèmes électroniques, et en tant qu'acteur de l'industrie électronique, il est essentiel de les comprendre et de se tenir au courant des nouveaux développements dans l'emballage avancé, en particulier en ce qui concerne la façon dont ils affectent vos composants concernant les exigences de performance. . Certains aspects de l'emballage IC resteront probablement relativement stables dans les années à venir, tandis que d'autres peuvent changer de manière significative, et vous voudrez garder une longueur d'avance. Savoir où les changements sont susceptibles de se produire vous permet de mieux y réagir.

Si vous avez des questions sur les différents types d'emballages de circuits intégrés ou sur tout ce qui concerne les circuits ou les cartes de circuits imprimés, contactez dès maintenant les experts de Millennium Circuits. Nous sommes extrêmement fiers d'aider nos clients à avoir une compréhension complète de l'électronique avec laquelle nous travaillons. Nous sommes heureux de vous fournir les informations de conception et de vérification dont vous avez besoin afin que vous puissiez prendre les meilleures décisions concernant les composants électroniques pour votre entreprise.

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