El empaquetado de circuitos integrados es la etapa final de la fabricación de dispositivos semiconductores , en la que la matriz se encapsula en una carcasa de soporte que evita daños físicos y corrosión. El estuche, conocido como " paquete ", soporta los contactos eléctricos que conectan el dispositivo a una placa de circuito.
A la etapa de empaquetado le sigue la prueba del circuito integrado.
Las trazas portadoras de corriente que salen del troquel, atraviesan el paquete y llegan a la placa de circuito impreso (PCB) tienen propiedades eléctricas muy diferentes en comparación con las señales del chip. Requieren técnicas de diseño especiales y necesitan 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 afectar negativamente a la señal.
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 tienen el potencial de 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]
El paquete de circuito integrado debe resistir roturas físicas, evitar la entrada de humedad y también proporcionar una disipación de calor eficaz del chip. Además, para aplicaciones de RF , normalmente se requiere que el paquete proteja las interferencias electromagnéticas , que pueden degradar el rendimiento del circuito o afectar negativamente a los circuitos vecinos. Finalmente, el paquete debe permitir interconectar el chip a una PCB . [1] Los materiales del paquete son 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 resistencia mecánica utilizable, resistencia a la humedad y al calor. Sin embargo, para dispositivos de gama alta, los paquetes metálicos y cerámicos suelen preferirse debido a su mayor resistencia (que también admite diseños con mayor número de pines), disipación de calor, rendimiento hermético u otras razones. Generalmente, los envases cerámicos son más caros que los envases de plástico similares. [3]
Algunos paquetes tienen aletas metálicas para mejorar la transferencia de calor, pero ocupan espacio. Los paquetes más grandes también permiten más pines de interconexión. [1]
El costo es un factor en la selección del empaque de circuito integrado. Normalmente, un paquete de plástico económico puede disipar calor hasta 2 W, lo cual es suficiente para muchas aplicaciones simples, aunque un paquete cerámico similar puede disipar hasta 50 W en el mismo escenario. [1] A medida que los chips dentro del paquete se hacen más pequeños y más rápidos, también tienden a calentarse más. A medida que aumenta la necesidad posterior de una disipación de calor más eficaz, el coste del embalaje también aumenta. Generalmente, cuanto más pequeño y complejo debe ser el paquete, más caro será fabricarlo. [3]
Los primeros circuitos integrados estaban empaquetados en paquetes planos de cerámica , que los militares utilizaron durante muchos años por su confiabilidad y pequeño tamaño. El otro tipo de encapsulado utilizado en la década de 1970, llamado ICP (Paquete de circuito integrado), era un encapsulado cerámico (a veces redondo como el encapsulado de transistores), con los cables en un lado, coaxialmente con el eje del encapsulado.
El empaque de circuitos comerciales pasó rápidamente al paquete dual en línea (DIP), primero en cerámica y luego en plástico. [4] En la década de 1980, el número de pines VLSI superó el límite práctico para el empaquetado DIP, lo que dio lugar a paquetes de matriz de rejilla de pines (PGA) y portadores de chips sin cables (LCC). [5] Los empaques de montaje en superficie aparecieron a principios de los años 1980 y se hicieron populares a finales de los años 1980, utilizando un paso de conductor más fino con conductores formados como ala de gaviota o J, como lo ejemplifica el circuito integrado de contorno pequeño , un portador que ocupa un área aproximadamente entre un 30% y un 50% menos que un DIP equivalente , con un espesor típico que es un 70% menor. [5]
La siguiente gran innovación fue el paquete de matriz de área , que coloca los terminales de interconexión en toda la superficie del paquete, proporcionando una mayor cantidad de conexiones que los tipos de paquetes anteriores donde solo se utilizaba el perímetro exterior. El primer paquete de matriz de áreas fue un paquete de matriz de rejilla de pines cerámicos . [1] No mucho después, el conjunto de rejilla de bolas de plástico (BGA), otro tipo de paquete de conjunto de áreas, se convirtió en una de las técnicas de envasado más utilizadas. [6]
A finales de la década de 1990, los paquetes planos cuádruples de plástico (PQFP) y los paquetes delgados de contorno pequeño (TSOP) reemplazaron a los paquetes PGA como los más comunes para dispositivos con un alto número de pines, [1] aunque los paquetes PGA todavía se usan con frecuencia para microprocesadores . Sin embargo, los líderes de la industria Intel y AMD hicieron la transición en la década de 2000 de paquetes PGA a paquetes Land Grid Array (LGA). [7]
Los paquetes Ball Grid Array (BGA) existen desde la década de 1970, pero evolucionaron hasta convertirse en paquetes Flip-Chip Ball Grid Array (FCBGA) en la década de 1990. Los paquetes FCBGA permiten un número de pines mucho mayor que cualquier tipo de paquete existente. En un paquete FCBGA, el troquel se monta boca abajo (invertido) y se conecta a las bolas del paquete a través de un sustrato similar a una placa de circuito impreso en lugar de mediante cables. Los paquetes FCBGA permiten distribuir una serie de señales de entrada y salida (llamadas Área-I/O) en todo el troquel en lugar de limitarse a la periferia del mismo. [8] Los sustratos cerámicos para BGA se reemplazaron con sustratos orgánicos para reducir costos y utilizar técnicas de fabricación de PCB existentes para producir más paquetes a la vez mediante el uso de paneles de PCB más grandes durante la fabricación. [9]
Los rastros que salen del troquel, a través del paquete y hacia la placa de circuito impreso tienen propiedades eléctricas muy diferentes, en comparación con las señales en el chip. Requieren técnicas de diseño especiales y necesitan mucha más energía eléctrica que las señales confinadas al propio chip.
Los desarrollos recientes consisten en apilar múltiples matrices en un solo paquete llamado SiP, por System In Package , o circuito integrado tridimensional . La combinación de varios troqueles en un sustrato pequeño, a menudo cerámico, se denomina MCM o módulo multichip . El límite entre un MCM grande y una placa de circuito impreso pequeña a veces es borroso. [10]
Después de cortar la oblea en cubitos , la matriz se recoge de la oblea cortada en cubitos utilizando una punta de vacío o una ventosa [11] [12] y se somete a la fijación de la matriz , que es el paso durante el cual se monta y fija una matriz al paquete o estructura de soporte (cabecera). . [13] En aplicaciones de alta potencia, la matriz suele estar unida eutéctica al paquete, utilizando, por ejemplo, soldadura de oro-estaño o oro-silicio (para una buena conducción del calor ). Para aplicaciones de bajo costo y baja potencia, la matriz a menudo se pega directamente sobre un sustrato (como una placa de cableado impreso ) usando un adhesivo epoxi . Alternativamente, se pueden unir matrices mediante soldadura. Estas técnicas se utilizan generalmente cuando el troquel se unirá con alambre; Los troqueles con tecnología flip chip no utilizan estas técnicas de fijación. [14] [15]
Las siguientes operaciones se realizan en la etapa de envasado, desglosadas en los pasos de unión, encapsulación y unión de obleas. Tenga en cuenta que esta lista no es exhaustiva y no todas estas operaciones se realizan para cada paquete, ya que el proceso depende en gran medida del tipo de paquete .
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