Un paquete semiconductor es una carcasa de metal, plástico, vidrio o cerámica que contiene uno o más dispositivos semiconductores discretos o circuitos integrados . Los componentes individuales se fabrican en obleas semiconductoras (comúnmente silicio ) antes de cortarlas en cubitos, probarlas y empaquetarlas. El paquete proporciona un medio para conectarlo al entorno externo, como una placa de circuito impreso , mediante cables como terminales, bolas o pasadores; y protección contra amenazas como impacto mecánico, contaminación química y exposición a la luz. Además, ayuda a disipar el calor producido por el dispositivo, con o sin ayuda de un disipador de calor . Hay miles de tipos de paquetes en uso. Algunos están definidos por estándares internacionales, nacionales o industriales, mientras que otros son específicos de un fabricante individual.
Un paquete de semiconductores puede tener tan solo dos cables o contactos para dispositivos como diodos o, en el caso de microprocesadores avanzados , un paquete puede tener cientos de conexiones. Los paquetes muy pequeños pueden sostenerse únicamente por sus cables. Los dispositivos más grandes, destinados a aplicaciones de alta potencia, se instalan en disipadores de calor cuidadosamente diseñados para que puedan disipar cientos o miles de vatios de calor residual .
Además de proporcionar conexiones al semiconductor y manejar el calor residual, el paquete semiconductor debe proteger el "chip" del medio ambiente, particularmente de la entrada de humedad. Las partículas perdidas o los productos de corrosión dentro del paquete pueden degradar el rendimiento del dispositivo o provocar fallas. [1] Un paquete hermético prácticamente no permite ningún intercambio de gases con el entorno; dicha construcción requiere cerramientos de vidrio, cerámica o metal.
Los fabricantes suelen imprimir (mediante tinta o marcado láser ) el logotipo del fabricante y el número de pieza del fabricante en el paquete, para que sea más fácil distinguir los muchos dispositivos diferentes e incompatibles empaquetados en relativamente pocos tipos de paquetes. Las marcas suelen incluir un código de fecha de 4 dígitos, a menudo representado como YYWW, donde YY se reemplaza por los dos últimos dígitos del año calendario y WW se reemplaza por el número de semana de dos dígitos , [2] [3] generalmente el número de semana ISO. .
Los paquetes muy pequeños suelen incluir un código de fecha de dos dígitos. Un código de fecha de dos dígitos utiliza YW, donde Y es el último dígito del año (0 a 9) y W comienza en 1 al comienzo del año y se incrementa cada 6 semanas (es decir, W es de 1 a 9). [2] Otro código de fecha de dos dígitos, el código de fecha de producción RKM , usa YM, donde Y es una de las 20 letras que se repiten en un ciclo cada 20 años (por ejemplo, "M" se usó para representar 1980, 2000, 2020 , etc.) y M indica el mes de producción (1 a 9 indican enero a septiembre, O indica octubre, N indica noviembre, D indica diciembre).
Para realizar conexiones entre un circuito integrado y los cables del paquete, se utilizan uniones de cables , con cables finos conectados desde los cables del paquete y unidos a almohadillas conductoras en la matriz semiconductora. En el exterior del paquete, los conductores pueden soldarse a una placa de circuito impreso o usarse para asegurar el dispositivo a una tira de etiquetas. Los dispositivos modernos de montaje en superficie eliminan la mayoría de los orificios perforados a través de las placas de circuito y tienen cables o almohadillas metálicos cortos en el paquete que se pueden asegurar mediante soldadura por reflujo en horno. Los dispositivos aeroespaciales en paquetes planos pueden usar cables metálicos planos asegurados a una placa de circuito mediante soldadura por puntos , aunque este tipo de construcción ahora es poco común.
Los primeros dispositivos semiconductores a menudo se insertaban en enchufes, como tubos de vacío . A medida que los dispositivos mejoraron, eventualmente los enchufes resultaron innecesarios para la confiabilidad y los dispositivos se soldaron directamente a las placas de circuito impreso. El paquete debe soportar los altos gradientes de temperatura de la soldadura sin ejercer tensión sobre el chip semiconductor o sus cables.
Los zócalos todavía se utilizan para aplicaciones experimentales, prototipos o educativas, para pruebas de dispositivos, para chips de alto valor como microprocesadores donde el reemplazo es aún más económico que desechar el producto, y para aplicaciones donde el chip contiene firmware o datos únicos que podrían ser reemplazado o actualizado durante la vida útil del producto. Los dispositivos con cientos de cables se pueden insertar en enchufes de fuerza de inserción cero , que también se utilizan en equipos de prueba o programadores de dispositivos.
Muchos dispositivos están moldeados a partir de un plástico epoxi que proporciona una protección adecuada de los dispositivos semiconductores y resistencia mecánica para soportar los cables y el manejo del paquete. El plástico puede ser cresol -novolacas, poliimida de siloxano, polixilileno, siliconas, poliepóxidos y bisbenzociclobuteno. [4] Algunos dispositivos, destinados a entornos de alta confiabilidad o aeroespaciales o de radiación, utilizan paquetes cerámicos, con tapas metálicas que se sueldan después del ensamblaje, o un sello de frita de vidrio . Los paquetes totalmente metálicos se utilizan a menudo con dispositivos de alta potencia (varios vatios o más), ya que conducen bien el calor y permiten un fácil montaje en un disipador de calor. A menudo, el paquete forma un contacto para el dispositivo semiconductor. Los materiales de plomo deben elegirse con un coeficiente de expansión térmica que coincida con el material del paquete. Se puede usar vidrio en el paquete como sustrato del paquete para reducir su expansión térmica y aumentar su rigidez, lo que reduce la deformación y facilita el montaje del paquete en una PCB. [5] [6]
Muy pocos de los primeros semiconductores estaban empaquetados en sobres de vidrio al vacío en miniatura, como bombillas de linterna; Un embalaje tan caro quedó obsoleto cuando se dispuso de pasivación de superficies y técnicas de fabricación mejoradas. [1] Los paquetes de vidrio todavía se usan comúnmente con diodos , y los sellos de vidrio se usan en paquetes de transistores metálicos.
Los materiales del paquete para la memoria dinámica de alta densidad deben seleccionarse para una radiación de fondo baja; una sola partícula alfa emitida por el material del paquete puede causar un evento único y errores de memoria transitorios ( errores suaves ).
Las aplicaciones militares y de vuelos espaciales utilizaban tradicionalmente microcircuitos empaquetados herméticamente (HPM). Sin embargo, la mayoría de los circuitos integrados modernos sólo están disponibles como microcircuitos encapsulados en plástico (PEM). Para los vuelos espaciales se pueden utilizar prácticas de fabricación adecuadas utilizando PEM debidamente calificados. [7]
Se pueden ensamblar múltiples matrices semiconductoras y componentes discretos sobre un sustrato cerámico e interconectarlos mediante uniones de cables. El sustrato lleva conductores para la conexión a un circuito externo y el conjunto se recubre con una cubierta soldada o de frita. Dichos dispositivos se utilizan cuando los requisitos exceden el rendimiento (disipación de calor, ruido, voltaje nominal, corriente de fuga u otras propiedades) disponible en un circuito integrado de una sola matriz, o para mezclar funciones analógicas y digitales en el mismo paquete. Estos paquetes son relativamente caros de fabricar, pero proporcionan la mayoría de los demás beneficios de los circuitos integrados.
Un ejemplo moderno de paquetes de circuitos integrados de múltiples chips serían ciertos modelos de microprocesadores, que pueden incluir matrices separadas para cosas como memoria caché dentro del mismo paquete. En una técnica llamada flip chip , los circuitos integrados digitales se invierten y se sueldan a un soporte de módulo, para ensamblarlos en sistemas grandes. [8] La técnica fue aplicada por IBM en sus computadoras System/360 . [9]
Los paquetes de semiconductores pueden incluir características especiales. Los dispositivos emisores o sensores de luz deben tener una ventana transparente en el paquete; Otros dispositivos, como los transistores, pueden verse afectados por la luz parásita y requieren un paquete opaco. [1] Un dispositivo de memoria de solo lectura programable y borrable por ultravioleta necesita una ventana de cuarzo para permitir que la luz ultravioleta entre y borre la memoria. Los circuitos integrados de detección de presión requieren un puerto en el paquete que pueda conectarse a una fuente de presión de gas o líquido.
Los paquetes para dispositivos de frecuencia de microondas están dispuestos para tener una inductancia y capacitancia parásitas mínimas en sus cables. Los dispositivos de muy alta impedancia con corriente de fuga ultrabaja requieren paquetes que no permitan el flujo de corriente parásita y también pueden tener anillos de protección alrededor de los terminales de entrada. Los dispositivos amplificadores de aislamiento especiales incluyen barreras aislantes de alto voltaje entre la entrada y la salida, lo que permite la conexión a circuitos energizados a 1 kV o más.
Los primeros transistores de contacto puntual utilizaban paquetes metálicos tipo cartucho con una abertura que permitía ajustar el bigote utilizado para hacer contacto con el cristal de germanio ; Estos dispositivos fueron comunes sólo durante un breve tiempo, ya que se desarrollaron tipos más confiables y que requerían menos mano de obra. [1]
Al igual que los tubos de vacío , los estándares de paquetes de semiconductores pueden ser definidos por asociaciones industriales nacionales o internacionales como JEDEC , Pro Electron o EIAJ , o pueden ser propiedad de un solo fabricante.
