Un paquete de semiconductores 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 de semiconductores (comúnmente de silicio ) antes de cortarlos en dados, probarlos y empaquetarlos. El paquete proporciona un medio para conectarlo al entorno externo, como una placa de circuito impreso , a través de cables como pistas, bolas o pines; 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 la ayuda de un difusor de calor . Hay miles de tipos de paquetes en uso. Algunos están definidos por estándares internacionales, nacionales o de la industria, mientras que otros son particulares de un fabricante individual.
Un encapsulado de semiconductores puede tener tan solo dos conductores o contactos para dispositivos como diodos, o en el caso de microprocesadores avanzados , un encapsulado puede tener varios miles de conexiones. Los encapsulados muy pequeños pueden estar soportados únicamente por sus conductores de 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 encapsulado del semiconductor debe proteger el "chip" del medio ambiente, en particular de la entrada de humedad. Las partículas dispersas o los productos de corrosión dentro del encapsulado pueden degradar el rendimiento del dispositivo o provocar fallas. [1] Un encapsulado hermético prácticamente no permite el intercambio de gases con el entorno; dicha construcción requiere recintos de vidrio, cerámica o metal.
Los fabricantes suelen imprimir el logotipo del fabricante y el número de pieza en el paquete mediante tinta o marcado láser . Esto hace que sea más fácil distinguir los muchos dispositivos diferentes e incompatibles empaquetados en relativamente pocos tipos de paquetes. Las marcas a menudo incluyen 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] típicamente el número de semana ISO .
Los paquetes muy pequeños a menudo incluyen un código de fecha de dos dígitos. Un código de fecha de dos dígitos usa 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 indica enero a septiembre, O indica octubre, N indica noviembre, D indica diciembre).
Para realizar conexiones entre un circuito integrado y los cables del encapsulado, se utilizan uniones por cables , con cables finos conectados desde los cables del encapsulado y unidos a almohadillas conductoras en la matriz del semiconductor. En el exterior del encapsulado, los cables conductores pueden soldarse a una placa de circuito impreso o usarse para asegurar el dispositivo a una tira de etiquetas. Los dispositivos de montaje superficial modernos eliminan la mayoría de los orificios perforados a través de las placas de circuito y tienen cables o almohadillas metálicas cortas en el encapsulado 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 solían insertarse en zócalos, como los tubos de vacío . A medida que los dispositivos fueron mejorando, los zócalos resultaron innecesarios para la fiabilidad y los dispositivos se soldaban directamente a las placas de circuitos impresos. El encapsulado debe soportar los altos gradientes de temperatura de la soldadura sin ejercer tensión sobre el chip semiconductor o sus conductores.
Los zócalos se siguen utilizando para aplicaciones experimentales, de prototipos o educativas, para probar dispositivos, para chips de alto valor como microprocesadores donde el reemplazo sigue siendo más económico que desechar el producto, y para aplicaciones donde el chip contiene firmware o datos únicos que pueden reemplazarse o actualizarse durante la vida útil del producto. Los dispositivos con cientos de cables se pueden insertar en zócalos 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 a los dispositivos semiconductores y una resistencia mecánica para soportar los cables y el manejo del paquete. El plástico puede ser cresol -novolaks, poliimida de siloxano, polixilileno, siliconas, poliepóxidos y bisbenzociclo-buteno. [4] Algunos dispositivos, destinados a entornos de alta confiabilidad o aeroespaciales o de radiación, utilizan paquetes de cerámica, con tapas de metal 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 ensamblaje a un disipador de calor. A menudo, el paquete forma un contacto para el dispositivo semiconductor. Los materiales de los cables deben elegirse con un coeficiente de expansión térmica que coincida con el material del paquete. Se puede utilizar 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]
Unos pocos semiconductores tempranos fueron empaquetados en sobres de vidrio evacuados en miniatura, como bombillas de linternas; este costoso empaque 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 de metal.
Los materiales de empaquetado para memoria dinámica de alta densidad deben seleccionarse para una baja radiación de fondo; una sola partícula alfa emitida por el material del empaquetado puede causar una alteración de un solo evento y errores de memoria transitorios ( errores suaves ).
Tradicionalmente, los vuelos espaciales y las aplicaciones militares utilizaban microcircuitos encapsulados herméticamente (HPM). Sin embargo, la mayoría de los circuitos integrados modernos solo están disponibles como microcircuitos encapsulados en plástico (PEM). Se pueden utilizar prácticas de fabricación adecuadas utilizando PEM debidamente calificados para los vuelos espaciales. [7]
Se pueden ensamblar múltiples matrices de semiconductores y componentes discretos sobre un sustrato cerámico e interconectarlos con uniones por cable. El sustrato lleva conductores para la conexión a un circuito externo y el conjunto se cubre con una cubierta soldada o fritada. Estos dispositivos se utilizan cuando los requisitos superan 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 encapsulado. Estos encapsulados 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 chips separados para elementos como la memoria caché dentro del mismo paquete. En una técnica llamada flip chip , los chips de 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 encapsulados de semiconductores pueden incluir características especiales. Los dispositivos emisores de luz o sensores de luz deben tener una ventana transparente en el encapsulado; otros dispositivos, como los transistores, pueden verse afectados por la luz difusa y requieren un encapsulado opaco. [1] Un dispositivo de memoria de solo lectura programable y borrable por luz ultravioleta necesita una ventana de cuarzo para permitir que la luz ultravioleta ingrese y borre la memoria. Los circuitos integrados con detección de presión requieren un puerto en el encapsulado que se pueda conectar a una fuente de presión de gas o líquido.
Los encapsulados para dispositivos de frecuencia de microondas están diseñados para tener una inductancia y una capacitancia parásitas mínimas en sus conductores. Los dispositivos de impedancia muy alta con corriente de fuga ultrabaja requieren encapsulados que no permitan el flujo de corrientes parásitas 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 de tipo cartucho de metal con una abertura que permitía ajustar el filamento utilizado para hacer contacto con el cristal de germanio ; dichos dispositivos fueron comunes solo por 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 los 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.
