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 de soporte que evita daños físicos y corrosión. La carcasa, conocida como " paquete ", sostiene los contactos eléctricos que conectan el dispositivo a una placa de circuito.
A la fase de empaquetado le sigue la prueba del circuito integrado.
Las trazas que transportan corriente y que salen del chip, atraviesan el encapsulado y llegan a la placa de circuito impreso (PCB) tienen propiedades eléctricas muy diferentes a las señales en el chip. Requieren técnicas de diseño especiales y necesitan mucha más energía eléctrica que las señales confinadas en el 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, al tiempo que minimizan cualquier elemento parásito que pueda afectar negativamente a la señal.
El control de 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 encapsulado del circuito integrado debe resistir roturas físicas, evitar la humedad y también proporcionar una disipación de calor eficaz del chip. Además, para aplicaciones de RF , normalmente se requiere que el encapsulado proteja las interferencias electromagnéticas , que pueden degradar el rendimiento del circuito o afectar negativamente a los circuitos vecinos. Por último, el encapsulado debe permitir la interconexión del chip a una PCB . [1] Los materiales del encapsulado son plástico ( termoendurecible o termoplástico ), metal (normalmente 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, normalmente se prefieren los encapsulados metálicos y cerámicos debido a su mayor resistencia (que también admite diseños con mayor número de pines), disipación de calor, rendimiento hermético u otras razones. Generalmente, los encapsulados cerámicos son más caros que los encapsulados plásticos 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 a tener en cuenta a la hora de elegir el encapsulado de un circuito integrado. Normalmente, un encapsulado de plástico barato puede disipar calor hasta 2 W, lo que es suficiente para muchas aplicaciones sencillas, aunque un encapsulado cerámico similar puede disipar hasta 50 W en el mismo escenario. [1] A medida que los chips dentro del encapsulado se hacen más pequeños y más rápidos, también tienden a calentarse más. A medida que aumenta la necesidad de una disipación de calor más eficaz, aumenta también el costo del encapsulado. Por lo general, cuanto más pequeño y complejo debe ser el encapsulado, más caro es fabricarlo. [3] Se puede utilizar la unión por cable en lugar de técnicas como el chip invertido para reducir los costos. [4]
Los primeros circuitos integrados se empaquetaban en paquetes planos de cerámica , que los militares utilizaron durante muchos años por su fiabilidad y su pequeño tamaño. El otro tipo de empaquetado utilizado en la década de 1970, llamado ICP (Integrated Circuit Package), era un paquete de cerámica (a veces redondo como el paquete de transistores), con los cables en un lado, coaxialmente con el eje del paquete.
El encapsulado de circuitos comerciales rápidamente pasó al encapsulado dual en línea (DIP), primero en cerámica y luego en plástico. [5] En la década de 1980, el número de pines VLSI excedió el límite práctico para el encapsulado DIP, lo que llevó a los encapsulados de matriz de rejilla de pines (PGA) y de portador de chip sin cables (LCC). [6] El encapsulado de montaje superficial apareció a principios de la década de 1980 y se hizo popular a fines de la misma, utilizando un paso de cable más fino con cables formados como ala de gaviota o cable en 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. [6]
La siguiente gran innovación fue el encapsulado de matriz de área , que coloca los terminales de interconexión a lo largo de toda la superficie del encapsulado, lo que proporciona una mayor cantidad de conexiones que los tipos de encapsulado anteriores en los que solo se utiliza el perímetro exterior. El primer encapsulado de matriz de área fue un encapsulado de matriz de rejilla de pines de cerámica . [1] No mucho 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 fines 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 gran número de pines, [1] aunque los paquetes PGA todavía se usan a menudo para microprocesadores . Sin embargo, los líderes de la industria Intel y AMD hicieron la transición en la década de 2000 de los paquetes PGA a los paquetes de matriz de rejilla terrestre (LGA). [8]
Los encapsulados de matriz de rejilla de bolas (BGA) existen desde la década de 1970, pero evolucionaron hacia encapsulados de matriz de rejilla de bolas con chip invertido (FCBGA) en la década de 1990. Los encapsulados FCBGA permiten un conteo de pines mucho mayor que cualquier otro tipo de encapsulado existente. En un encapsulado FCBGA, el chip se monta al revés (volteado) y se conecta a las bolas del encapsulado a través de un sustrato que es similar a una placa de circuito impreso en lugar de cables. Los encapsulados FCBGA permiten que una matriz de señales de entrada y salida (llamadas Area-I/O) se distribuya por todo el chip en lugar de limitarse a la periferia del chip. [9] Los sustratos cerámicos para BGA se reemplazaron con sustratos orgánicos para reducir costos y utilizar las 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 trazas que salen de la matriz, atraviesan el encapsulado y llegan a la placa de circuito impreso tienen propiedades eléctricas muy diferentes a las señales en el chip. Requieren técnicas de diseño especiales y necesitan mucha más energía eléctrica que las señales confinadas en el propio chip.
Los desarrollos recientes consisten en apilar múltiples chips en un único encapsulado llamado SiP ( System In Package , sistema en encapsulado) o circuito integrado tridimensional . La combinación de múltiples chips en un sustrato pequeño, a menudo cerámico, se denomina MCM (Multi-Chip Module, módulo multichip ). El límite entre un MCM grande y una placa de circuito impreso pequeña a veces es difuso. [11]
En el caso de los circuitos integrados tradicionales, después de cortar la oblea , se saca el chip de la oblea cortada con una punta de vacío o una ventosa [12] [13] y se lo somete a una fijación del chip , que es el paso durante el cual se monta y se fija un chip al paquete o la estructura de soporte (cabezal). [14] En aplicaciones de alta potencia, el chip suele estar unido eutécticamente al paquete, por ejemplo, con soldadura de oro-estaño o de oro-silicio (para una buena conducción del calor ). En el caso de aplicaciones de bajo coste y baja potencia, el chip suele pegarse directamente sobre un sustrato (como una placa de circuito impreso ) con un adhesivo epoxi . Alternativamente, los chips se pueden unir con soldadura. Estas técnicas se utilizan normalmente cuando el chip se unirá con cables; los chips con tecnología de chip invertido no utilizan estas técnicas de fijación. [15] [16]
La unión de circuitos integrados también se conoce como unión de matrices, unión de matrices y montaje de matrices. [17]
Las siguientes operaciones se realizan en la etapa de empaquetado, divididas en pasos de unión, encapsulación 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 unión de la matriz de sinterización es un proceso que implica colocar la matriz semiconductora sobre el sustrato y luego someterla a alta temperatura y presión en un entorno controlado. [18]
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