Chất nền IC - Quá trình phát triển công nghệ đóng gói chip IC

Chip mạch tích hợp cần được đóng gói vì chip phải được cách ly với thế giới bên ngoài để ngăn bụi và tạp chất trong không khí ăn mòn mạch chip

dẫn đến giảm hiệu suất điện hoặc thậm chí hỏng chức năng điện. Bao bì cũng có thể đề cập đến vỏ được sử dụng để gắn chip mạch tích hợp bán dẫn. Nó không chỉ đóng vai trò đặt, cố định, niêm phong, bảo vệ chip và tăng cường độ dẫn nhiệt, "nó cũng là cầu nối giữa thế giới bên trong chip và các mạch bên ngoài trên chip.

Các điểm liên kết được kết nối với các chân của vỏ bọc bằng dây dẫn được kết nối với các thiết bị khác bằng dây trên bảng mạch in. Ngoài ra, có các thông số kỹ thuật tiêu chuẩn cho kích thước, hình dạng, số lượng pin, khoảng cách và chiều dài của gói. Nó không chỉ tạo điều kiện thuận lợi cho việc đóng gói và xử lý mạch tích hợp, mà còn tích hợp mạch tích hợp và bảng mạch in, dây chuyền sản xuất và thiết bị sản xuất liên quan là phổ biến. Điều này rất thuận tiện cho người dùng gói, nhà sản xuất bảng mạch và nhà sản xuất chất bán dẫn và dễ tiêu chuẩn hóa.

Nói chung, gói IC có ba chức năng chính: 1. Bảo vệ vật lý; 2. Kết nối điện; 3. Tiêu chuẩn hóa.

Do đó, bao bì phải có tính chất cơ học mạnh mẽ, tản nhiệt và ổn định hóa học; Hiệu suất điện tốt; Gói IC tiếp tục tiến bộ với sự phát triển của IC. Với sự phát triển liên tục của các ngành công nghiệp quân sự, vũ trụ, hàng không và máy móc, toàn bộ máy cũng đang phát triển theo hướng đa chức năng và thu nhỏ, điều này đòi hỏi tích hợp mạch tích hợp. Ngày càng cao hơn, chức năng ngày càng phức tạp hơn, tương ứng cần mật độ gói IC ngày càng lớn hơn, tần số áp dụng ngày càng cao hơn, khả năng chịu nhiệt tốt hơn, nhiều dây dẫn hơn, khối lượng lớn hơn. Trọng lượng nhỏ hơn, trọng lượng nhẹ hơn.

Lịch sử của bao bì chip IC từ những năm 1960 đến những năm 1970: Bao bì hai cột trực tiếp (DIP) Với sự ra đời của IC, việc sản xuất toàn bộ máy chủ yếu được chi phối bởi các thiết bị tách biệt, được hỗ trợ bởi IC. Tại thời điểm này, nhu cầu kỹ thuật chỉ đơn giản là tìm kiếm một công việc ổn định hơn. Bởi vì một mặt, việc sản xuất chip IC vẫn còn trong giai đoạn sơ khai và mức độ tích hợp thấp; Mặt khác, kích thước của toàn bộ máy, từ ống điện tử đến bóng bán dẫn, giảm đáng kể, vì vậy không có yêu cầu nào hơn đối với việc đóng gói IC. Do đó, ở giai đoạn này, yêu cầu lắp ráp sóng hàn của bảng mạch (PCB) được đáp ứng bằng cách sử dụng gói dễ thực hiện nhất, được đại diện bởi Double Column Direct Plug In (DIP), bổ sung bằng gói Single Column Direct Plug In (SIP) và Pin Grid Array (PGA). Tại thời điểm này, khoảng cách giữa các dây dẫn là khoảng 2,54mm.

Những năm 1980: Bao bì nhựa (PLCC) với tàu sân bay chip dẫn, Bao bì phẳng Quad (QFP) Bao bì nhỏ gọn Với sự ra đời của công nghệ Surface Mount (SMT) vào năm 1978, kích thước của toàn bộ máy giảm và diện tích của bảng mạch giảm. Công nghệ SMT phù hợp với xu hướng phát triển, hàn trở lại thay thế hàn sóng, tiếp tục cải thiện tỷ lệ tốt của PCB, cũng đặt ra yêu cầu mới cho gói IC. Sự phát triển của công nghệ sản xuất chip IC phù hợp với yêu cầu của nó. IC Packing đã phát triển một tàu sân bay chip chì bọc nhựa (PLCC) với khoảng cách chì 1,27mm và một gói phẳng vuông (QFP) với khoảng cách chì 0,8-1,0mm. Hình thức đóng gói nhỏ gọn, được bổ sung bởi các gói như Small Double Row Direct Plug (S-DIP), Pin Pitch 1.778mm, Small Pack (SOP), Pin Spacing 1.778mm và Carrier Tape Automatic Welding Pack (TAP). Các hình thức đang trở nên đa dạng. Tuy nhiên, chỉ có một mục tiêu, đó là giảm diện tích để phù hợp với xu hướng thu nhỏ thiết bị điện tử, mỏng và tự động hóa lắp ráp.

Đầu và giữa những năm 1990: Gói hình dạng nhỏ hẹp hẹp (SSOP), Gói phẳng tứ giác hẹp (SQFP), Gói mảng lưới bóng (BGA) Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ máy tính, ngành công nghiệp máy tính được đại diện bởi máy tính cá nhân (PC) đã trải qua sự phát triển nhanh chóng từ 386 đến 486 đến 586. Với mỗi thế hệ, sự tích hợp IC và tốc độ hỗ trợ sự phát triển của nó đã vượt qua một bước. Một mặt, máy tính mở rộng sang các máy trạm cao cấp và siêu máy tính; Mặt khác, Microsoft nói riêng đã mang lại những thay đổi đáng kể về chất lượng và khối lượng cho ngành công nghiệp máy tính bằng cách giới thiệu hệ điều hành Windows mang tính bước ngoặt, đưa máy tính từ chuyên gia đến dân thường, từ doanh nghiệp đến gia đình. Hiện tại, PLCC, QFP và SOP ban đầu không thể đáp ứng nhu cầu phát triển của họ. Trong PCB SMT, các gói nhỏ hơn và mỏng hơn đã được giới thiệu. Gói hình dạng nhỏ hẹp hẹp (SSOP) được sử dụng với khoảng cách pin. 0,65mm, hẹp khoảng cách bốn cạnh chì phẳng gói (SQFP), pin khoảng cách là 0,65mm như một hình thức đóng gói đại diện; Đặc biệt, hình thức đóng gói của mảng lưới bóng (BGA) với các dây dẫn bên trong đã được đề xuất, trong đó BGA điển hình được sắp xếp hữu cơ. Phần dưới thay thế khung dẫn trong các gói truyền thống, làm tăng đáng kể các chân ra của IC, làm cho việc thực hiện các hình thức QFP 400 chân ban đầu của SMT khó khăn trong BGA trở nên dễ dàng hơn, do đó chức năng tích hợp cao của chip IC có thể được áp dụng trong thực tế.

Khối lượng thông tin trên toàn thế giới đã tăng lên đáng kể vào giữa đến cuối những năm 1990 với sự phát triển của ngành công nghiệp CNTT, sự bùng nổ của truyền thông không dây và sự ra đời của đa phương tiện. Việc trao đổi và truyền tải thông tin và dữ liệu đạt được khối lượng lớn, tốc độ cao và số hóa, thúc đẩy sự phát triển của các thiết bị thông tin điện tử hiệu suất cao và hiệu suất cao. Sự phát triển nhanh chóng của tích hợp và độ tin cậy cao đã làm cho ngành công nghiệp thông tin điện tử phát triển nhanh chóng; Các công nghệ quan trọng hỗ trợ sự phát triển của nó là công nghệ lắp ráp IC, bao gồm đóng gói IC và công nghệ PCB SMT. Gói IC là đơn vị của thiết bị thông tin điện tử. Trong những năm gần đây, nó đã bước vào thời kỳ phát triển nhanh chóng, với các hình thức đóng gói mới liên tục xuất hiện và được áp dụng. Bao bì IC không chỉ là biểu hiện chức năng của chip IC, mà còn là sự bảo vệ của chip; Đồng thời, nó cũng đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về hiệu suất, độ tin cậy, tản nhiệt và phân phối điện với chi phí nhất định, bao gồm các yêu cầu sau: 1) Tốc độ chip và khả năng xử lý được cải thiện đòi hỏi nhiều chân hơn, tần số xung nhịp nhanh hơn và phân phối điện tốt hơn. 2) Cần nhiều chức năng hơn, tiêu thụ điện năng thấp hơn và kích thước nhỏ hơn. 3) Làm cho các thiết bị điện tử lắp ráp mỏng hơn, nhẹ hơn và nhỏ hơn. 4) phù hợp hơn với yêu cầu bảo vệ môi trường. 5) Giá rẻ hơn.

Xu hướng phát triển gói IC

Công nghệ đóng gói đóng vai trò rất lớn trong sự phát triển của vật liệu đóng gói. Đổi lại, sự phát triển của vật liệu đóng gói sẽ tiếp tục thúc đẩy sự phát triển của công nghệ đóng gói. Hai bên xúc tiến lẫn nhau, chế ước lẫn nhau. Trong những năm gần đây, vật liệu đóng gói cho thấy một xu hướng phát triển nhanh chóng. Năm 2003, tổng doanh thu vật liệu đóng gói trên toàn thế giới đạt 7,9 tỷ đô la, bao gồm 2 tỷ đô la cho chất nền đóng gói cứng nhắc, 320 triệu đô la cho chất nền polyimide (PI) dẻo và chất nền liên kết tự động (TAB) vành đai và 2,62 tỷ đô la cho khung dẫn. Trong số đó, 1,28 tỷ USD cho dây dẫn kim loại, 1,25 tỷ USD cho nhựa khuôn, 240 triệu USD cho keo dán và 90 triệu USD cho nhựa polyimide.

Vật liệu đóng gói epoxy lỏng 70 triệu đô la, chất lỏng đáy 40 triệu đô la và quả bóng hàn vi mô 60 triệu đô la. Năm 2008, doanh số bán nguyên liệu đóng gói toàn cầu đạt 12 tỷ USD, với tốc độ tăng trưởng hàng năm là 20%.

Tình trạng hiện tại và xu hướng phát triển của một số vật liệu đóng gói mạch tích hợp có mối quan hệ chặt chẽ nhất và đồng thời là quan trọng nhất được trình bày từng cái một.

Epoxy Die Nhựa (EMC) EMC là một nhà lãnh đạo trong lĩnh vực vật liệu đóng gói mạch tích hợp do chi phí thấp, quy trình đơn giản và phù hợp cho sản xuất hàng loạt. EMC hiện đang được sử dụng trong 97% gói mạch tích hợp trên toàn thế giới. Với sự phát triển nhanh chóng của mạch tích hợp và công nghệ đóng gói, EMC ngày càng thể hiện vai trò cơ bản và hỗ trợ của nó.

Sự phát triển công nghệ của chất bịt kín nhựa epoxy cho thấy các xu hướng sau:

1. Để đáp ứng nhu cầu phát triển VLSI theo hướng mật độ cao và số I/O cao, nó đang hướng tới các hình thức đóng gói thích ứng với mật độ cao và số I/O cao như BGA.) Phương hướng phát triển;

2. Để thích ứng với nhu cầu phát triển nhanh chóng của các sản phẩm điện tử cầm tay được đại diện bởi điện thoại di động, máy tính xách tay, màn hình phẳng, v.v., thích ứng với sự phát triển theo hướng thu nhỏ, mỏng, không đối xứng, gói chi phí thấp (CSP/QFN);

3. Để đáp ứng các yêu cầu của hàn không chì và bảo vệ môi trường xanh, phát triển nhanh chóng theo hướng chịu nhiệt cao và chống cháy không có brôm.

Chất nền đóng gói nhiều lớp mật độ cao Chất nền đóng gói nhiều lớp mật độ cao chủ yếu được sử dụng làm quá trình chuyển đổi điện giữa chip bán dẫn và bảng mạch in truyền thống (PCB), đồng thời cung cấp bảo vệ, hỗ trợ và tản nhiệt cho chip. Chất nền đóng gói chiếm một tỷ lệ đáng kể trong chi phí sản xuất của các thiết bị đóng gói tiên tiến dựa trên BGA và CSP, lên đến 40% -50% và 70% -80%, tương ứng.

Vật liệu đóng gói epoxy lỏng là vật liệu đóng gói đại diện cho sự thay đổi mang tính cách mạng thứ ba trong công nghệ đóng gói vi điện tử. Nó là một trong những vật liệu đóng gói quan trọng cần thiết cho BGA và CSP, chủ yếu bao gồm chất độn epoxy lỏng (underfill) và vật liệu đóng gói chip epoxy lỏng (Encapsulants) Loại 2 cho FC-BGA/CSP.

Polymer nhạy cảm ánh sáng nhựa polymer nhạy cảm ánh sáng chủ yếu bao gồm ba loại: polyimide nhạy cảm ánh sáng (PSPI), BCB nhạy cảm ánh sáng và epoxy nhạy cảm ánh sáng. Chúng chủ yếu được sử dụng trong quá trình sản xuất bóng và tích tụ nhiều lớp (BUM) cho mảng bóng hàn trên bề mặt chip BGA và CSP. Cách nhiệt giữa các lớp của đường tín hiệu mở rộng cơ sở đóng gói là vật liệu đóng gói chính cho BGA/CSP.

Keo dẫn điện/dẫn nhiệt Keo dẫn điện/dẫn nhiệt hiệu suất cao chủ yếu bao gồm keo dẫn điện, keo dẫn nhiệt, v.v., chủ yếu được sử dụng để dán chip IC vào khung dẫn hoặc chất nền. Keo dẫn điện và keo dẫn nhiệt phổ biến nhất trên thị trường hiện nay chủ yếu là nhựa epoxy hoặc este polyurethane, nhựa silicone và như vậy là nhựa ma trận, làm đầy bột bạc dẫn điện dạng tấm (hoặc nhôm oxit, silicon nitride, v.v.), sau đó thêm chất đóng rắn, chất gia tốc, chất hoạt động bề mặt, chất kết nối, v.v., để đạt được hiệu suất toàn diện mong muốn. Đồng thời, để đáp ứng các yêu cầu về khả năng chịu nhiệt cao của các sản phẩm điện tử, polyimide cũng có thể được sử dụng làm nhựa ma trận. Keo dẫn điện epoxy có thể được chia thành hai loại: keo dẫn điện đẳng hướng và keo dẫn điện đẳng hướng. Tùy thuộc vào thành phần, keo dẫn điện epoxy được chia thành hai dạng một thành phần và hai thành phần. Hiện nay, một thành phần duy nhất là hình thức chính.

Xử lý tĩnh điện của hệ thống đóng gói Với sự phát triển của công nghệ mạch tích hợp micron, submicron, submicron sâu và nanomet, lớp cách điện bên trong của mạch tích hợp ngày càng mỏng hơn, hiệu suất chống tĩnh điện của nó ngày càng yếu hơn, việc sử dụng quy mô lớn các vật liệu tạo ra và tích lũy điện tích (như nhựa, cao su, v.v.) và bảo vệ tĩnh không đầy đủ trong quá trình sử dụng, dẫn đến thiệt hại ngày càng nghiêm trọng đối với mạch tích hợp do xả tĩnh. Vì vậy, việc xây dựng các biện pháp bảo vệ tĩnh điện liên quan là điều bắt buộc. Bảo vệ tĩnh mạch tích hợp cần được xem xét kết hợp nhiều yếu tố như thiết kế chip, gia công wafer và đóng gói. Xả tĩnh có mối quan hệ không thể tách rời với hiệu suất, tỷ lệ tốt và độ tin cậy của mạch tích hợp. Chip thường được thiết kế bởi cấu trúc mạch bảo vệ ESD kẹp điện, kiến trúc mạch bảo vệ ESD của xe buýt điện và phân luồng dòng điện. Nó sử dụng lưới bán nổi, chấn lưu, khớp nối nền và các công nghệ khác để cải thiện mạch, do đó bảo vệ mạch hiệu quả trong quá trình xả tĩnh điện. Các biện pháp bảo vệ tĩnh điện cho dây chuyền sản xuất bao bì wafer và mạch tích hợp là tương tự. Xả tĩnh có thể làm hỏng mạch tích hợp, gây ra sự gián đoạn, tiềm năng và chậm hỏng hóc. Mạch bị hỏng hoàn toàn và bị hư hỏng bởi tĩnh điện trong quá trình đóng gói có thể bị từ chối trong quá trình sản xuất hoặc thử nghiệm; Nhưng nếu chúng không bị hư hỏng hoàn toàn bởi phóng điện tĩnh, mạch sẽ có nguy cơ tiềm ẩn về độ tin cậy. Ngay cả với các công cụ phức tạp, rất khó để phát hiện những thay đổi trong hiệu suất. Tuy nhiên, với việc sử dụng mạch, thiệt hại tích lũy do phóng điện tĩnh ngày càng sâu sắc và trở nên nghiêm trọng.

Làm hỏng mạch điện. Do đó, bảo vệ tĩnh điện hệ thống hiệu quả có ý nghĩa quan trọng để đảm bảo chất lượng và độ tin cậy của sản xuất và sản xuất dây chuyền đóng gói mạch tích hợp.

Sự thất bại sớm của mạch tích hợp là yếu tố chính ảnh hưởng đến chất lượng bên trong của thiết bị điện tử và toàn bộ máy. Các hình thức thất bại ban đầu rất đa dạng và miệng núi lửa trên bề mặt chip là một yếu tố quan trọng. Như chúng ta đã biết, gói mạch tích hợp là kết nối chip và khung dẫn bằng dây thông qua hàn báo chí, sau đó đóng gói bằng chất đóng gói nhựa, cung cấp đầu ra và bảo vệ cho chip mạch tích hợp, tránh thiệt hại do con người hoặc các yếu tố môi trường, do đó đảm bảo sự ổn định của mạch tích hợp và có thể hoạt động. Hố đề cập đến hiện tượng lớp nhôm của tấm nhôm của chip và các hợp chất silicon bên dưới bị phá hủy do các yếu tố khác nhau trong quá trình đóng gói mạch thu. Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ thiết kế mạch tích hợp, việc thu nhỏ và tính linh hoạt của chip đã dẫn đến sự xuất hiện của hệ thống dây điện đa lớp trong thiết kế chip và số lượng sản phẩm có thiết bị và mạch dưới tấm nhôm đang tăng lên. Cùng lúc đó, kỹ thuật dây đồng và kỹ thuật cấy bóng cũng xuất hiện. Để cải thiện độ tin cậy của sản phẩm, việc ngăn chặn các đầu hàn IC và thất bại sớm ngày càng trở nên quan trọng theo yêu cầu của khách hàng đối với các sản phẩm chất lượng cao, chi phí thấp như công nghệ đóng gói.

Triển vọng gói IC

Từ quan điểm kỹ thuật, gói IC đã phát triển từ DIP sang WLPCSP và SOC, cho phép chuyển đổi chức năng từ bề mặt sang lớp bên trong, từ đơn giản sang phức tạp. Công nghệ đóng gói trong tương lai sẽ được kết hợp với sản xuất chip SMT và IC, điều này sẽ mang lại hai thái cực cho việc đóng gói IC.

1. Đối với các thiết bị điện tử phức tạp và đa chức năng, việc đóng gói sẽ trở nên phức tạp hơn do nhu cầu thực hiện tích hợp đa chức năng và tích hợp công nghệ sẽ được tăng cường hơn nữa.

2. Do SOC, việc tích hợp hệ thống sẽ làm cho hiệu suất bên ngoài của các thiết bị điện tử có chức năng chung dễ dàng hơn. Các gói IC vẫn sẽ quay trở lại ở một mức độ nào đó.

Từ quan điểm nhu cầu xã hội, từ radio đơn giản đến máy tính cá nhân đến siêu máy tính phức tạp ngày nay, ngành công nghiệp CNTT đang phát triển và nhu cầu xã hội sẽ phân cực: 1. Truyền tải các thiết bị điện tử với công nghệ thông tin công cộng mạnh mẽ và phức tạp hơn, xây dựng cầu nối để truyền tải thông tin ở tốc độ cao. 2. Hàng tiêu dùng điện tử cá nhân nhắm vào nhu cầu cuối cùng của công chúng, chẳng hạn như PC, điện thoại di động, vật tư văn phòng điện tử, v.v., đang hướng tới thu nhỏ và cá nhân hóa: nhu cầu của xã hội cũng sẽ mở rộng theo hướng đa dạng hóa và xanh hóa.

Như bạn có thể thấy từ các quy luật trên, gói IC đã được mở rộng đến mức cao hơn một mặt: mật độ cao, tốc độ cao, độ tin cậy cao, đa dạng và bảo vệ môi trường là xu hướng phát triển và tương lai của nó. Mặt khác, một số hình thức đóng gói đã tồn tại trong quá trình phát triển sẽ vẫn tồn tại trong một thời gian: bởi vì với sự tích hợp được cải thiện và chức năng được tăng cường, toàn bộ máy ban đầu có thể trở thành một chip duy nhất, chẳng hạn như chất bán dẫn ban đầu. Đài phát thanh đã phát triển thành một chiếc radio đơn lẻ đủ nhỏ để vừa với tai.