Chất nền IC - Nguyên tắc và đặc điểm chức năng của gói mạch tích hợp phổ biến

Chất nền đóng gói IC là một thành phần quan trọng trong quá trình đóng gói chip, chức năng chính của nó là cung cấp kết nối điện, bảo vệ và hỗ trợ chip, đồng thời cũng đóng vai trò tản nhiệt. Chất nền không chỉ là tàu sân bay cho gói bán dẫn, mà còn đóng một vai trò quan trọng trong việc đảm bảo hiệu suất và độ tin cậy của chip.

Vai trò chính của chất nền gói IC bao gồm các điểm sau:

Kết nối điện: Chất nền cung cấp kết nối điện cho chip IC, đảm bảo truyền tín hiệu và nguồn điện giữa chip và mạch bên ngoài.

Chức năng bảo vệ: Chất nền bảo vệ chip khỏi môi trường vật lý và hóa học bên ngoài thông qua quá trình đóng gói. Điều này bao gồm ngăn chặn sự ăn mòn và hư hỏng chip từ các yếu tố như bụi và độ ẩm.

Quản lý nhiệt: Chất nền được đóng gói có hiệu quả dẫn nhiệt được tạo ra trong quá trình hoạt động của chip, ngăn chặn hiệu suất giảm hoặc chip bị hỏng do quá nóng.

1. Đóng gói trực tiếp hai cột DIP

Nó đề cập đến một chip mạch tích hợp được đóng gói trong một gói trực tiếp hai cột. Hầu hết các mạch tích hợp vừa và nhỏ (IC) được đóng gói ở dạng này, với số lượng pin thường không vượt quá 100. IC trong gói DIP có hai hàng chân cần được cắm vào ổ cắm trên chip DIP. Tất nhiên, nó cũng có thể được cắm trực tiếp vào bảng mạch với cùng một số lỗ và sắp xếp hình học để hàn. Chip được đóng gói cẩn thận nên được lấy ra khỏi ổ cắm chip để tránh làm hỏng chân.

Đóng gói có các tính năng sau: Thích hợp cho hàn đục lỗ PCB (bảng mạch in), dễ vận hành. Tỷ lệ diện tích chip so với diện tích đóng gói là lớn, do đó khối lượng cũng lớn. Nó là một gói plug-in phổ biến, phạm vi ứng dụng bao gồm IC logic tiêu chuẩn, bộ nhớ và mạch máy tính vi mô, v.v.

2. Gói loại QFP/PFP

Khoảng cách giữa các chân của gói chip là nhỏ và các chân mỏng, và nói chung các mạch tích hợp lớn hoặc siêu lớn sử dụng hình thức đóng gói này. Các chip được đóng gói ở dạng này phải được hàn vào bo mạch chủ bằng cách sử dụng SMD (Surface Mount Device Technology). Chip gắn SMD không cần đục lỗ trên bo mạch chủ và thường có một điểm hàn pin tương ứng được thiết kế tốt trên bề mặt bo mạch chủ. Pin chip được căn chỉnh với các điểm hàn tương ứng và có thể hàn bo mạch chủ.

Gói có các tính năng sau: Thích hợp cho công nghệ gắn trên bề mặt SMD để lắp đặt hệ thống dây điện trên bảng mạch PCB;

Chi phí thấp, phù hợp với tiêu thụ điện năng trung bình và thấp, phù hợp với sử dụng tần số cao;

Hoạt động đơn giản, độ tin cậy cao; Diện tích chip nhỏ hơn diện tích đóng gói;

Loại niêm phong trưởng thành, có thể áp dụng phương pháp xử lý truyền thống.

Hiện tại, gói QFP/PFP được sử dụng rộng rãi và nhiều nhà sản xuất MCU sử dụng chip A.

3. Gói loại BGA

Với sự phát triển của công nghệ mạch tích hợp, các yêu cầu về chất nền đóng gói mạch tích hợp ngày càng nghiêm ngặt. Điều này là do công nghệ đóng gói có liên quan đến chức năng của sản phẩm. Các phương pháp đóng gói truyền thống có thể tạo ra hiện tượng gọi là "nhiễu xuyên âm" khi tần số của IC vượt quá 100 MHZ, trong khi các phương pháp đóng gói truyền thống có những khó khăn khi số chân của IC lớn hơn 208.

Do đó, ngoài việc sử dụng gói QFP, hầu hết các chip có số pin cao hiện đang chuyển sang công nghệ gói BGA (Ball Grid Array Packing). Gói có các tính năng sau: Mặc dù số lượng pin tăng lên, khoảng cách giữa các chân lớn hơn nhiều so với gói QFP, do đó cải thiện tỷ lệ tốt của sản phẩm hoàn thiện.

Bề mặt tiếp xúc giữa quả cầu hàn mảng và tấm nền lớn và ngắn, có lợi cho việc tản nhiệt; Bóng hàn mảng có chân ngắn, rút ngắn đường truyền tín hiệu và giảm điện cảm và điện trở của dây dẫn. Độ trễ truyền tín hiệu nhỏ và tần số thích ứng được cải thiện đáng kể, do đó hiệu suất mạch có thể được cải thiện. Lắp ráp có thể được hàn chung, độ tin cậy được cải thiện đáng kể; Thích hợp cho gói MCM, mật độ cao và hiệu suất cao của MCM có thể đạt được.

4. đóng gói loại SO

Loại bao bì bao gồm: SOP (gói nhỏ), TOSP (gói nhỏ mỏng), SSOP (SOP thu nhỏ), VSOP (gói rất nhỏ) và SOIC (gói mạch tích hợp nhỏ), nhưng chỉ ở dạng gói chip pin ở cả hai bên. Loại bao bì này là một trong những loại bao bì gắn trên bề mặt, với các chân được dẫn ra hình chữ "L" từ cả hai bên của gói. Đặc điểm điển hình của loại bao bì này là sản xuất một số lượng lớn các chân xung quanh chip đóng gói, hoạt động đóng gói thuận tiện, độ tin cậy cao, là một trong những phương pháp đóng gói chính, hiện nay tương đối phổ biến được áp dụng cho một số loại IC lưu trữ.

5. Loại gói QFN

Nó là một gói phẳng vuông không chì với miếng đệm thiết bị đầu cuối ngoại vi và miếng đệm chip để tiếp xúc với tính toàn vẹn cơ học và nhiệt. Bao bì có thể là hình vuông hoặc hình chữ nhật. Bốn mặt của gói được trang bị các tiếp xúc điện cực. Không có chân, giá đỡ chiếm diện tích nhỏ hơn và chiều cao thấp hơn so với QFP.

Tính năng đóng gói:

Bao bì gắn trên bề mặt, không có thiết kế pin; Thiết kế pad không pin chiếm diện tích PCB nhỏ hơn;

Các thành phần rất mỏng (<1mm), có thể đáp ứng các ứng dụng đòi hỏi khắt khe về không gian;

Trở kháng rất thấp, tự cảm nhận, có thể đáp ứng các ứng dụng tốc độ cao hoặc vi sóng;

Nó có đặc tính nhiệt tuyệt vời, chủ yếu là do một khu vực rộng lớn của đệm tản nhiệt ở phía dưới; Nhẹ và phù hợp cho các ứng dụng di động. Kích thước nhỏ của gói này có thể được sử dụng trong các thiết bị điện tử tiêu dùng di động như máy tính xách tay, máy ảnh kỹ thuật số, trợ lý kỹ thuật số cá nhân (PDA), điện thoại di động và máy nghe nhạc MP3. Từ góc độ thị trường, bao bì QFN ngày càng nhận được sự chú ý của người dùng. Với các yếu tố chi phí và khối lượng, gói QFN sẽ là điểm tăng trưởng trong những năm tới và triển vọng phát triển là vô cùng lạc quan.

6. Loại bao bì PLCC

Nó là một tàu sân bay đóng gói chip nhựa chì. Các chân của gói Surface Mount được rút ra từ bốn mặt của gói, tạo thành hình chữ "D", nhỏ hơn nhiều so với gói DIP. Gói này phù hợp cho việc lắp đặt và định tuyến PCB với công nghệ gắn trên bề mặt SMT, có ưu điểm là kích thước nhỏ và độ tin cậy cao. Đối với một gói chip pin đặc biệt, nó là một gói vá mà pin của gói này uốn cong vào bên trong ở phía dưới của chip, do đó chân chip không thể nhìn thấy trong hình ảnh nhìn xuống của chip. Việc hàn chip này sử dụng quá trình hàn reflow, đòi hỏi thiết bị hàn đặc biệt. Việc gỡ bỏ chip trong quá trình gỡ lỗi cũng rất rắc rối và hiện nay hiếm khi được sử dụng.

Quy trình sản xuất chất nền gói IC:

1. Xử lý chất nền

Trong quá trình sản xuất, chất nền trước tiên cần được làm sạch và xử lý hóa học để loại bỏ các tạp chất bề mặt và oxit. Bước này đảm bảo bề mặt của chất nền sạch sẽ và mịn màng, do đó đặt nền móng cho các liên kết và kết nối tiếp theo.

2. Phương tiện liên kết

Tiếp theo, phương tiện liên kết được áp dụng cho chất nền được xử lý. Phương tiện này được sử dụng để gắn chip chắc chắn vào chất nền, đảm bảo tiếp xúc tốt giữa chip và chất nền, điều này rất quan trọng đối với hiệu suất điện.

3. Đặt và tham gia chip

Sau khi chip được dán, nó cần được dán vào dây dẫn. Quá trình này thường sử dụng dây vàng để kết nối các chân trên chip với các chân trên bề mặt. Việc sử dụng dây vàng đảm bảo độ tin cậy của kết nối điện và tránh mất tín hiệu có thể xảy ra.

4. Nhựa hóa

Sau khi liên kết hoàn tất, chip phủ và các bộ phận kết nối của nó được làm dẻo. Giai đoạn này sử dụng các vật liệu như epoxy để bọc toàn bộ thành phần để bảo vệ các thành phần bên trong khỏi môi trường bên ngoài. Đây cũng là một bước quan trọng trong việc đảm bảo sự an toàn và ổn định của sản phẩm.

5. Cắt gân hình thành

Sau khi niêm phong, sản phẩm trải qua quá trình cắt và tạo hình xương sườn. Quá trình này liên quan đến việc loại bỏ các vật liệu niêm phong dư thừa và cắt sản phẩm theo hình dạng và kích thước mong muốn theo yêu cầu thiết kế. Quá trình này rất quan trọng vì nó ảnh hưởng đến hình dạng và chức năng cuối cùng của chip.

6. Kiểm tra tính chất điện

Cuối cùng, tất cả các chip được đóng gói và đúc đều yêu cầu kiểm tra hiệu suất điện. Các thử nghiệm này bao gồm kiểm tra tốc độ hoạt động của chip, mức tiêu thụ điện năng, tần số và các tính năng điện khác để đảm bảo tất cả các sản phẩm đáp ứng các tiêu chuẩn thiết kế. Sau khi hoàn thành thử nghiệm ban đầu, thử nghiệm cuối cùng sẽ đảm bảo độ tin cậy của toàn bộ sản phẩm trước khi đi vào hoạt động.

Việc lựa chọn chất nền gói IC phù hợp không chỉ liên quan đến hiệu suất và chất lượng sản phẩm mà còn ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả và chi phí sản xuất. Do đó, việc hiểu và nắm vững các kỹ thuật đóng gói IC khác nhau là rất quan trọng đối với các kỹ sư điện tử.