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

Việc đóng gói chip IC là cần thiết cho chip mạch tích hợp, 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 là vị trí, cố định, niêm phong, bảo vệ chip và tăng cường độ dẫn nhiệt, "Nó cũng là cầu nối giữa thế giới bên trong của chip và mạch bên ngoài trên chip. Các điểm tương tác được kết nối với các chân của vỏ bọc bọc bằng dây dẫn được kết nối với các thiết bị khác thông qua dây trên bảng mạch in. Ngoài ra, kích thước, hình dạng, số lượng pin, khoảng cách và chiều dài của gói đều có thông số kỹ thuật tiêu chuẩn. Nó không chỉ thuận tiện cho việc đóng gói và xử lý mạch tích hợp, mà còn tích hợp mạch tích hợp và bảng mạch in, các 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, hiệu suất tản nhiệt và ổn định hóa học; Hiệu suất điện tốt; Kích thước và hình thức tiêu chuẩn. Gói IC phát triển cùng với sự phát triển của IC. Với sự phát triển liên tục của các ngành công nghiệp khác nhau như 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, chức năng ngày càng phức tạp, yêu cầu mật độ đóng gói mạch tích hợp ngày càng lớn, tần số áp dụng ngày càng cao, khả năng chịu nhiệt tốt hơn, dây dẫn ngày càng nhiều, khối lượng ngày càng lớn. 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. Nhu cầu kỹ thuật tại thời điểm này chỉ đơn giản là tìm kiếm một công việc ổn định hơn. Bởi vì một mặt, việc sản xuất chip IC vẫn còn ở giai đoạn sơ khai, với mức độ tích hợp thấp; Mặt khác, khối lượng của toàn bộ máy đã giảm đáng kể, từ ống điện tử đến bóng bán dẫn, do đó không còn yêu cầu đóng gói IC. Do đó, ở giai đoạn này, việc sử dụng các gói dễ thực hiện nhất được đại diện bởi Double Column Straight Plug (DIP), được bổ sung bởi Single Column Straight Plug (SIP) và Pin Grid Array (PGA) gói đáp ứng nhu cầu của hội đồng quản trị (PCB) Wave Welding. Tại thời điểm này, khoảng cách giữa các dây dẫn là khoảng 2,54mm.

Những năm 1980: Gói nhựa (PLCC) với tàu sân bay chip dẫn, gói nhỏ gọn bốn mặt phẳng (QFP) với sự ra đời của Công nghệ gắn trên bề mặt (SMT) vào năm 1978, kích thước máy hoàn chỉnh giảm và diện tích 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 mạch tích hợp phù hợp với yêu cầu của nó. IC Packing đã phát triển tàu sân bay chip chì bọc nhựa (PLCC) với khoảng cách chì 1,27mm và gói bốn mặt phẳng (QFP) với khoảng cách chì 0,8-1,0mm. Hình thức đóng gói nhỏ gọn, được bổ sung bằng loại cắm trực tiếp hai hàng nhỏ (S-DIP), khoảng cách pin 1.778mm, gói nhỏ (SOP), khoảng cách pin 1.778mm, đóng gói hàn tự động với tải (TAP), v.v., các hình thức đóng gói ngày càng đa dạng. Tuy nhiên, chỉ có một mục tiêu là thu hẹp diện tích để phù hợp với xu hướng thu nhỏ, mỏng và tự động hóa lắp ráp các thiết bị điện tử.

Đầu những năm 1990 và giữa những năm 1990: Đóng gói đường viền nhỏ hẹp (SSOP), Đóng gói bốn mặt phẳng hẹp (SQFP), Đóng gói mảng lưới bóng (BGA) Ngành công nghiệp máy tính đại diện cho máy tính cá nhân (PC) đã trải qua sự phát triển nhanh chóng từ 386 đến 486 đến 586 khi công nghệ máy tính phát triển nhanh chóng. Với mỗi thế hệ, sự tích hợp của mạch tích hợp và tốc độ hỗ trợ sự phát triển của nó là một bước nhảy vọt. Một mặt, máy tính mở rộng sang các máy trạm cao cấp và siêu máy tính; Mặt khác, Microsoft, đặc biệt, đã tạo ra một sự thay đổi lớn về chất lượng và số lượng trong ngành công nghiệp máy tính bằng cách giới thiệu hệ điều hành Windows mang tính bước ngoặt, biến máy tính từ chuyên gia thành dân thường và từ doanh nghiệp thành gia đình. Tại thời điểm này, PLCC, QFP và SOP ban đầu không thể đáp ứng các yêu cầu phát triển của họ. Trong PCB SMT, một gói nhỏ hơn, 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 0,65mm là đại diện cho hình thức gói; Đặc biệt, hình thức đóng gói của mảng lưới bóng (BGA) với các dây dẫn bên trong đã được đề xuất và sắp xếp các BGA điển hình với nhau một cách hữu cơ. Phần dưới thay thế khung dẫn trong các gói truyền thống, làm tăng đáng kể các chân IC và làm cho hình thức QFP 400 chân ban đầu của SMT trở nên khó thực hiện trong BGA dễ dàng, do đó chức năng tích hợp cao của chip IC có thể được áp dụng trong thực tế.

Khối lượng thông tin trên toàn cầu đã tăng lên đáng kể vào giữa đến cuối những năm 1990 với sự phát triển của ngành công nghiệp công nghệ thông tin, 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 đã 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, hiệu suất cao. Sự phát triển nhanh chóng của tích hợp và độ tin cậy cao cho phép 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. Bao bì IC là các tế bào 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 tiếp tục xuất hiện và được áp dụng. Gói IC không chỉ hoạt động như một biểu hiện chức năng của chip IC mà còn bảo vệ chip; Đồng thời, nó cũng đáp ứng hiệu suất ngày càng tăng, độ tin cậy, tản nhiệt và phân phối năng lượng với chi phí nhất định, bao gồm các yêu cầu sau: 1) Tăng tốc độ chip và công suất xử lý đòi hỏi nhiều chân hơn, tần số xung nhịp nhanh hơn và phân phối năng lượng 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

Sự phát triển của vật liệu đóng gói Công nghệ đóng gói có một sự thúc đẩy rất lớn cho sự phát triển của vật liệu đóng gói. Đổi lại, sự phát triển của vật liệu đóng gói cũng sẽ thúc đẩy hơn nữa sự phát triển của công nghệ đóng gói. Hai người 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 dẻo dai (PI) và chất nền tự động dán băng (TAB) và 2,62 tỷ đô la cho khung dẫn. Trong đó, 1,28 tỷ USD dành cho dây dẫn kim loại, 1,25 tỷ USD cho các hợp chất đúc, 240 triệu USD cho chất kết dính vá và 90 triệu USD cho nhựa polyimide.

Vật liệu đóng gói epoxy lỏng là 70 triệu đô la, keo đáy lỏng là 40 triệu đô la và bóng hàn vi mô là 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.

Hợp chất đúc epoxy (EMC) EMC dẫn đầu 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 mình. Xu hướng phát triển công nghệ của chất làm đầy nhựa epoxy như sau:

1. Để đáp ứng nhu cầu phát triển VLSI theo hướng mật độ cao, số I/O cao, nó đang tiến 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 đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng nhanh 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, nhanh chóng hướng tới khả năng 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 hoạt động như một 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. Trong chi phí sản xuất các thiết bị đóng gói tiên tiến dựa trên BGA và CSP, lớp lót đóng gói chiếm tỷ lệ lớn, tương ứng là 40% -50% và 70% -80%.

Vật liệu đóng gói nhựa epoxy lỏng Vật liệu đóng gói nhựa epoxy lỏng là vật liệu đóng gói đại diện cho sự thay đổi mang tính cách mạng lần 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 cho FC-BGA/CSP (underfill) và vật liệu đóng gói chip epoxy lỏng (Encapsulators) Class 2.

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 lắp ráp nhiều lớp (BUM) cho mảng bóng hàn trên bề mặt chip BGA và CSP. Cách nhiệt giữa các lớp cho các đường tín hiệu mở rộng dựa trên gói là vật liệu đóng gói chính cho BGA/CSP.

Keo dẫn điện/dẫn nhiệt Chất kết dính dẫn điện/dẫn nhiệt hiệu suất cao chủ yếu bao gồm chất kết dính dẫn điện, chất kết dính dẫn nhiệt, v.v., chủ yếu được sử dụng để dán chip IC vào khung dẫn hoặc chất nền. Hiện nay, chất kết dính dẫn điện và chất kết dính dẫn nhiệt phổ biến nhất trên thị trường chủ yếu là nhựa epoxy hoặc polyurethane, 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 hợp, 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 tại, 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 ngày càng yếu hơn và bảo vệ tĩnh không đầy đủ trong quá trình sử dụng quy mô lớn và sử dụng các chất hữu cơ polymer tạo ra và tích lũy điện tích (như nhựa, cao su, v.v.) dẫn đến sự phá hủy mạch tích hợp ngày càng nghiêm trọng của phóng điện 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, xử lý chip và đóng gói. Xả tĩnh điện có mối quan hệ chặt chẽ và không thể tách rời với hiệu suất, tỷ lệ thành phẩm và độ tin cậy của mạch tích hợp. Chip này thường được thiết kế với cấu trúc mạch bảo vệ ESD kẹp điện, xây dựng mạch bảo vệ ESD cho xe buýt điện và bộ chia dòng điện, v.v., sử dụng lưới bán nổi, chấn lưu, khớp nối nền và các công nghệ khác để cải thiện mạch, do đó thực hiện mạch khi xả tĩnh. Bảo vệ hiệu quả. Các biện pháp bảo vệ tĩnh điện cho dây chuyền xử lý wafer và gói mạch tích hợp là tương tự. Xả tĩnh có thể phá vỡ các mạch tích hợp và có thể gây rối, có khả năng và chậm hỏng. 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. Những thay đổi về hiệu suất có thể khó phát hiện ngay cả với các công cụ phức tạp. 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 cho mạch bị hỏng. Do đó, bảo vệ tĩnh điện hệ thống hiệu quả có ý nghĩa quan trọng trong việc đảm bảo chất lượng và độ tin cậy của dây chuyền sản xuất bao bì mạch tích hợp.

Vấn đề miệng núi lửa của hệ thống đóng gói Sự cố 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 sớm rất đa dạng, trong khi các vết lõm trên bề mặt chip là một yếu tố quan trọng. Như chúng ta đã biết, gói IC là kết nối chip và khung dẫn với dây dẫn thông qua hàn báo chí, sau đó đóng gói bằng chất bịt kín nhựa, cung cấp đầu ra và bảo vệ cho chip IC, tránh thiệt hại do con người hoặc các yếu tố môi trường, do đó đảm bảo sự ổn định của mạch tích hợp, hoạt động đáng tin cậy. Sự sụt lún là hiện tượng lớp nhôm của tấm nhôm của chip và các hợp chất silicon bên dưới bị phá hủy trong quá trình đóng gói mạch thu thập do các yếu tố khác nhau. 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 nhiều lớp trong thiết kế chip và ngày càng có nhiều sản phẩm có thiết bị và mạch dưới tấm nhôm. Cùng lúc đó, xuất hiện kỹ thuật dây đồng và kỹ thuật trồng bóng. Để cải thiện độ tin cậy của sản phẩm, việc ngăn chặn các miệng núi lửa 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 và chi phí thấp như công nghệ đóng gói.

Triển vọng gói IC

Từ quan điểm kỹ thuật, cho đến nay, gói IC đã phát triển từ DIP đến WLPCSP và SOC, cho phép chuyển đổi chức năng từ bề mặt sang lớp bên trong và từ đơn giản đến phức tạp. Công nghệ đóng gói trong tương lai sẽ được kết hợp với sản xuất chip SMT và IC, điều này sẽ tạo ra hai thái cực đối với 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 sự hiện diện của SOC, việc tích hợp hệ thống sẽ làm cho các biểu hiện bên ngoài của nó đơn giản hơn đối với các thiết bị điện tử có chức năng chung. 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 PC đến siêu máy tính phức tạp ngày nay, ngành công nghiệp CNTT đang phát triển và nhu cầu của xã hội cũng sẽ bị phân cực: 1. Truyền tải các thiết bị điện tử với CNTT công cộng mạnh mẽ và phức tạp hơn để xây dựng cầu nối cho việc truyền tải thông tin tốc độ cao. 2. Các sản phẩm tiêu dùng điện tử cá nhân nhắm đến 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, một bên của gói IC hướng tới một mức độ mở rộng cao hơn: mật độ cao, tốc độ cao, độ tin cậy cao, đa dạng hóa và bảo vệ môi trường là xu hướng phát triển của nó và là dòng chính trong tương lai. Mặt khác, một số hình thức đóng gói đã tồn tại trong quá trình phát triển sẽ vẫn tồn tại trong một khoảng thời gian nhất định: 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. Chiếc radio này đã phát triển thành một chiếc radio nguyên khối đủ nhỏ để vừa với tai.