Pakiet IC: kompleksowy przewodnik techniczny

1. Wstęp

Obudowa układu scalonego (IC) stanowi kluczowy interfejs między układami półprzewodnikowymi a systemami elektronicznymi. Zapewnia ona kluczowe funkcje, takie jak połączenia elektryczne, ochrona mechaniczna, odprowadzanie ciepła i ekranowanie środowiskowe. Ponieważ urządzenia elektroniczne wymagają wyższej wydajności, większej gęstości wejść/wyjść i lepszego zarządzania temperaturą, znaczenie technologii obudów układów scalonych stale rośnie.

Aktualne trendy branżowe – napędzane przez komunikację 5G, obciążenia związane ze sztuczną inteligencją i coraz bardziej kompaktową elektronikę użytkową – kierują projekty obudów układów scalonych w kierunku wyższych poziomów integracji i bardziej zaawansowanych architektur. W tym przewodniku omówiono podstawy budowy obudów układów scalonych, systemy klasyfikacji, materiały, zagadnienia projektowe i procesy produkcyjne.

2. Czym jest obudowa układu scalonego?

2.1 Podstawowa definicja obudowy układu scalonego

Obudowa układu scalonego to struktura obudowy, która otacza strukturę półprzewodnikową, umożliwiając jej integrację z większymi systemami elektronicznymi. Obudowa składa się z kilku kluczowych elementów: struktury (zawierającej obwody aktywne), ramki lub podłoża do trasowania przewodów, struktur łączących (połączenia lub wypustki) do połączeń między strukturą a obudową oraz masy formierskiej lub materiału do zalewania, zapewniającego ochronę.

Sam układ scalony jest funkcjonalnym elementem krzemowym, natomiast obudowa IC przekształca ten delikatny układ scalony w solidny, lutowalny element, nadający się do montażu PCB . To rozróżnienie jest fundamentalne – obudowa decyduje o sposobie, w jaki układ scalony komunikuje się ze światem zewnętrznym.

2.2 Podstawowe funkcje układu scalonego

Połączenie elektryczne

Obudowa układu scalonego zapewnia niezawodne połączenia elektryczne między polami stykowymi układu scalonego a połączeniami systemów zewnętrznych. Obejmuje to zasilanie, połączenia uziemiające i routing sygnału. Jakość połączeń ma bezpośredni wpływ na integralność sygnału, szczególnie w aplikacjach o dużej prędkości, gdzie pasożytnicza indukcyjność i pojemność stają się czynnikami krytycznymi.

Ochrona mechaniczna

Układy scalone półprzewodnikowe są z natury delikatne i podatne na uszkodzenia mechaniczne. Obudowa układu scalonego zapewnia wsparcie strukturalne, chroniąc układ przed naprężeniami fizycznymi podczas montażu, obsługi i eksploatacji. Ochrona ta obejmuje również odporność na wibracje i amortyzację uderzeń w wymagających zastosowaniach.

Rozpraszanie ciepła

Ciepło generowane przez obwody aktywne musi być skutecznie odprowadzane z rdzenia, aby zachować wydajność i niezawodność. Projekty obudów układów scalonych zawierają ścieżki termiczne – kanały cieplne, przelotki termiczne i odsłonięte pady – ułatwiające odprowadzanie ciepła do płytki drukowanej lub zewnętrznych radiatorów.

Wsparcie integralności sygnału

Aplikacje o wysokiej częstotliwości i dużej szybkości wymagają starannego zarządzania ścieżkami sygnałowymi w obudowie układu scalonego. Parametry pasożytnicze obudowy (indukcyjność, pojemność, rezystancja) muszą być minimalizowane i kontrolowane, aby utrzymać jakość sygnału, zmniejszyć przesłuchy i zapewnić docelową prędkość transmisji danych.

Integracja na poziomie systemu

Nowoczesne architektury obudów układów scalonych coraz częściej obsługują integrację wielowarstwową poprzez podejścia System-in-Package (SiP), Package-on-Package (PoP) oraz układanie warstwowe 3D. Konfiguracje te umożliwiają heterogeniczną integrację różnych węzłów procesowych i typów urządzeń w ramach jednej obudowy.

2.3 Metody klasyfikacji obudów układów scalonych

Według konfiguracji ołowiu

Obudowy układów scalonych są klasyfikowane według ich zewnętrznego układu wyprowadzeń: przewlekane (DIP), typu „gull-wing” (QFP, SOP), typu „J-lead” (PLCC) i typu „Area Array” (BGA, LGA). Każda konfiguracja oferuje inne kompromisy pod względem gęstości wejść/wyjść, złożoności trasowania PCB i wymagań produkcyjnych.

Metodą połączeń międzysystemowych

Połączenia matryca-obudowa definiują kolejną oś klasyfikacji: łączenie drutów (przewody złote, miedziane lub srebrne), układy typu flip-chip (wypustki lutownicze lub słupki miedziane) oraz podejścia oparte na warstwach redystrybucyjnych (obudowy na poziomie wafli typu fan-in i fan-out). Metody te różnią się wydajnością elektryczną, charakterystyką termiczną i strukturą kosztów.

Według wymiaru strukturalnego

Klasyfikacja wymiarowa rozróżnia architekturę obudów układów scalonych 2D (pojedyncza matryca, planarna), 2.5D (z interposerem krzemowym) i 3D (pionowo ułożonymi). Podejście oparte na większej liczbie wymiarów umożliwia większą gęstość integracji, ale wiąże się z dodatkową złożonością produkcji i wyzwaniami projektowymi.

3. Główne typy obudów układów scalonych

3.1 Tradycyjne typy obudów układów scalonych

DIP (obudowa dwurzędowa)

Podwójny pakiet liniowy Posiada dwa równoległe rzędy wyprowadzeń przewlekanych, wystających z prostokątnej obudowy z tworzywa sztucznego lub ceramiki. Obudowy DIP nadal powszechnie stosowane są w prototypowaniu, aplikacjach edukacyjnych i systemach wymagających ręcznego wkładania komponentów. Ograniczenia obejmują niską gęstość wejść/wyjść i dużą powierzchnię styku, co ogranicza ich zastosowanie w nowoczesnych projektach o dużej gęstości.

SOP / SOIC / TSOP

Obudowy Small Outline (SOP, SOIC, TSOP) stanowią ewolucję koncepcji DIP do montażu powierzchniowego. Te warianty obudów IC posiadają wyprowadzenia typu „gull-wing”, odpowiednie do automatycznego montażu SMT, co umożliwia większą gęstość upakowania elementów na poziomie płytki niż w przypadku montażu przewlekanego. Warianty TSOP o cienkich profilach są powszechne w aplikacjach pamięci, gdzie ograniczenia wysokości mają kluczowe znaczenie.

QFP (pakiet Quad Flat)

Pakiety Quad Flat Wydłużają wyprowadzenia ze wszystkich czterech stron, znacznie zwiększając dostępną liczbę wejść/wyjść. Obudowy QFP obsługują liczbę wyprowadzeń od 32 do ponad 300 pinów z rastrem nawet 0.4 mm. Jednak montaż QFP z drobnym rastrem wymaga precyzyjnego sprzętu do montażu i kontrolowanego procesu lutowania rozpływowego, aby zapobiec mostkowaniu i powstawaniu defektów typu tombstone.

3.2 Warianty obudów układów scalonych o dużej gęstości

BGA (macierz siatki kulek)

Pakiety Ball Grid Array Wykorzystują układ kulek lutowniczych na spodzie obudowy do połączeń elektrycznych. Taka konfiguracja układu scalonego oferuje lepszą gęstość wejść/wyjść, lepsze odprowadzanie ciepła przez układ kulek oraz krótsze ścieżki elektryczne w porównaniu z obudowami z wyprowadzeniami obwodowymi. Popularne warianty obejmują FBGA (drobny rozstaw), LBGA (niskoprofilowy) oraz liczne konfiguracje specyficzne dla danego zastosowania.

CSP (pakiet skali chipowej)

Obudowy Chip Scale zajmują nie więcej niż 120% powierzchni rdzenia, minimalizując tym samym zajmowaną powierzchnię PCB. Technologia CSP łączy tradycyjne rozwiązania w obudowach i rozwiązania na poziomie wafli, oferując doskonałą wydajność elektryczną przy ograniczonej liczbie elementów pasożytniczych. Ograniczenia projektowe obejmują ograniczone możliwości redystrybucji i kwestie związane z zarządzaniem temperaturą w aplikacjach o dużej mocy.

3.3 Zaawansowane technologie obudów układów scalonych

Opakowanie Flip-Chip

Obudowy układów scalonych typu flip-chip są zorientowane powierzchnią roboczą do dołu, łącząc się bezpośrednio z podłożem za pomocą wypustek lutowniczych lub miedzianych słupków. Takie podejście eliminuje indukcyjność połączeń, skraca długość ścieżki sygnału i umożliwia równomierne rozprowadzenie mocy. Doskonałe parametry elektryczne i termiczne układów flip-chip sprawiają, że są one preferowanym wyborem dla wysokowydajnych procesorów, procesorów graficznych i urządzeń RF.

Opakowania wachlarzowe vs. wachlarzowe

Obudowy Fan-In Wafer Level Packages (WLP) ograniczają warstwy redystrybucyjne w obrębie struktury scalonej, co jest odpowiednie dla urządzeń o małej liczbie wejść/wyjść. Technologie Fan-Out WLP (FOWLP), takie jak eWLB i InFO, rozszerzają obszar redystrybucji poza obwód struktury scalonej, umożliwiając większą gęstość wejść/wyjść bez konieczności stosowania podłoża organicznego. Te rozwiązania w zakresie obudów IC sprawdzają się w aplikacjach mobilnych i wysokoczęstotliwościowych wymagających minimalnego współczynnika kształtu.

Architektury obudów układów scalonych 2.5D i 3D

Zaawansowane obudowy 2.5D IC wykorzystują krzemowe interposery z przelotkami TSV (Through-Silicon Vias) do poziomego łączenia wielu układów scalonych. Obudowy 3D układają układy scalone pionowo, a połączenia TSV między warstwami. Architektury te umożliwiają integrację pamięci o dużej przepustowości (HBM) i heterogeniczne zespoły chipletów, co ma kluczowe znaczenie dla akceleratorów AI i… aplikacje obliczeniowe o wysokiej wydajności.

Podsumowanie ewolucji pakietów IC

Przejście od architektury DIP, przez QFP, BGA, flip-chip, fan-out, aż do architektury 3D odzwierciedla ciągłe dążenie branży do zwiększenia gęstości integracji, poprawy parametrów elektrycznych i rozwiązania problemów termicznych. Każda generacja technologii obudów układów scalonych bazuje na poprzednich innowacjach, jednocześnie wprowadzając nowe możliwości dla nowych wymagań aplikacyjnych.

4. Materiały i struktury procesów w obudowach układów scalonych

4.1 Materiały podłoża dla obudów układów scalonych

Podłoża żywiczne BT

Podłoża z żywicy bismaleimidowo-triazynowej (BT) oferują doskonałą stabilność wymiarową, niską absorpcję wilgoci i niezawodne właściwości elektryczne. Podłoża układów scalonych na bazie żywicy BT są szeroko stosowane w urządzeniach mobilnych, elektronice użytkowej i standardowych układach BGA, gdzie równowaga między ceną a wydajnością jest kluczowa.

ABF (Ajinomoto Build-up Film)

Technologia ABF umożliwia precyzyjne trasowanie linii/przestrzeni, niezbędne w zaawansowanych podłożach obudów układów scalonych. Doskonała planarność i właściwości elektryczne ABF umożliwiają tworzenie połączeń o dużej gęstości, wymaganych przez procesory o wysokiej wydajności. Ciągłe udoskonalanie materiałów ABF zaspokaja rosnące zapotrzebowanie na szerokości linii poniżej 10 μm.

Struktury połączeń o wysokiej gęstości

Architektury podłoża podobne do HDI wykorzystują mikroprzelotki, przelotki ślepe i przelotki zakopane, aby umożliwić wielowarstwowe układanie przewodów przy ograniczonej grubości podłoża. Struktury te zapewniają gęstość okablowania niezbędną do zaawansowanych projektów obudów układów scalonych obsługujących tysiące połączeń sygnałowych.

4.2 Procesy połączeń między układami scalonymi

Klejenie drutu

Łączenie drutowe pozostaje dominującą metodą łączenia obudów układów scalonych ze względu na swoją elastyczność i opłacalność. Łączenie drutem złotym zapewnia niezawodną pracę, ale wiąże się z wyższymi kosztami materiału. Łączenie drutem miedzianym oferuje znaczne oszczędności i lepszą przewodność elektryczną, wymagając jednak ściślejszej kontroli procesu, aby zapobiec uszkodzeniu pól lutowniczych.

Uderzanie w Flip-Chip

Metoda flip-chip bumping polega na osadzaniu stopów lutowniczych (zazwyczaj SnAgCu) lub miedzianych struktur filarowych na polach połączeniowych układu scalonego. Odstęp między polami stykowymi stopniowo zmniejszał się od 200 μm do poniżej 50 μm w zaawansowanych zastosowaniach obudów układów scalonych. Materiały podkładowe chronią połączenia stykowe przed naprężeniami termomechanicznymi podczas pracy.

Warstwa redystrybucji (RDL)

Technologia RDL redystrybuuje rozmieszczenie pól lutowniczych, dostosowując je do wymagań połączeń na poziomie obudowy. Wiele warstw RDL w zaawansowanych projektach obudów układów scalonych umożliwia złożone trasowanie między polami lutowniczymi o dużej gęstości a połączeniami o mniejszej gęstości na poziomie płytki. RDL jest podstawą rozwiązań w zakresie obudów typu „fan-out”.

4.3 Materiały kapsułkujące

Mieszanka do form i EMC

Mieszanka do formowania epoksydowego (EMC) zapewnia ochronę mechaniczną i uszczelnienie środowiskowe obudów układów scalonych. Nowoczesne formuły EMC równoważą właściwości przepływu, zapewniając całkowite wypełnienie wnęki, niską absorpcję wilgoci i dopasowane współczynniki rozszerzalności cieplnej, minimalizując naprężenia w obudowie.

Materiały podkładowe

Epoksydy typu underfill wypełniają szczelinę między układami scalonymi typu flip-chip a podłożami, rozprowadzając naprężenia termomechaniczne na całej powierzchni styku układu scalonego z podłożem, zamiast koncentrować je na poszczególnych połączeniach wypukłych. Prawidłowy dobór wypełnienia ma kluczowe znaczenie dla niezawodności obudowy układu scalonego w warunkach cyklicznych zmian temperatury.

4.4 Konstrukcje zarządzania termicznego

Ślimaki cieplne i podkładki termiczne

Przewody termiczne to metalowe elementy przewodzące ciepło, zintegrowane z obudowami układów scalonych, które odprowadzają ciepło z rdzenia na powierzchnię obudowy. Odsłonięte pady termiczne na spodzie obudowy zapewniają bezpośrednią ścieżkę termiczną do płaszczyzny uziemienia płytki PCB. Cechy te są niezbędne w przypadku obudów układów scalonych mocy wymagających efektywnego odprowadzania ciepła.

Zaawansowane rozwiązania termiczne

Wysokowydajne obudowy układów scalonych mogą zawierać zintegrowane rozpraszacze ciepła (IHS) lub bezpośrednie interfejsy między rdzeniem a radiatorem. Konfiguracje z rozpraszaczem ciepła optymalizują rezystancję termiczną od złącza do otoczenia, co jest kluczowe dla utrzymania temperatury roboczej w zastosowaniach o dużej mocy.

5. Rozważania dotyczące projektowania obudów układów scalonych

5.1 Wydajność elektryczna

Integralność sygnału (SI)

Analiza integralności sygnału pozwala ocenić, jak pasożytnicze elementy obudowy układu scalonego wpływają na jakość sygnału. Kluczowe problemy obejmują nieciągłości impedancji, przesłuchy między sąsiednimi ścieżkami sygnału oraz szumy odbiciowe. Projekty obudów szybkich układów scalonych wymagają starannego prowadzenia ścieżek, kontrolowanych struktur impedancji i odpowiednich strategii terminacji.

Integralność mocy (PI)

Projekt sieci zasilającej zapewnia stabilne zasilanie układu scalonego w warunkach dynamicznego obciążenia. Umieszczenie kondensatorów odsprzęgających na poziomie obudowy układu scalonego, konstrukcja płaszczyzny zasilania/masy oraz dystrybucja przelotek wpływają na regulację napięcia i margines szumów. Jednoczesny szum przełączania (SSN) musi być kontrolowany poprzez odpowiednią architekturę dystrybucji zasilania.

Optymalizacja wysokiej częstotliwości

Obudowy układów scalonych RF i fal milimetrowych wymagają zminimalizowanej indukcyjności pasożytniczej i pojemności. Linie transmisyjne o kontrolowanej impedancji, struktury uziemienia ekranującego i staranne rozmieszczenie przelotek to kluczowe elementy projektu. Dobór materiału podłoża obudowy (dielektryki o niskiej stratności) ma znaczący wpływ na parametry w zakresie wysokich częstotliwości.

5.2 Projekt termiczny obudowy układu scalonego

Metryki oporu cieplnego

Parametry rezystancji termicznej θJA (między złączem a otoczeniem) i θJC (między złączem a obudową) określają parametry termiczne obudowy układu scalonego. Niższe wartości oznaczają bardziej efektywne ścieżki wymiany ciepła. Dobór obudowy musi zapewnić, że temperatury złącza będą mieścić się w granicach specyfikacji urządzenia w najgorszych warunkach pracy.

Wyzwania miniaturyzacji

Kompaktowe obudowy układów scalonych koncentrują ciepło w mniejszych objętościach, zwiększając gęstość termiczną. Materiały termoprzewodzące (TIM) między obudowami a radiatorami muszą być starannie dobierane, aby zminimalizować rezystancję styku. Rozwiązania termiczne na poziomie systemu stają się coraz ważniejsze, ponieważ opcje na poziomie obudowy są ograniczone przez współczynnik kształtu.

5.3 Naprężenia mechaniczne i niezawodność

Efekty niedopasowania CTE

Różnice współczynnika rozszerzalności cieplnej (CTE) między krzemową strukturą, podłożem obudowy układu scalonego i płytką PCB powodują naprężenia podczas wahań temperatury. To niedopasowanie współczynnika CTE prowadzi do zmęczenia spoin lutowniczych, pękania matrycy i uszkodzeń spowodowanych rozwarstwianiem. Projekt obudowy musi uwzględniać te naprężenia poprzez dobór materiałów i optymalizację geometryczną.

Typowe tryby awarii

Typowe uszkodzenia obudów układów scalonych obejmują rozwarstwienie matrycy, odrywanie się połączeń przewodów, pękanie połączeń lutowanych i pękanie izolacji. Zrozumienie mechanizmów uszkodzeń wpływa na dobór materiałów, zasady projektowania i testy kwalifikacyjne niezawodności. Testy przyspieszonej żywotności weryfikują wydajność obudów układów scalonych w warunkach naprężeń występujących w warunkach rzeczywistych.

5.4 Projektowanie pod kątem możliwości produkcji

Zgodność SMT

Projekty obudów układów scalonych muszą uwzględniać procesy montażu powierzchniowego (SMT) , w tym nadruk pasty lutowniczej, rozmieszczenie komponentów i lutowanie rozpływowe. Specyfikacje geometrii, odstępu między padami i współpłaszczyznowości obudowy zapewniają niezawodne tworzenie połączeń lutowanych podczas produkcji seryjnej.

Rozważania dotyczące procesu reflow

Różne typy obudów układów scalonych charakteryzują się różną tolerancją na temperatury i gradienty temperatur w procesie lutowania rozpływowego. Poziomy wrażliwości na wilgoć (MSL) determinują wymagania dotyczące obchodzenia się z nimi i pieczenia przed montażem. Materiały korpusu obudowy, kleje mocujące matryce i materiały do ​​formowania muszą przetrwać wielokrotne narażenie na lutowanie rozpływowe bez degradacji.

6. Proces produkcji obudów układów scalonych

6.1 Przygotowanie matrycy

Przerzedzanie płytek

Szlifowanie wsteczne zmniejsza grubość wafla z 700-800 μm do zaledwie 50 μm w przypadku zaawansowanych obudów układów scalonych. Cieńsze struktury poprawiają wydajność termiczną i umożliwiają tworzenie konfiguracji warstwowych. Kontrola procesu ma kluczowe znaczenie dla zapobiegania pękaniu struktur i utrzymania równomiernej grubości całego wafla.

Krojenie wafli

Proces cięcia polega na oddzieleniu poszczególnych matryc od przetworzonego wafla za pomocą piły tarczowej, cięcia laserowego lub trawienia plazmowego. Jakość cięcia wpływa na integralność krawędzi matrycy i wydajność montażu. W przypadku niektórych konfiguracji obudów układów scalonych przed cięciem można nałożyć folię zabezpieczającą matrycę (DAF).

6.2 Mocowanie i łączenie matryc

Proces mocowania matrycy

Proces mocowania matrycy polega na połączeniu krzemowej matrycy z podłożem układu scalonego lub ramką wyprowadzeń za pomocą klejów epoksydowych, lutów lub stopów eutektycznych. Dobór materiałów do mocowania matrycy równoważy wymagania dotyczące przewodności cieplnej, wytrzymałości na ściskanie i pochłaniania naprężeń. Brak pustych przestrzeni jest niezbędny dla zapewnienia niezawodnych parametrów termicznych i mechanicznych.

Łączenie przewodów i mocowanie Flip-Chip

Łączenie drutowe tworzy połączenia poprzez ultradźwiękowe/termosoniczne spawanie cienkich drutów pomiędzy padami układu scalonego a wyprowadzeniami w obudowie. Łączenie typu flip-chip polega na masowym reflowie wstępnie uformowanych wypustek w celu utworzenia jednoczesnych połączeń. Oba procesy wymagają precyzyjnego wyrównania i kontrolowanych parametrów łączenia, aby zapewnić niezawodny montaż obudów układów scalonych.

6.3 Proces enkapsulacji

Formowanie transferowe i kompresyjne

Formowanie transferowe wtłacza rozgrzane EMC do gniazd formy zawierających zmontowane układy scalone. Formowanie kompresyjne wywiera nacisk na wstępnie ułożoną masę formierską, co jest odpowiednie dla cienkich obudów i dużych formatów paneli. Projekt formy i parametry procesu kontrolują powstawanie pustych przestrzeni, przesuwanie drutu i deformację obudowy.

Opakowanie na poziomie panelu

Produkcja układów scalonych typu fan-out coraz częściej wykorzystuje przetwarzanie na poziomie panelu na podłożach wielkoformatowych (np. 600 mm × 600 mm). Takie podejście poprawia wydajność produkcji i strukturę kosztów w porównaniu z przetwarzaniem na poziomie wafli. Kontrola odkształceń panelu i dokładność rozmieszczenia matryc to kluczowe wyzwania procesowe.

6.4 Produkcja podłoża

Projektowanie warstwowe

Liczba warstw podłoża w obudowie układu scalonego waha się od dwóch do ponad dwudziestu, w zależności od wymagań dotyczących trasowania. Projektowanie stosu definiuje układy warstw sygnałowej, zasilania i uziemienia, optymalizując parametry elektryczne i stabilność mechaniczną. Materiały rdzenia i warstwy konstrukcyjnej są dobierane na podstawie wymagań elektrycznych i termicznych.

Formowanie mikroprzelotek i wykończenie powierzchni

Wiercenie laserowe tworzy mikrootwory, umożliwiając połączenia warstwa-warstwa w podłożach układów scalonych o wysokiej gęstości. Średnice przelotek poniżej 75 μm umożliwiają zaawansowaną gęstość trasowania. Wykończenia powierzchni – ENIG (bezprądowe niklowanie immersyjne), OSP (organiczny środek konserwujący lutowność) i inne – chronią pady lutownicze i zapewniają lutowalność.

6.5 Testowanie i zapewnienie jakości

Kontrola elektryczna i wizualna

Automatyczny sprzęt testowy ( ATE ) przeprowadza weryfikację elektryczną funkcjonalności obudów układów scalonych. Badanie rentgenowskie ujawnia wady wewnętrzne, takie jak puste przestrzenie lutownicze i anomalie połączeń drutowych. Konfokalna skaningowa mikroskopia akustyczna (CSAM) pozwala na nieniszczące wykrywanie rozwarstwień i pęknięć wewnętrznych.

Testowanie niezawodności

Testy kwalifikacyjne potwierdzają niezawodność obudowy układu scalonego w warunkach przyspieszonego obciążenia. Cykliczne zmiany temperatury (T/C), wysoka temperatura pracy (HTOL), testy wilgotności i wstrząsy mechaniczne pozwalają ocenić długoterminową wydajność. Wyniki testów określają wskaźniki niezawodności i identyfikują potencjalne mechanizmy awarii.

7. Przyszłe trendy w technologii obudów układów scalonych

7.1 Architektura chipletów i zaawansowana obudowa IC

Integracja modułowych chipletów

Architektury chipletów dzielą monolityczne układy SoC na mniejsze bloki funkcjonalne, połączone za pomocą zaawansowanych technologii obudów układów scalonych. Standaryzacja Universal Chiplet Interconnect Express (UCIe) umożliwia tworzenie ekosystemów chipletów wielu dostawców. Takie podejście poprawia wydajność, umożliwia łączenie heterogenicznych węzłów procesowych i przyspiesza wprowadzanie produktów na rynek.

Integracja heterogeniczna

Zaawansowane pakiety układów scalonych coraz częściej integrują różnorodne technologie – logikę, pamięć, układy analogowe, RF, czujniki – w ramach zunifikowanych podzespołów. Ta heterogeniczna integracja zapewnia wydajność na poziomie systemowym, niemożliwą do osiągnięcia przy zastosowaniu rozwiązań z wykorzystaniem komponentów dyskretnych, zachowując jednocześnie elastyczność w doborze technologii dla każdego bloku funkcjonalnego.

7.2 Nowe materiały na obudowy układów scalonych

Ewolucja ABF

Materiały ABF nowej generacji dążą do uzyskania wymiarów linii/przestrzeni poniżej 5 μm, co pozwala na zwiększenie gęstości połączeń między układami scalonymi. Warianty dielektryczne o niskiej stratności spełniają wymagania aplikacji wysokoczęstotliwościowych. Dostawcy materiałów kontynuują prace rozwojowe, aby sprostać wymaganiom węzłów w zakresie zaawansowanych technologii półprzewodnikowych.

Rozwój podłoża szklanego

Podłoża szklane oferują lepszą stabilność wymiarową, płaskość i właściwości elektryczne o wysokiej częstotliwości w porównaniu z alternatywami organicznymi. Aktywny rozwój przemysłu rozwiązuje problemy związane z przetwarzaniem szkła w zastosowaniach w obudowach układów scalonych. Przekładki i podłoża na bazie szkła mogą umożliwić rozwój wysokowydajnych rozwiązań opakowaniowych nowej generacji.

7.3 Produkcja obudów układów scalonych na poziomie panelu

Przetwarzanie wielkoformatowe

Obudowy na poziomie panelu rozszerzają koncepcje rozgałęzień na duże, prostokątne panele, znacząco zwiększając przepustowość i efektywność kosztową. Adaptacje sprzętu i procesów rozwiązują problemy specyficzne dla poszczególnych paneli, takie jak zarządzanie odkształceniami i wyrównanie matrycy z panelem. Ta ewolucja produkcyjna wspiera redukcję kosztów obudów układów scalonych w aplikacjach o dużej objętości.

7.4 Wymagania dotyczące obudów układów scalonych o wysokiej wydajności

Wymagania dotyczące sztucznej inteligencji i HPC

Akceleratory sztucznej inteligencji i systemy obliczeniowe o wysokiej wydajności wymuszają wymagania dotyczące układów scalonych, dążąc do ekstremalnej przepustowości, rozpraszania ciepła i możliwości przesyłu mocy. Zaawansowana integracja chłodzenia, optymalizacja sieci przesyłu mocy oraz połączenia o ultrawysokiej gęstości charakteryzują rozwiązania układów scalonych nowej generacji przeznaczone do tych wymagających obciążeń.

8. Streszczenie

Obudowa układów scalonych definiuje sposób, w jaki krzemowy układ scalony jest połączony elektrycznie, chroniony mechanicznie i odprowadzany termicznie. Od QFP i BGA, przez układy typu flip-chip, układy typu fan-out, po struktury 3D, wybór obudowy bezpośrednio wpływa na integralność sygnału, dostarczanie mocy, odprowadzanie ciepła i długoterminową niezawodność. Wraz ze wzrostem wydajności i gęstości, systemy materiałowe, takie jak podłoża ABF, zaawansowane połączenia i wytrzymałe enkapsulanty, stają się kluczowe dla ogólnego działania systemu.

Praktyczne wskazówki dla inżynierów:

• Wybierając pakiety, kieruj się wymaganiami elektrycznymi i termicznymi, a nie tylko ich kształtem.

• Wczesne koordynowanie projektu obudowy i stosu płytek PCB w celu uniknięcia wąskich gardeł w zakresie SI/PI i trasowania.

• Przeanalizuj dane dotyczące niezawodności i weź pod uwagę naprężenia mechaniczne, zwłaszcza w przypadku urządzeń o małym skoku lub dużej mocy.

Dokładne zrozumienie podstawowych zasad budowy obudów układów scalonych pozwala zagwarantować stabilną pracę i redukuje ryzyko związane z dalszym projektowaniem.