Im Laufe der Jahre hat sich gezeigt, dass integrierte Schaltkreise mit der steigenden Nachfrage nach Miniaturisierung elektronischer Geräte immer kompakter und intelligenter werden. Das Mooresche Gesetz besagt, dass sich die Anzahl der Transistoren auf einem Chip alle zwei Jahre verdoppelt. Diese Herausforderungen veranlassten Wissenschaftler, anspruchsvollere integrierte Schaltkreise und IC-Substrate zu entwickeln. Das IC-Substrat besteht aus harzbasierten Materialien und dient zur Herstellung winziger elektrischer Leitungen im Chip, die den IC mit der Leiterplatte oder dem externen System verbinden. Das IC-Substrat ermöglicht dem Mikrochip die Übertragung elektrischer Signale zwischen Chip und Leiterplatte.
Fortschritte in der Halbleitertechnologie, wie die Erfindung von Ball Grid Array (BGA)-Gehäusen und IC-Substraten, machen es für Konstrukteure unerlässlich, die grundlegenden Konzepte von IC-Substraten, deren Herstellungsprozess und den Einsatz von IC-Substraten-Leiterplatten in ihren Designs zu verstehen. Dieser Artikel hilft Ihnen, alle grundlegenden Konzepte von IC-Substraten zu verstehen und Ihr Know-how zu erweitern!
Was ist ein IC-Substrat?
Ein integrierter Schaltkreis (IC) ist eine Schaltung mit Transistoren, Dioden, Widerständen und Kondensatoren, die alle auf einem kleinen Halbleiterchip untergebracht sind. Ein IC-Substrat ist eine spezielle Plattform, die als Basis für die physikalische und elektrische Unterstützung integrierter Schaltkreise dient. Das Substrat ist ein Material, das den IC abschirmt und die Verbindung zwischen IC und Leiterplattenleiterbahn herstellt. Dieses Substrat besteht aus einer Ansammlung von Löchern und Leiterbahnen, die die elektrische Verbindung der Komponenten im IC herstellen und ihnen die Kommunikation mit der Außenwelt ermöglichen. Vereinfacht ausgedrückt ist das IC-Substrat nichts anderes als die interne Verdrahtung eines ICs, die den Chip mit der Leiterplatte verbindet.
Arten von IC-Substraten
Verschiedene Mikrochips unterscheiden sich in Größe, Leistung, Kosten, Verpackungsstilen, Wärmemanagement und Kostenaspekten. Basierend auf diesen Faktoren können IC-Substrate in drei Hauptkategorien eingeteilt werden:s:
Klassifizierung nach Verpackungstyp
Die Klassifizierung von IC-Substraten nach Verpackungstyp konzentriert sich auf die endgültige Struktur bzw. den Verpackungsstil des ICs. Je nach Verpackungstyp ändert sich die Rolle des IC-Substrats, wodurch es zu verschiedenen Typen kommt.
1. BGA IC-Substrat: BGA steht für Ball Grid Array und verwendet in Form eines Arrays angeordnete Lötkugeln, um eine elektrische Verbindung herzustellen. Diese Art von IC-Substrat ist speziell für die Wärmeableitung konzipiert. Sie werden in Anwendungen eingesetzt, bei denen eine bessere Wärmeleistung und eine höhere Pindichte erforderlich sind.
2. CSP IC Substrat: Im Gegensatz zum BGA-Gehäusetyp wird das Chip Scale Package (CSP) hauptsächlich für Anwendungen eingesetzt, die eine geringere Pinanzahl erfordern. Diese IC-Substratgehäuse sind intelligent und leicht und eignen sich daher für Miniaturprodukte wie Unterhaltungselektronik, das Internet der Dinge und tragbare Elektronik.
3. MCM IC-Substrat: MCM steht für Multichip-Modul. Wie der Name schon sagt, werden diese IC-Substrate hauptsächlich für mehrere Aufgaben eingesetzt. Vereinfacht ausgedrückt vereint ein MCM-Substrat mehrere Chips in einem Modul, wobei jedes Modul einen bestimmten Zweck erfüllt. Da die Chips in einem Gehäuse zusammengefasst sind, eignen sie sich für Anwendungen mit Platz- und Gewichtsbeschränkungen. Der Nachteil von MCM-IC-Substraten ist, dass sie nicht für raue Umgebungen und extreme Temperaturen geeignet sind, da die Chips in einem Modul zusammengefasst sind und so Wärmeableitung verursachen.
4. FC IC-Substrat: Flip-Chip (FC)-IC-Substrate eignen sich ideal für Anwendungen, die geringe Signalstörungen, bessere Leistung und ein besseres Wärmemanagement erfordern. Dank ihrer guten Wärmemanagementfähigkeiten eignen sich FC-IC-Substrate ideal für General Processing Units (GPUs), HF-Kommunikationschips und Prozessoren für maschinelles Lernen.
Klassifizierung nach Materialeigenschaften
IC-Substrate können anhand ihrer Materialeigenschaften klassifiziert werden. Unterschiedliche Materialeigenschaften werden genutzt, um unterschiedliche Funktionen zu erreichen.
1. Starre IC-Substrate: Das IC-Substrat zur Herstellung starrer Leiterplatten besteht aus Harz und Glasfaser. Die Materialeigenschaften von Epoxidharz machen es starr und stabil. Epoxidharz wird in herkömmlichen starren Leiterplatten wie BGAs verwendet.
2. Flex Board IC-Substrate: Diese IC-Substrate bestehen aus Polyimidmaterial. Sie werden in Anwendungen eingesetzt, die Flexibilität und Platzersparnis erfordern.
3. Keramikplatinen-IC-Substrat: Diese IC-Substrate bestehen aus Aluminium. Sie werden in Anwendungen eingesetzt, bei denen eine hohe Zuverlässigkeit erforderlich ist.
Klassifizierung nach Verbindungstechnologie
IC-Substrate können auch hinsichtlich der Verbindungstechnologie klassifiziert werden.
1. Drahtbonden: Die einfachste Art des Bondens ist das Drahtbonden, bei dem Drähte maschinell aus dem Mikrochip herausgefädelt werden.
2. FC-Bindung: Flip-Chip-Bonding erfolgt typischerweise mit Polymerkleber. Bei dieser Methode werden Lötkugeln verwendet, um die Verbindung von Chip- und Platinenkontakten zu erleichtern.
3. TAB-Verbindung: Das automatisierte Tape-Bonding erfolgt mithilfe von druckempfindlichem Klebstoff, indem der Chip auf dem flexiblen Substrat befestigt wird.
Schlüsselfunktionen des IC-Substrats
Ein IC-Substrat erfüllt mehrere wichtige Funktionen. Im Folgenden sind einige der wichtigsten Funktionen des IC-Substrats aufgeführt.
1. Das IC-Substrat fungiert als Brücke, die den Mikrochip und die Leiterplatte durch die Herstellung elektrischer Verbindungen verbindet.
2. Es bietet dem Chip mechanischen Halt.
3. Das IC-Substrat spielt eine Schlüsselrolle bei der Steuerung der Wärmeableitung und der Vermeidung von Überhitzung.
4. Das IC-Substrat schützt den Mikrochip vor äußeren Umwelteinflüssen.
5. Ihre geringe Größe und ihr geringes Gewicht helfen Designern bei der Herstellung intelligenter Geräte.
Herstellungsprozess von IC-Substraten
Der Herstellungsprozess des IC-Substrats ist ein komplexer Vorgang, der in einer extrem sauberen Umgebung ohne Staubpartikel durchgeführt wird.
1. Materialauswahl: Der allererste Schritt bei der Herstellung von IC-Substraten ist die Auswahl des Materials. Je nach Anforderungen werden üblicherweise BT-Harz, ABF-Materialien oder manchmal auch Polyimid verwendet.
2. Kupfermusterung und -beschichtung: Der zweite und wichtigste Schritt ist die Erstellung elektrischer Schaltkreise auf dem Substrat. Ultraviolettes Licht und Fotolack werden für die Schaltungsstruktur verwendet. Das entwickelte Muster wird anschließend geätzt, um die Leiterbahnen zu bilden.
3. Laminierung: Das endgültige IC-Substrat wird durch Stapeln und Verbinden mehrerer Materialschichten hergestellt.
4. Bohren: Nun werden Löcher und Durchkontaktierungen in das IC-Substrat gebohrt, um den Weg für elektrische Verbindungen zu schaffen. Die Durchkontaktierungen ermöglichen den elektrischen Signalen die Übertragung durch verschiedene Schichten.
5. Oberflächenbehandlung: Das IC-Substrat wird einem Oxidationsbeständigkeitsprozess unterzogen, um es vor Umwelteinflüssen wie Feuchtigkeit und Temperatur zu schützen.
6. Qualitätsprüfung: Nach der Herstellung des IC-Substrats wird es umfassenden Qualitätstests unterzogen, um sicherzustellen, dass es den festgelegten Spezifikationen entspricht.
Anwendungen von Leiterplatten mit integrierten Schaltkreissubstraten
IC-Substrate sind die Grundbausteine der IC-Technologie. Sie werden in allen Arten von Anwendungen eingesetzt, in denen ICs zum Einsatz kommen.
1. Unterhaltungselektronik: IC-Substrate finden aufgrund ihres geringen Gewichts und ihrer hohen Leistung häufig Verwendung in Produkten der Unterhaltungselektronik, beispielsweise in Handyprozessoren. Ebenso kommen sie in anderen Geräten der Unterhaltungselektronik zum Einsatz, darunter Speichergeräte und Digitalkameras.
2. HF-Technologien: Die HF-Technologien erfordern Hochfrequenz- und Hochgeschwindigkeitsübertragung, z. B. 5G. IC-Substrate werden in HF-Modulen verwendet, um diese Anforderungen zu erfüllen und gleichzeitig die Signalintegrität zu wahren.
3. Militärindustrie: Militärische Anwendungen wie Drohnen, Raketen und Flugzeuge werden unter rauen Umweltbedingungen betrieben. Die in diesen Anwendungen verwendeten IC-Substrate machen sie widerstandsfähig gegen Umwelteinflüsse.
4. Automobilelektronik: Moderne Fahrzeuge sind zunehmend mit elektronischen Systemen wie Navigationsmodulen und autonomen Fahrsystemen ausgestattet. Das IC-Substrat ermöglicht die Implementierung dieser Technologien in modernen Fahrzeugen.
5. Medizinprodukte: Das IC-Substrat erleichtert den Designern die Herstellung äußerst intelligenter und kompakter Geräte wie Herzschrittmacher für Herzpatienten und anderer Diagnosegeräte.
Designüberlegungen für integrierte Schaltkreise
Beim Entwurf integrierter Schaltkreise müssen wichtige Faktoren berücksichtigt werden, die das Endergebnis Ihres Entwurfs völlig verändern können.
1. Materialeigenschaften: Die Materialeigenschaften können die Gesamtleistung des Chips erheblich beeinflussen. Es ist wichtig, die genaue Materialzusammensetzung und die Substrateigenschaften Ihres IC-Gehäuses zu kennen.
2. Wärmemanagement: Die Wärmeableitung ist ein wichtiger Parameter, der beim Entwurf des IC-Substrats berücksichtigt werden muss.
3. Signalintegrität: Die Signalintegrität ist ein kritischer Designparameter, der im Designprozess des IC-Substrats berücksichtigt werden muss, um sicherzustellen, dass es frei von Signalverlusten ist.
4. Zuverlässigkeit: Das IC-Substrat muss zuverlässig sein und rauen Umgebungsbedingungen standhalten.
Fazit
Die Welt bewegt sich in Richtung Miniaturisierung, und IC-Substrate bieten einen Weg, diesen Meilenstein zu erreichen. IC-Substrate sind die grundlegenden Komponenten integrierter Schaltkreise. Sie bilden die interne Verdrahtung des ICs, die den Chip mit der Leiterplatte verbindet. Das Verständnis der IC-Substratetypen, ihrer Herstellungsverfahren und Designaspekte ist für Ingenieure wichtig, um hochmoderne integrierte Schaltkreise herzustellen und zu entwickeln.
