Con el paso de los años, se ha evidenciado que los circuitos integrados se están volviendo compactos e inteligentes debido a la creciente demanda de miniaturización de dispositivos electrónicos. La Ley de Moore establece que el número de transistores en un chip se duplica cada dos años. Estos desafíos llevaron a los científicos a desarrollar circuitos integrados y sustratos de CI más sofisticados. El sustrato de CI está compuesto por materiales a base de resina y se utiliza para crear un pequeño cableado eléctrico dentro del chip que conecta el CI con la PCB o el sistema externo. El sustrato de CI permite que el microchip transmita las señales eléctricas entre el chip y la placa de circuito.
Los avances en las tecnologías de semiconductores, como la invención de los encapsulados de matriz de rejilla de bolas (BGA) y el sustrato para circuitos integrados (CI), hacen que sea crucial que los ingenieros de diseño comprendan los conceptos fundamentales y básicos del sustrato para CI, su proceso de fabricación y cómo y cuándo usar PCB de sustrato para CI en sus diseños. Este artículo te ayudará a cubrir todos los conceptos fundamentales y básicos del sustrato para CI para que mejores tu rendimiento.
¿Qué es un sustrato IC?
Un circuito integrado, o simplemente CI, es un circuito que contiene transistores, diodos, resistencias y condensadores, todos fabricados en un pequeño chip semiconductor. Un sustrato de CI es una plataforma especializada que se utiliza como base para el soporte físico y eléctrico de los circuitos integrados. El sustrato es un material que actúa como escudo para el CI y establece la conexión entre este y la pista de la PCB. Este sustrato es un conjunto de orificios y pistas que forman la conexión eléctrica de los componentes dentro del CI y les proporcionan una vía para comunicarse con el exterior. En pocas palabras, el sustrato de CI no es más que el cableado interno de un CI que conecta el chip con la PCB.
Tipos de sustrato de CI
Los distintos microchips tienen diferentes tamaños, rendimiento, coste, estilos de encapsulado, gestión térmica y consideraciones de coste. En función de estos factores, los sustratos de circuitos integrados (CI) se pueden clasificar en tres categorías principales.s:
Clasificación por tipo de embalaje
La clasificación del sustrato de CI por tipo de empaquetado se centra en la estructura final o estilo de empaquetado del CI. Según el tipo de empaquetado, la función del sustrato de CI varía, lo que los divide en diferentes tipos.
1. Sustrato BGA IC: BGA significa Matriz de Rejilla de Bolas y utiliza bolas de soldadura dispuestas en forma de matriz para establecer una conexión eléctrica. Este tipo de sustrato para circuitos integrados está especialmente diseñado para gestionar la disipación térmica. Se utiliza en aplicaciones que requieren un mejor rendimiento térmico y una mayor densidad de pines.
2. Sustrato de CSP IC: A diferencia del encapsulado BGA, el encapsulado a escala de chip (CSP) se utiliza principalmente para aplicaciones que requieren un menor número de pines. Estos encapsulados de sustrato de CI son inteligentes y ligeros, por lo que son adecuados para productos de miniaturización como la electrónica de consumo, el Internet de las Cosas (IoT) y la electrónica portátil.
3. Sustrato IC MCM: MCM significa Módulo Multichip y, como su nombre indica, estos sustratos de CI se utilizan principalmente para realizar múltiples tareas. En resumen, un sustrato MCM tiene múltiples chips combinados en un solo módulo, y cada módulo cumple una función específica. Al combinarse los múltiples chips en un solo encapsulado, son adecuados para aplicaciones con limitaciones de espacio y peso. La desventaja del sustrato MCM para CI es que no es adecuado para entornos hostiles ni temperaturas extremas, ya que los múltiples chips están encapsulados en un solo módulo, lo que provoca disipación de calor.
4. Sustrato de FC IC: El sustrato de circuito integrado (CI) de chip invertido (FC) es ideal para aplicaciones que requieren baja interferencia de señal, mejor rendimiento y mejor gestión térmica. Su buena gestión térmica los hace ideales para unidades de procesamiento general (GPU), chips de comunicación RF y procesadores de aprendizaje automático.
Clasificación por características del material
Los sustratos de circuitos integrados (CI) se pueden clasificar según las características de sus materiales. Se utilizan diferentes características para lograr distintas funciones.
1. Sustratos de circuitos integrados de placa rígida: El sustrato de circuitos integrados (CI) utilizado para fabricar placas de circuitos rígidos utiliza resina y fibra de vidrio. Las características de la resina epoxi la hacen rígida y estable. Se utiliza en placas rígidas tradicionales como las BGA.
2. Sustratos de circuitos integrados de placa flexible: Estos sustratos para circuitos integrados están fabricados con poliimida. Se utilizan en aplicaciones que requieren flexibilidad y ahorro de espacio.
3. Sustrato de circuito integrado de placa de cerámica: Estos sustratos para circuitos integrados están fabricados con aluminio y se utilizan en aplicaciones que requieren alta fiabilidad.
Clasificación por tecnología de unión
Los sustratos de CI también se pueden clasificar en términos de tecnología de unión.
1. Unión de cables: El tipo de unión más simple es la unión por cable, en la que los cables se enhebran desde el microchip mediante una máquina.
2. Unión FC: La unión de chips invertidos se realiza generalmente con adhesivo polimérico. Este método utiliza bolas de soldadura para facilitar la interconexión de los contactos del chip y la placa.
3. Enlace TAB: La unión automatizada de la cinta se realiza mediante un adhesivo sensible a la presión uniendo el chip al sustrato flexible.
Funciones clave del sustrato de CI
Un sustrato de CI cumple varias funciones clave. A continuación, se presentan algunas de las más importantes.
1. El sustrato IC actúa como un puente que conecta el microchip y la PCB realizando conexiones eléctricas.
2. Proporciona soporte mecánico al chip.
3. El sustrato IC desempeña una función clave en la gestión de la disipación del calor y la prevención del sobrecalentamiento.
4. El sustrato IC protege al microchip de las condiciones ambientales externas.
5. Su pequeño tamaño y peso ligero ayudan a los diseñadores a fabricar dispositivos inteligentes.
Proceso de fabricación de sustratos de circuitos integrados
El proceso de fabricación del sustrato de CI es un proceso complejo que se realiza en un entorno extremadamente limpio sin partículas de polvo.
1. Selección de materiales: El primer paso en la fabricación del sustrato de circuito integrado (CI) es elegir el material. Normalmente, se utiliza resina BT, materiales ABF o, en ocasiones, poliimida, según los requisitos.
2. Modelado y enchapado de cobre: El segundo paso, y el más crítico, es la creación de circuitos eléctricos sobre el sustrato. Se utiliza luz ultravioleta y fotorresistencia para el patrón de diseño del circuito. El patrón desarrollado se somete posteriormente a un proceso de grabado para formar las rutas conductoras.
3. Laminación: El sustrato IC final se fabrica apilando y uniendo varias capas de materiales.
4. Perforación: Ahora, se perforan los orificios y las vías en el sustrato del circuito integrado para facilitar las conexiones eléctricas. Las vías permiten que las señales eléctricas pasen a través de las diferentes capas.
5. Tratamiento superficial: El sustrato del CI pasa por el proceso de resistencia a la oxidación para protegerlo de las condiciones ambientales como la humedad y la temperatura.
6. Inspección de calidad: Después de la fabricación del sustrato IC, este pasa por pruebas de calidad exhaustivas para garantizar que funciona según las especificaciones establecidas.
Aplicaciones de las placas de circuito impreso (PCB) de sustrato de circuito integrado
Los sustratos de CI son los componentes fundamentales de la tecnología de CI. Se utilizan ampliamente en todo tipo de aplicaciones que utilizan CI.
1. Electrónica de consumo: Los sustratos de circuitos integrados (CI) se utilizan ampliamente en productos electrónicos de consumo, como los procesadores de teléfonos móviles, gracias a su ligereza y alto rendimiento. Asimismo, se emplean en otros dispositivos electrónicos de consumo, como dispositivos de memoria y cámaras digitales.
2. Tecnologías de RF: Las tecnologías de RF requieren transmisión de alta frecuencia y alta velocidad, por ejemplo, 5G. Los sustratos de CI se utilizan en módulos de RF para cumplir estos requisitos manteniendo la integridad de la señal.
3. Industria militar: Las aplicaciones militares, como drones, misiles y aeronaves, operan en condiciones ambientales adversas. Los sustratos de circuitos integrados (CI) utilizados en estas aplicaciones los hacen aptos para soportar las condiciones ambientales.
4. Electrónica automotriz: Los vehículos modernos están cada vez más equipados con sistemas electrónicos como módulos de navegación y sistemas de conducción autónoma. El sustrato de circuitos integrados (CI) ofrece el camino a seguir para la implementación de estas tecnologías en los vehículos modernos.
5. Dispositivos médicos: El sustrato IC permite a los diseñadores fabricar fácilmente dispositivos extremadamente inteligentes y compactos, como marcapasos para pacientes cardíacos y otros equipos de diagnóstico.
Consideraciones de diseño para circuitos integrados
Al diseñar los circuitos integrados, es importante considerar factores importantes que pueden alterar por completo los resultados finales del diseño.
1. Características del material: Las características del material pueden alterar considerablemente el rendimiento general del chip. Es importante conocer la composición exacta del material y las características del sustrato para su encapsulado de CI.
2. Gestión térmica: La disipación térmica es un parámetro importante que debe tenerse en cuenta al diseñar el sustrato del CI.
3. Integridad de la señal: La integridad de la señal es un parámetro de diseño crítico que debe considerarse en el proceso de diseño del sustrato del CI para garantizar que esté libre de pérdida de señal.
4. Fiabilidad: El sustrato del CI debe ser confiable y soportar duras condiciones ambientales.
Conclusión
El mundo avanza hacia la miniaturización, y el sustrato de CI ofrece una vía para lograr este hito. Los sustratos de CI son los componentes fundamentales de los circuitos integrados. Constituyen el cableado interno del CI que conecta el chip con la PCB. Comprender los tipos de sustrato de CI, su proceso de fabricación y las consideraciones de diseño es fundamental para que los ingenieros fabriquen y diseñen circuitos integrados de vanguardia.
