За прошедшие годы стало очевидно, что интегральные схемы становятся компактными и умными с ростом спроса на миниатюризацию электронных устройств. Закон Мура гласит, что количество транзисторов на чипе будет удваиваться каждые два года. Эти проблемы заставили ученых создать более сложные интегральные схемы и подложки ИС. Подложка ИС состоит из материалов на основе смолы, а затем эта подложка используется для создания крошечных электрических проводов внутри чипа, которые соединяют ИС с печатной платой или внешней системой. Подложка ИС позволяет микрочипу передавать электрические сигналы между чипом и печатной платой.
Достижения в области полупроводниковых технологий, такие как изобретение корпусов Ball Grid Array (BGA) и подложки ИС, делают для инженеров-конструкторов критически важным понимание фундаментальных и основных концепций подложки ИС, процесса их производства, а также того, как и когда использовать печатные платы подложки ИС в своих проектах. Эта статья поможет вам охватить все фундаментальные и основные концепции подложки ИС, чтобы поднять свою игру на новый уровень!
Что такое подложка ИС?
Интегральная схема, или просто ИС, представляет собой схему, которая имеет транзисторы, диоды, резисторы и конденсаторы, все изготовленные в небольшом полупроводниковом чипе. Подложка ИС представляет собой специализированную платформу, которая используется в качестве базы для физической и электрической поддержки интегральных схем. Подложка представляет собой материал, который действует как экран для ИС и устанавливает соединение между ИС и дорожкой печатной платы. Эта подложка представляет собой набор отверстий и дорожек, которые образуют электрическое соединение для компонентов внутри ИС и дают им путь для связи с внешним миром. Проще говоря, подложка ИС представляет собой не что иное, как внутреннюю проводку ИС, которая соединяет чип с печатной платой.
Типы подложек IC
Различные микрочипы имеют разные размеры, производительность, стоимость, стили упаковки, управление температурой и соображения стоимости. На основе этих факторов подложки ИС можно разделить на три основные категорииs:
Классификация по типу упаковки
Классификация подложек ИС по типу упаковки фокусируется на окончательной структуре или стиле упаковки ИС. В зависимости от типа упаковки меняется роль подложки ИС, что делит их на различные типы.
1. Подложка BGA IC: BGA означает Ball Grid Array, и они используют шарики припоя, расположенные в форме массива, для создания электрического соединения. Этот тип подложки ИС специально разработан для управления рассеиванием тепла. Они используются в приложениях, где требуются лучшие тепловые характеристики и более высокая плотность выводов.
2. Подложка CSP IC: В отличие от типа корпуса BGA, корпус Chip Scale (CSP) используется в основном для приложений, требующих меньшего количества выводов. Эти корпуса подложки ИС являются интеллектуальными и легкими, поэтому подходят для миниатюризации продуктов, таких как бытовая электроника, Интернет вещей и носимая электроника.
3. Подложка ИС MCM: MCM означает Multichip Module (многокристальный модуль), и, как следует из названия, эти подложки ИС в основном используются для выполнения нескольких задач. Проще говоря, подложка MCM имеет несколько чипов, объединенных в один модуль, и каждый модуль служит уникальной цели. Поскольку несколько чипов объединены в один корпус, они подходят для приложений, которые имеют ограничения по пространству и весу. Недостатком подложки MCM IC является то, что она не подходит для суровых условий и экстремальных температур, поскольку несколько чипов упакованы в один модуль, что приводит к рассеиванию тепла.
4. Субстрат FC IC: Подложка Flip Chip (FC) IC идеально подходит для приложений, требующих низкого уровня помех сигнала, лучшей производительности и лучшего управления температурой. Хорошие возможности управления температурой подложек FC IC делают их идеальными для общих процессоров (GPU), микросхем радиочастотной связи и процессоров машинного обучения.
Классификация по характеристикам материала
Подложки ИС можно классифицировать на основе характеристик их материалов. Различные характеристики материалов используются для достижения различных функций.
1. Жесткие подложки ИС: Подложка ИС, используемая для изготовления жестких печатных плат, использует смолу и стекловолоконный материал. Характеристики материала эпоксидной смолы делают ее жесткой и стабильной. Они используются в традиционных жестких платах, таких как BGA.
2. Подложки ИС для гибких плат: Эти подложки ИС изготовлены из полиимидного материала. Они используются в приложениях, требующих гибкости и экономии пространства.
3. Керамическая подложка ИС: Эти подложки ИС изготовлены из алюминиевого материала. Эти подложки используются в приложениях, где требуется высокая надежность.
Классификация по технологии склеивания
Подложки ИС также можно классифицировать по технологии соединения.
1. Соединение проводов: Самый простой тип соединения — это проволочное соединение, при котором провода продеваются через микросхему с помощью машины.
2. Склеивание FC: Склеивание методом переворачивания чипа обычно выполняется с использованием полимерного клея. Этот метод использует шарики припоя для облегчения соединения контактов чипа и платы.
3. Склеивание TAB: Автоматическое склеивание ленты осуществляется с помощью чувствительного к давлению клея путем прикрепления чипа к гибкой подложке.
Основные функции подложки ИС
Есть несколько ключевых функций, которые выполняет подложка ИС. Ниже приведены некоторые важные ключевые функции подложки ИС.
1. Подложка ИС действует как мост, соединяющий микросхему и печатную плату посредством создания электрических соединений.
2. Он обеспечивает механическую поддержку чипа.
3. Подложка ИС играет ключевую функцию в управлении рассеиванием тепла и предотвращении перегрева.
4. Подложка ИС защищает микросхему от внешних воздействий окружающей среды.
5. Их небольшой размер и легкий вес помогают разработчикам создавать интеллектуальные устройства.
Процесс производства подложек ИС
Процесс производства подложек ИС — сложный процесс, который осуществляется в исключительно чистой среде, не содержащей частиц пыли.
1. Выбор материала: Самым первым шагом в процессе производства подложки ИС является выбор материала. Обычно используются смола BT, материалы ABF или иногда полиимид в зависимости от требований.
2. Медное моделирование и покрытие: Вторым и наиболее важным шагом является создание электрических цепей на подложке. Для рисунка схемы используются ультрафиолетовый свет и фоторезист. Разработанный рисунок затем проходит через процесс травления для формирования токопроводящих дорожек.
3. Ламинирование: Окончательная подложка ИС изготавливается путем наложения и склеивания нескольких слоев материалов вместе.
4. Бурение: Теперь отверстия и переходные отверстия просверлены в подложке ИС, чтобы проложить путь для электрических соединений. Переходные отверстия позволяют электрическим сигналам проходить через различные слои.
5. Обработка поверхности: Подложка ИС проходит процесс окислительной стойкости для защиты ее от воздействия окружающей среды, таких как влажность и температура.
6. Проверка качества: После изготовления подложки ИС она проходит комплексное тестирование качества, чтобы убедиться в ее соответствии заданным характеристикам.
Применение печатных плат с подложкой для интегральных схем
Подложки ИС являются фундаментальными блоками технологии ИС. Они широко используются во всех типах приложений, в которых используются ИС.
1. Бытовая электроника: Подложки ИС широко используются в потребительской электронике, например, в процессорах мобильных телефонов, благодаря их легкости и высокой производительности. Аналогичным образом они используются в других потребительских электронных устройствах, включая запоминающие устройства и цифровые камеры.
2. Радиочастотные технологии: Радиочастотные технологии требуют высокой частоты и высокоскоростной передачи, например, 5G. Подложки ИС используются в радиочастотных модулях для удовлетворения этих требований, сохраняя при этом целостность сигнала.
3. Военная промышленность: Военные приложения, такие как беспилотники, ракеты и самолеты, работают в суровых условиях окружающей среды. Подложки ИС, используемые в этих приложениях, позволяют им выдерживать условия окружающей среды.
4. Автомобильная электроника: Современные транспортные средства становятся все более насыщенными электронными системами, такими как навигационные модули и системы автономного вождения. Подложка ИС обеспечивает путь вперед для внедрения этих технологий в современные транспортные средства.
5. Медицинские приборы: Подложка ИС позволяет разработчикам легко создавать чрезвычайно интеллектуальные и компактные устройства, такие как кардиостимуляторы для пациентов с сердечно-сосудистыми заболеваниями и другое диагностическое оборудование.
Вопросы проектирования интегральных схем
При проектировании интегральных схем важно учитывать важные факторы, которые могут полностью изменить конечные результаты вашего проекта.
1. Характеристики материала: Характеристики материала могут значительно изменить общую производительность чипа. Важно знать точный состав материала и характеристики подложки для вашего корпуса ИС.
2. Управление тепловым режимом: Тепловое рассеивание является важным параметром, который необходимо учитывать при проектировании подложки ИС.
3. Целостность сигнала: Целостность сигнала является критически важным параметром проектирования, который необходимо учитывать в процессе проектирования подложки ИС, чтобы гарантировать отсутствие потерь сигнала.
4. Надежность: Подложка ИС должна быть надежной и выдерживать суровые условия окружающей среды.
Заключение
Мир движется в сторону миниатюризации, и подложка ИС обеспечивает путь вперед к достижению этой вехи. Подложки ИС являются основными компонентами в интегральных схемах. Подложки ИС являются внутренней проводкой ИС, которая соединяет чип с печатной платой. Понимание типов подложек ИС, процесса их производства и конструктивных особенностей важно для инженеров для производства и проектирования современных интегральных схем.
