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芯片封裝選擇終極指南

2019-05-31 13:59:43 來源:EETOP
半導體芯片封裝技術經過多年的發展,今天已有數百種封裝類型。

大多數應用將需要更通用的單元件封裝用于集成電路和其他元件,如電阻器,電容器,天線等。然而,隨著半導體行業開發出更小,更強大的器件,“系統級封裝”(SiP)解決方案正成為首選,所有元件都放在一個單獨的封裝或模塊中。
 

雖然封裝類型可以很容易地分為引線框架,基板或晶圓級封裝,但選擇適合您所有要求的封裝要復雜一些,需要評估和平衡應用需求。要做出正確的選擇,您必須了解多個參數的影響,如熱需求、功率、連接性、環境條件、PCB組裝能力,當然還有成本。
 

對于封裝類型的評估,以下是一些關鍵要求:
 

應用類別
 

最終目標應用是決定了封裝該如何選擇。您的應用是低成本的消費設備還是高成本的工業ASIC?它會在炎熱的環境中運行嗎?您是開發片上系統,還是將ASIC作為系統中的一個關鍵組件?這些問題將幫助您決定封裝的類型 - 您是否可以使用晶圓級或芯片尺寸封裝,或者標準的,更容易獲得的BGA或QFN型封裝。
 

高端級:要求通常與具有大量連接(高引腳輸出)的高速,高功率芯片有關。這些器件需要先進的封裝要求,以滿足小焊盤間距,高速信號和去耦的需求,這可以通過FC-BGA(倒裝芯片BGA)或更新的封裝(如嵌入式晶圓級球柵陣列(eWLB)實現。 )。
 

中端級:在中檔組通常需要封裝可以解決熱增強和使用成本效益高的塑料封裝技術-通常選擇BGA和QFN。該組的最高端是芯片級和晶圓級封裝,適用于系統封裝或多芯片模塊封裝。
 

入門級:包括高容量應用,其中成本是主要的驅動器,而不是性能。例如,用于筆記本和移動應用的設備通常需要小尺寸的晶片級和芯片尺寸封裝。
 

引腳數和 I/O
 

在確定封裝要求時,任何設備的輸入和輸出連接的數量和位置是要考慮的關鍵因素。 
 

引腳數高:如果您正在尋找一個非常高的引腳數,比如1000引腳封裝,那么您最好的選擇可能是標準的BGA封裝,它提供了這樣的I/O能力,因為整個封裝尺寸可以達到50-60平方毫米。
 

引腳數低:對于低引腳數,比如50個引腳,您可能選擇QFN或WLCSP封裝。但是,WLCSP對封裝內的散熱有限制。在存在發熱(例如,快速切換)或需要良好信號接地的情況下,由于“內置”金屬基墊,QFN是更好的封裝選擇。
 

布局:另一個參數是I/O的位置。如果I/O位于芯片周圍的外圍,那么只要芯片和封裝焊盤中有足夠的表面積,就可以快速,簡單和可靠地進行引線鍵合。如果I/O在不同區域的芯片表面上散布,那么從芯片中心引出的引線難以接通,那么倒裝芯片封裝可以直接連接到封裝的基板上,這通常是多層PCB,不會出現芯片重疊的問題。
 

熱管理
 

熱管理是優化芯片性能的關鍵封裝因素。例如,BGA封裝通常可以提供更低的成本/改進的熱管理解決方案,因為它的大小,因為它有更大的面積可用來散熱。就熱管理解決方案而言,較小的房地產芯片可能更貴,需要一個外部散熱器或其他冷卻選項。
 

BGA封裝有兩個熱墊選項,如導電vias或內置金屬基板,可以實現足夠的熱管理。熱增強BGA封裝的一些選項可以在其上內置金屬帽,從而在IC器件和金屬帽之間建立導熱路徑,從而提供良好的散熱。
 

QFN封裝的設計是這樣的,他們有一個堅實的金屬模具墊作為封裝的基礎,模具是粘結在一起的。這使得很好的散熱從硅模具通過PCB。
 

熱管理是優化芯片性能的關鍵封裝因素。例如,BGA封裝由于其尺寸,通常可以在封裝內提供更低成本/改進的熱管理解決方案,因為它具有更大的可用于散熱的面積。
 

BGA封裝 可選配兩個導熱墊,例如導電通孔或內置金屬底板,可實現充分的熱量管理。熱增強型BGA封裝的一些選擇可以在其上構建金屬蓋,其在IC器件和金屬蓋之間建立熱傳導路徑,這提供了良好的散熱。
 

QFN封裝 的設計使得它們具有固體金屬芯片焊盤作為封裝的基部,芯片與之結合。這樣可以實現從硅芯片到PCB的非常好的散熱。
 

貼片材料 使用導熱粘合劑(如Sliver填充的環氧樹脂,而不是普通環氧樹脂)將芯片粘合到基板上,有助于消除熱量。此外,還有更新的技術,如銀燒結技術 - 一種具有高工作溫度,高導熱性和導電性的互連方法。這些材料通常適用于QFN封裝,但由于封裝結構的原因,在BGA封裝中效果不佳。 
 

芯片尺寸和晶圓級封裝 這些封裝中的熱管理主要在芯片背面或芯片尺寸封裝中在芯片的裸露頂側完成。
 

高速信號/RF
 

RF,無線和高速數字設計具有影響封裝選擇的特定要求。封裝內互連的參數效應可顯著降低信號速度和頻率。
 

引線鍵合與倒裝芯片 在RF器件中,關鍵設計考慮因素涉及電感,電容和電阻,這些因素受進出器件信號速度的影響。這些問題也影響封裝選擇,主要是在倒裝芯片和引線鍵合互連之間。倒裝芯片將提供更好的RF性能,并能夠以更低的電感達到更高的頻率。另一方面,引線鍵合可以在每個RF輸入或較高頻率的輸出處添加隨機可變電感。
 

封裝布局。在RF頻率,信號沿表面而不是導體傳播。因此,組裝封裝的方式對設備具有重要影響。例如,高速放大器芯片,RF晶體管和二極管通常不能放入“標準”塑料封裝中,因為封裝材料影響芯片工作的速度。因此,這種芯片應該進入腔QFN或BGA封裝。
 

高頻信號(1GHz及以上)可能要求互連的布局具有隔離的信號路徑,稱為“接地信號接地”互連。這里對每個信號I/O的兩個接地連接的要求將影響封裝尺寸和布局。
 

此外,對于高速ASIC,信號電平和時序將受到它們行進的導體長度的影響。例如,如果您使用的是BGA封裝,并且導致一個點的導線較長而導致下一個導線的導線較短,則信號的時序差異會很大。必須通過更多地考慮封裝基板的初始設計以適應高速RF器件來克服這一點。
 

BGA襯底介電材料也是RF芯片的關鍵因素。例如,高性能液體聚合物基板(如Rogers層壓板)比標準FR4 PCB材料更適合用作RF設計用BGA封裝的基板。





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