Por Timothy O'Neill y Gayle Towell
Un aspecto crítico de la fabricación de semiconductores consiste en encapsular los circuitos integrados para protegerlos de daños físicos y corrosión, al tiempo que se mejoran sus prestaciones y se reduce su tamaño. La tecnología en torno a este envasado avanzado de semiconductores (ASP) es fundamental no sólo para la funcionalidad, sino también para la viabilidad económica de los dispositivos electrónicos modernos.
Aquí cubrimos diversas tecnologías y métodos de envasado, incluida la forma en que los productos de soldadura se integran en estos procesos, al tiempo que arrojamos luz sobre la evolución de la convergencia entre ASP y la tecnología de montaje superficial (SMT).
Tipos de envases avanzados para semiconductores
En primer lugar, exploremos algunos de los principales tipos de ASP, incluidas sus metodologías y aplicaciones únicas.
Embalaje de Flip Chip
El empaquetado Flip Chip es un método en el que el chip semiconductor se "voltea" para conectarse boca abajo con el sustrato o la placa de circuito. Este método permite interconexiones más cortas, cruciales para aplicaciones de alta velocidad y alto rendimiento como smartphones y dispositivos informáticos.El bumping es un método habitual para crear estas conexiones.
Embalaje Fan-Out a nivel de oblea (FOWLP)
FOWLP es una tecnología de vanguardia que ofrece una mayor densidad de E/S sin necesidad de intercaladores ni sustratos. Este método consiste en expandir la oblea antes de cortarla en chips individuales, lo que permite un mayor número de conexiones por chip.A menudo, las bolas de soldadura se forman sobre la capa de redistribución como último paso antes del corte.
Sistema en paquete (SiP)
La tecnología SiP (System in Package) encapsula varios circuitos integrados (CI) y componentes pasivos en un único envase, creando así un sistema dentro de un único módulo. Este método de empaquetado permite ahorrar mucho espacio y mejorar el rendimiento al integrar diversos componentes, como procesadores, memoria y sensores, que normalmente estarían repartidos por una placa de circuitos.Al igual que en el empaquetado de flip chips, pueden utilizarse puntos de soldadura para unir los chips apilados entre sí o con el sustrato.
Paquete sobre paquete (PoP)
Paquete sobre paquete (PoP) es una técnica de empaquetado en la que dos o más paquetes se apilan verticalmente con bolas de soldadura que facilitan las conexiones entre paquetes. Este método se utiliza habitualmente en dispositivos móviles para ahorrar espacio y aumentar la funcionalidad apilando chips de memoria directamente sobre un procesador.
Envases 3D y 2,5D
El empaquetado 3D consiste en apilar obleas o troqueles de silicio e interconectarlos verticalmente mediante vías de paso de silicio (TSV) u otros tipos de conexiones, lo que permite acortar las rutas de datos y mejorar el rendimiento. En cambio, el encapsulado 2,5D coloca varios circuitos integrados en un intercalador (un puente de silicio) que se conecta al sustrato principal. Este método facilita la comunicación de alta velocidad entre chips sin una integración vertical completa.Las conexiones suelen ser facilitadas por microesferas o pequeñas bolas de soldadura.
Conexiones de chips y matrices en el envasado de semiconductores
La fijación de la matriz es el proceso de montar una matriz semiconductora dentro de un envase y establecer una sólida conexión mecánica y eléctrica entre la matriz y el sustrato. Esta conexión es crucial para la gestión térmica y la fiabilidad general del dispositivo.
Aquí exploramos los distintos métodos de conexión, destacando el papel de la soldadura junto a otras tecnologías utilizadas en la industria.
Cable de conexión
El alambre de unión es un método tradicional utilizado para crear conexiones eléctricas entre la matriz del semiconductor y el marco del conductor o las patillas del encapsulado. Estos finos hilos, que suelen estar hechos de oro, aluminio o cobre, se colocan con precisión para conectar pequeñas almohadillas de unión de la matriz con puntos de contacto más grandes del encapsulado. Aunque es eficaz para muchas aplicaciones, el alambre de unión puede ser un factor limitante en la miniaturización y es susceptible a la tensión mecánica.
Sinterización
La sinterización es un proceso que utiliza partículas metálicas para crear una unión sólida entre la matriz y el sustrato sin fundir completamente los materiales. Esta técnica es especialmente útil en aplicaciones de alta potencia en las que es crucial una conductividad térmica y eléctrica superior. El sinterizado de plata, por ejemplo, es preferido por sus excelentes propiedades de gestión térmica y su fiabilidad frente a la soldadura tradicional, especialmente en entornos de alta temperatura.
Soldadura
La soldadura sigue siendo uno de los materiales más utilizados para unir componentes en los envases de semiconductores. Proporciona una unión conductiva y mecánica fiable a temperaturas relativamente bajas. La soldadura puede inyectarse, imprimirse, sumergirse o colocarse en forma de bolas sobre un fundente pegajoso antes del reflujo.
Otros adhesivos
Además de las uniones metálicas, en los envases de semiconductores se utilizan diversos adhesivos poliméricos. Entre ellos se encuentran los adhesivos conductores de electricidad (ECA) y los adhesivos no conductores (NCA), que se seleccionan en función de sus propiedades térmicas, mecánicas y eléctricas. Estos adhesivos son especialmente útiles en aplicaciones en las que se requieren temperaturas más bajas durante el proceso de ensamblaje, evitando así que se dañen los componentes sensibles.
Cada método de conexión tiene sus propias ventajas y limitaciones y, a menudo, se utilizan varias técnicas a la vez para satisfacer las diversas necesidades de los dispositivos electrónicos modernos. Por ejemplo, para gestionar eficazmente las cargas térmicas, un dispositivo puede utilizar tanto soldadura para la fijación a nivel de placa como sinterización para la fijación de la matriz.
Bumping de soldadura en el envasado de semiconductores
El bumping de soldadura es un proceso habitual en el empaquetado de semiconductores que consiste en colocar pequeñas esferas de soldadura, o "bumps", en las almohadillas de contacto de un chip u oblea. Estas protuberancias sirven como puntos de conexión entre el chip semiconductor y el sustrato del paquete u otro chip en configuraciones apiladas.
El bumping suele facilitar interconexiones de paso más fino, esenciales a medida que los dispositivos se miniaturizan y se hacen más complejos. Aquí se detallan varias técnicas clave del proceso de bumping.
Bumping de obleas
El bumping en obleas consiste en depositar protuberancias de soldadura en la oblea antes de cortarla en troqueles individuales. Este proceso forma parte integral de la tecnología flip chip, en la que el chip se monta al revés y las protuberancias se conectan directamente al sustrato. El bumping de obleas puede realizarse por varios métodos:
- Galvanoplastia: Método en el que la soldadura se deposita electroquímicamente en la almohadilla de la oblea. Se trata de una técnica muy controlada que permite obtener alturas y composiciones de protuberancias uniformes, algo fundamental para las interconexiones de alta densidad.
- Impresión por estarcido: De forma similar a como se aplica la pasta de soldadura en el montaje de placas de circuito impreso, la impresión por estarcido puede utilizarse para el bumping de obleas. Se trata de un método adaptable y rentable, adecuado para diferentes aleaciones de soldadura y tamaños de protuberancias.
- Jetting: Una técnica avanzada que utiliza una boquilla para depositar la soldadura directamente sobre las almohadillas de las obleas. Este método ofrece una gran precisión y se adapta a distintos tamaños de protuberancias.
Bumping en pilares de cobre
El bumping con pilar de cobre es una variante del bumping con soldadura que utiliza un poste de cobre recubierto con una pequeña cantidad de soldadura. Este método es cada vez más popular en aplicaciones de alto rendimiento debido a la superior conductividad eléctrica y térmica del cobre.
Los bumps de cobre se suelen utilizar junto con una tecnología de microbump o de interposición en el encapsulado de circuitos integrados 2,5D y 3D, donde se necesitan interconexiones de paso fino. Los tapones de soldadura de los bumps de cobre se aplican mediante un proceso de chapado o de transferencia de impresión, lo que garantiza una cantidad precisa de soldadura en la parte superior de cada pilar de cobre.
Escala e importancia
El tamaño de los puntos de soldadura puede oscilar entre más de 100 micras y menos de 10 micras de diámetro, lo que responde a diversas necesidades tecnológicas, desde el ensamblaje básico de circuitos hasta las conexiones avanzadas de chips. La escalabilidad de las técnicas de bumping de soldadura permite su aplicación en un amplio espectro de dispositivos semiconductores, desde la robusta electrónica de potencia hasta las delicadas tecnologías para llevar puestas.
La unión por soldadura es fundamental no sólo para el ensamblaje físico de los componentes semiconductores, sino también para garantizar la integridad operativa del dispositivo. La resistencia mecánica, la conductividad eléctrica y la capacidad de gestión térmica de las uniones soldadas son vitales para el rendimiento general y la durabilidad del dispositivo.
Convergencia de ASP y SMT
A medida que evoluciona la tecnología, ASP y la tecnología de montaje superficial (SMT) convergen cada vez más. Esta integración plantea retos, como la necesidad de una mayor precisión y una mayor capacidad de gestión térmica, pero también abre oportunidades para agilizar los procesos y mejorar la fiabilidad de los dispositivos.
AIM Solder está a la vanguardia de esta convergencia, ofreciendo productos que apoyan la integración de ASP en las líneas SMT tradicionales. Mantenemos nuestro compromiso de apoyar a nuestros clientes con productos de soldadura superiores y soporte técnico experto, reforzando nuestra posición como líder en la industria de materiales de ensamblaje electrónico.