تغليف الدوائر المتكاملة

📅 آخر تحديث: ٢٦ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٦ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 7 صور
الموسوعة الحرة

مقطع عرضي لحزمة ثنائية الخط . يحتوي هذا النوع من الحزم على رقاقة أشباه موصلات صغيرة ، مع أسلاك مجهرية تربط الرقاقة بإطارات التوصيل ، مما يسمح بإجراء توصيلات كهربائية بلوحة الدوائر المطبوعة .
شريط إطار معدني لدائرة متكاملة ثنائية الخط (DIP) مع نقاط توصيل

تُعدّ عملية تغليف الدوائر المتكاملة المرحلة الأخيرة من تصنيع أشباه الموصلات ، حيث تُغلّف الرقاقة بغلاف واقٍ يحميها من التلف المادي والتآكل. هذا الغلاف، المعروف باسم " الحزمة "، يدعم نقاط التلامس الكهربائية التي تربط الجهاز بلوحة الدوائر.

تلي مرحلة التغليف مرحلة اختبار الدائرة المتكاملة.

اعتبارات التصميم

أنواع مختلفة من حزم الدوائر المتكاملة (من اليسار إلى اليمين): TSSOP-32، TQFP-100، SO-20، SO-14، SSOP-28، SSOP-16، SO-8، QFN-28

كهربائي

تختلف الخصائص الكهربائية للمسارات الحاملة للتيار الكهربائي، التي تمتد من الشريحة عبر الغلاف إلى لوحة الدوائر المطبوعة ، اختلافًا كبيرًا عن الإشارات الموجودة داخل الشريحة نفسها. فهي تتطلب تقنيات تصميم خاصة، وتحتاج إلى طاقة كهربائية أكبر بكثير من الإشارات المحصورة داخل الشريحة. لذا، من المهم أن تتميز المواد المستخدمة كوصلات كهربائية بخصائص مثل المقاومة المنخفضة، والسعة المنخفضة، والحث المنخفض. [ 1 ] يجب أن يُعطي كل من تصميم الهيكل والمواد الأولوية لخصائص نقل الإشارة، مع تقليل أي عناصر طفيلية قد تؤثر سلبًا على الإشارة.

تزداد أهمية التحكم في هذه الخصائص مع تسارع وتيرة تطور التكنولوجيا بشكل عام. إذ قد تشكل تأخيرات التغليف ما يقارب نصف تأخير الحواسيب عالية الأداء، ومن المتوقع أن يتفاقم هذا العائق أمام السرعة. [ 1 ]

ميكانيكي وحراري

يجب أن تكون عبوة الدائرة المتكاملة مقاومة للكسر المادي، ومانعة لتسرب الرطوبة، وتوفر تبديدًا فعالًا للحرارة من الشريحة. علاوة على ذلك، في تطبيقات الترددات الراديوية ، يُشترط عادةً أن تحمي العبوة من التداخل الكهرومغناطيسي الذي قد يُضعف أداء الدائرة أو يؤثر سلبًا على الدوائر المجاورة. وأخيرًا، يجب أن تسمح العبوة بتوصيل الشريحة بلوحة الدوائر المطبوعة (PCB) . [ 1 ] تُصنع مواد العبوة إما من البلاستيك ( اللدائن الحرارية أو اللدائن الحرارية المتصلبة )، أو المعدن (عادةً الكوفار )، أو السيراميك. ومن أنواع البلاستيك الشائعة الاستخدام لهذا الغرض بلاستيك الإيبوكسي - كريزول - نوفولاك (ECN). [ 2 ] توفر جميع أنواع المواد الثلاثة قوة ميكانيكية ومقاومة للرطوبة والحرارة. ومع ذلك، في الأجهزة المتطورة، تُفضل العبوات المعدنية والسيراميكية عادةً نظرًا لقوتها العالية (التي تدعم أيضًا تصميمات ذات عدد أكبر من الأطراف)، وتبديد الحرارة، وأدائها المحكم ، أو لأسباب أخرى. عمومًا، تكون العبوات السيراميكية أغلى ثمنًا من العبوات البلاستيكية المماثلة. [ 3 ]

تحتوي بعض العبوات على زعانف معدنية لتحسين نقل الحرارة، لكنها تشغل حيزًا. كما تسمح العبوات الأكبر حجمًا بوجود عدد أكبر من دبابيس التوصيل. [ 1 ]

اقتصادي

تُعدّ التكلفة عاملاً مهماً في اختيار غلاف الدوائر المتكاملة. عادةً، يُمكن لغلاف بلاستيكي رخيص تبديد حرارة تصل إلى 2 واط، وهو ما يكفي للعديد من التطبيقات البسيطة، بينما يُمكن لغلاف خزفي مماثل تبديد حرارة تصل إلى 50 واط في نفس الظروف. [ 1 ] مع تصغير حجم الرقائق داخل الغلاف وزيادة سرعتها، ترتفع درجة حرارتها. ومع ازدياد الحاجة إلى تبديد حرارة أكثر فعالية، ترتفع تكلفة الغلاف تبعاً لذلك. عموماً، كلما صغر حجم الغلاف وزادت تعقيده، زادت تكلفة تصنيعه. [ 3 ] يُمكن استخدام تقنية توصيل الأسلاك بدلاً من تقنيات أخرى مثل تقنية رقاقة القلب المقلوبة لخفض التكاليف. [ 4 ]

تاريخ

دائرة متكاملة صغيرة الحجم. تحتوي هذه العبوة على 16 طرفًا على شكل "جناح النورس" بارزة من الجانبين الطويلين، وتبلغ المسافة بين الأطراف 0.050 بوصة.

كانت الدوائر المتكاملة المبكرة تُغلّف في عبوات مسطحة من السيراميك ، والتي استخدمها الجيش لسنوات عديدة نظرًا لموثوقيتها وصغر حجمها. أما النوع الآخر من التغليف المستخدم في سبعينيات القرن الماضي، والذي يُسمى عبوة الدوائر المتكاملة (ICP)، فكان عبوة سيراميكية (أحيانًا دائرية الشكل مثل عبوة الترانزستور)، مع وجود أطراف التوصيل على جانب واحد، متحدة المحور مع محور العبوة.

سرعان ما انتقلت تقنيات تغليف الدوائر التجارية إلى التغليف المزدوج المضمن (DIP)، أولاً باستخدام السيراميك ثم البلاستيك. [ 5 ] في ثمانينيات القرن العشرين، تجاوز عدد دبابيس الدوائر المتكاملة واسعة النطاق ( VLSI ) الحد العملي لتغليف DIP، مما أدى إلى ظهور تغليف مصفوفة شبكة الدبابيس (PGA) وتغليف حامل الرقاقة بدون أطراف (LCC). [ 6 ] ظهر تغليف التثبيت السطحي في أوائل ثمانينيات القرن العشرين، واكتسب شعبية في أواخرها، مستخدمًا تباعدًا أدق بين الأطراف، حيث تُشكّل الأطراف إما على شكل جناح النورس أو على شكل حرف J، كما يتضح في الدوائر المتكاملة صغيرة الحجم - وهي حامل يشغل مساحة أقل بنسبة 30-50% تقريبًا من حامل DIP المكافئ ، وبسماكة نموذجية أقل بنسبة 70%. [ 6 ]

دائرة متكاملة من صنع الاتحاد السوفيتي في وقت مبكر. يتم وضع الكتلة الصغيرة من مادة أشباه الموصلات (الرقاقة) داخل الغلاف المعدني الدائري (الحزمة).

كان الابتكار الكبير التالي هو حزمة المصفوفة المساحية ، التي تُوزّع أطراف التوصيل على كامل مساحة سطح الحزمة، مما يوفر عددًا أكبر من التوصيلات مقارنةً بأنواع الحزم السابقة التي كانت تستخدم المحيط الخارجي فقط. وكانت أول حزمة مصفوفة مساحية هي حزمة مصفوفة شبكية من دبابيس السيراميك . [ 1 ] وبعد فترة وجيزة، أصبحت مصفوفة الكرات البلاستيكية الشبكية (BGA)، وهي نوع آخر من حزم المصفوفة المساحية، إحدى أكثر تقنيات التغليف شيوعًا. [ 7 ]

في أواخر التسعينيات، حلت حزم PQFP ( الحزم البلاستيكية الرباعية المسطحة ) وحزم TSOP ( الحزم الرقيقة ذات المخطط الصغير ) محل حزم PGA كأكثر أنواع الحزم شيوعًا للأجهزة ذات عدد الأطراف العالي، [ 1 ] على الرغم من أن حزم PGA لا تزال تُستخدم غالبًا في المعالجات الدقيقة . ومع ذلك، انتقلت شركتا إنتل وإيه إم دي، الرائدتان في هذا المجال، في العقد الأول من الألفية الثانية من استخدام حزم PGA إلى حزم LGA (حزم مصفوفة الشبكة الأرضية ). [ 8 ]

ظهرت حزم مصفوفة الكرات الشبكية (BGA) منذ سبعينيات القرن الماضي، ثم تطورت إلى حزم مصفوفة الكرات الشبكية بتقنية التوصيل المقلوب (FCBGA) في تسعينيات القرن نفسه. تتيح حزم FCBGA عددًا أكبر بكثير من الأطراف مقارنةً بأنواع الحزم الأخرى الموجودة. في حزمة FCBGA، تُركّب الرقاقة رأسًا على عقب (مقلوبة) وتتصل بكرات الحزمة عبر ركيزة تشبه لوحة الدوائر المطبوعة، بدلًا من الأسلاك. تسمح حزم FCBGA بتوزيع مجموعة من إشارات الإدخال/الإخراج (تُسمى منطقة الإدخال/الإخراج ) على كامل سطح الرقاقة بدلًا من حصرها في محيطها. [ 9 ] استُبدلت الركائز الخزفية المستخدمة في BGA بركائز عضوية لخفض التكاليف، واستُخدمت تقنيات تصنيع لوحات الدوائر المطبوعة الحالية لإنتاج المزيد من الحزم في وقت واحد باستخدام لوحات دوائر مطبوعة أكبر حجمًا أثناء التصنيع. [ 10 ]

تختلف الخصائص الكهربائية للمسارات الخارجة من الشريحة، مروراً بالتغليف، وصولاً إلى لوحة الدوائر المطبوعة ، اختلافاً كبيراً عن الإشارات الموجودة داخل الشريحة نفسها. فهي تتطلب تقنيات تصميم خاصة، وتحتاج إلى طاقة كهربائية أكبر بكثير من الإشارات المحصورة داخل الشريحة.

تتضمن التطورات الحديثة تكديس رقائق متعددة في حزمة واحدة تُسمى SiP ( نظام في حزمة ) ، أو الدائرة المتكاملة ثلاثية الأبعاد . ويُطلق على دمج رقائق متعددة على ركيزة صغيرة، غالبًا ما تكون من السيراميك، اسم MCM ( وحدة متعددة الرقائق ). ويكون الحد الفاصل بين وحدة MCM كبيرة ولوحة الدوائر المطبوعة الصغيرة غير واضح أحيانًا. [ 11 ]

أنواع الحزم الشائعة

الصورة على اليسار هي صورة أشعة سينية للوحة الدوائر المطبوعة اليمنى ، تُظهر إطارات الرصاص المعدنية داخل عبوات الدوائر المتكاملة.

العمليات

في الدوائر المتكاملة التقليدية، بعد تقطيع الرقاقة ، تُنتزع الشريحة من الرقاقة المقطعة باستخدام طرف شفط أو كوب شفط [ 12 ] [ 13 ] ، ثم تُركّب على الغلاف أو الهيكل الداعم (الموصل) [ 14 ] . في التطبيقات عالية الطاقة، تُربط الشريحة عادةً بالغلاف باستخدام لحام يوتكتيكي ، مثل لحام الذهب والقصدير أو لحام الذهب والسيليكون (لضمان توصيل حراري جيد ). أما في التطبيقات منخفضة التكلفة والطاقة، فتُلصق الشريحة غالبًا مباشرةً على الركيزة (مثل لوحة الدوائر المطبوعة ) باستخدام لاصق إيبوكسي . كما يمكن ربط الشرائح باستخدام اللحام. تُستخدم هذه التقنيات عادةً عند توصيل الشريحة بالأسلاك؛ أما الشرائح التي تعتمد على تقنية رقاقة الوصل المقلوب فلا تستخدم هذه التقنيات [ 15 ] [ 16 ] .

يُعرف ربط الدوائر المتكاملة أيضًا باسم ربط الرقاقات، وتثبيت الرقاقات، وتركيب الرقاقات. [ 17 ]

تُجرى العمليات التالية في مرحلة التغليف، وهي مُقسّمة إلى خطوات الربط والتغليف وربط الرقاقات. تجدر الإشارة إلى أن هذه القائمة ليست شاملة، ولا تُجرى جميع هذه العمليات لكل عبوة، إذ تعتمد العملية بشكل كبير على نوع العبوة .

عملية التلبيد لتثبيت الرقاقة هي عملية تتضمن وضع رقاقة أشباه الموصلات على الركيزة ثم تعريضها لدرجة حرارة وضغط عاليين في بيئة مضبوطة. [ 18 ]

انظر أيضاً

مراجع

  1. 1 2 3 4 5 6 7 راباي، جان (2007). الدوائر المتكاملة الرقمية (  الطبعة الثانية). برنتيس هول، إنك. ISBN 978-0130909961.
  2. ↑ أردبيلي، هالة؛ بيشت، مايكل ج. (2009). "مواد التغليف البلاستيكية" . تقنيات التغليف للتطبيقات الإلكترونية . ص 47-127 . doi : 10.1016/B978-0-8155-1576-0.50006-1 . ISBN  9780815515760S2CID 138753417 – عبر ResearchGate .​ 
  3. 1 2 غريغ، ويليام (2007). تغليف الدوائر المتكاملة وتجميعها وتوصيلاتها البينية . سبرينغر ساينس آند بيزنس ميديا. ISBN 9780387339139.
  4. ↑ "التغليف السلكي مقابل التغليف الرقائقي المقلوب | ملخص أشباه الموصلات" . 10 ديسمبر 2016.
  5. ↑ دومر، جي دبليو إيه (1978). الاختراعات والاكتشافات الإلكترونية (الطبعة الثانية) . دار بيرغامون للنشر. رقم ISBN 0-08-022730-9.
  6. 1 2 بيكر، ر. جاكوب (2010). CMOS: تصميم الدوائر، والتخطيط، والمحاكاة، الطبعة الثالثة . وايلي-IEEE. ISBN 978-0-470-88132-3.
  7. ↑ كين جيليو (2003). عمليات تغليف المصفوفات المساحية لتقنيات BGA و Flip Chip و CSP . ماكجرو هيل بروفيشنال . ص 251. ISBN  0-07-142829-1.
  8. ↑ "تقنية مقبس وحزمة مصفوفة الشبكة الأرضية (LGA)" (ملف PDF) . إنتل . تم الاطلاع عليه في 7 أبريل 2016 .
  9. ↑ رايلي، جورج (30 يناير 2009). "رقائق التقليب: الدرس التعليمي رقم 1" . مؤرشف من الأصل في 30 يناير 2009. تم الاطلاع عليه في 7 أبريل 2016 .
  10. ↑ مواد التغليف المتقدمة . سبرينغر. ١٧ ديسمبر ٢٠٠٨. رقم ISBN 978-0-387-78219-5.
  11. ↑ آر. واين جونسون، مارك ستريكلاند، وديفيد جيرك، برنامج ناسا لتغليف وتصنيع الأجزاء الإلكترونية. " التغليف ثلاثي الأبعاد: مراجعة تقنية ". 23 يونيو 2005. تم الاطلاع عليه في 31 يوليو 2015.
  12. ↑ كتالوج ملحقات القوالب وتوزيع السوائل من شركة SPT للأدوات الدقيقة الصغيرة
  13. ↑ "تقنيات وأساليب ربط الرقائق" . 9 يوليو 2012.
  14. ↑ إل دبليو تيرنر (محرر)، كتاب مرجعي لمهندسي الإلكترونيات ، نيونس-باتروورث، 1976، رقم ISBN 0-408-00168-2، الصفحات من 11-34 إلى 11-37
  15. ↑ "تقنيات وأساليب ربط الرقائق" . 9 يوليو 2012.
  16. ↑ لاو، جون هـ. (30 يونيو 1994). رقاقة على لوحة: تقنية الوحدات متعددة الرقائق . سبرينغر. ISBN 978-0-442-01441-4.
  17. ↑ "ما هي عملية تركيب الرقاقة؟" . شركة أوريكوس لحلول أشباه الموصلات . 1 نوفمبر 2021. تاريخ الاسترجاع: 22 أبريل 2024 .
  18. ↑ بوتاي، سيريل، وآخرون. "تحسين عملية ربط رقائق أجهزة الطاقة باستخدام عملية التلبيد الفضي وتوصيفها." HiTEN 2011. 2011.