IC-Substrat: Die Basis für die Verpackung integrierter Schaltungen

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Zu den am häufigsten in der integrierten Schaltungspackung verwendeten Materialien gehören Laminat-Substrate, Leadframes, Bondingdraht, Einkapselungsmaterialien, Underfill, Die-Attach-Materialien, WLP (Wafer-Level Packaging) Dielektrika und WLP-Beschichtungschemikalien. Diese Materialien werden verwendet, um IC-Chips abzuschirmen und mit externen Geräten wie Leiterplatten (PCBs) zu verbinden sowie für thermische Regelung und Unterstützung zu sorgen.

Da Laminat-Substrate den Großteil der IC-Substrat-Industrie ausmachen, werden wir sie genauer betrachten. IC-substrate (Integrated Circuit Substrates) sind die Grundmaterialien, die in IC-Gehäusen verwendet werden, um den IC zu schützen und die Verbindungen zwischen dem IC und dem Leiterbahnnetz auf der Leiterplatte zu ermöglichen. Diese Substrate umfassen zahlreiche Schichten, einen tragenden Kern in der Mitte, ein Netzwerk aus Bohrungen und Leiterpads, was ihre Herstellung im Vergleich zu herkömmlichen Leiterplatten schwieriger macht.

Klassifizierungen von IC-Substraten

IC-Substrate können nach Material, Struktur und Herstellungstechniken klassifiziert werden. Nachfolgend sind einige typische Klassen von IC-Substraten aufgeführt:

• Materialbasierte Klassifizierung: IC-Substrate können aus einer Vielzahl von Materialien hergestellt werden, einschließlich Silizium, Keramik und organischen Materialien wie Polyimid, FR4 oder BT-Harz.
• Strukturbasierte Klassifizierung: IC-Substrate lassen sich in zwei Kategorien einteilen: ein- oder mehrschichtig. Einzelschicht-Substrate werden in Schaltungen niedriger Dichte verwendet, und Schaltungen hoher Dichte verwenden mehrschichtige Substrate.
• Herstellungsprozessbasierte Klassifizierung: Das verwendete Herstellungsverfahren kann die Klassifizierung von IC-Substraten bestimmen. Das Verfahren kann semi-additiv, additiv oder subtraktiv sein.
• Technikbasierte Klassifizierung: Die verwendete Technik, wie Wire-Bonding oder Flip-Chip-Technologie, zeigt die Klassifizierung der IC-Substrate an.
• Anwendungsbasierte Klassifizierung: Auch ihre Anwendungen, wie Leistungsbauteile, CPUs, Speicher, Sensoren und andere, klassifizieren IC-Substrate. Die geeigneten IC-Substrate werden für eine bestimmte Anwendung anhand von Zuverlässigkeit, Leistung und Kosten mit Hilfe dieser Kategorien ausgewählt.

IC-Substrate werden in drei Kategorien unterteilt: Gehäuse- oder Verpackungstyp, Bonding-Methode und Materialeigenschaften/-merkmale.

Verpackungstyp

Der IC-Substrat-Typ beschreibt den für das IC-Substrat verwendeten Träger. Es gibt verschiedene Arten von Gehäusen oder Verpackungen, darunter:

• Ball-Grid-Array-IC-Substrat: Dieses Substrat eignet sich für integrierte Schaltungspackungen mit mehr als 300 Pins. Es bietet gute elektrische Leistung und Wärmeableitung.

• Chip-Scale-Packaging-IC-Substrat: Diese Form des Substrats ist klein und dünn, was es ideal für Einzelchip-Packungen mit einer geringen Pin-Anzahl (CSPs) macht.

• Flip-Chip-IC-Substrate: Flip-Chip-IC-Substrate eignen sich am besten für Controlled-Collapse-Chip-Verbindungen in einem Flip-Chip-Chip-Scale-Package (FCCSP). Es bietet einen effektiven Wärmeableitungsschutz gegen Schaltungsverlust und Signalstörungen.
• Multi-Chip-Modul-IC-Substrat: Diese Art der Verpackung enthält zahlreiche ICs, jeweils mit einem bestimmten Zweck. Das Substrat muss leicht sein, kann aber aufgrund der Natur von MCM-ICs möglicherweise keine hervorragende Verdrahtung, Wärmeableitung oder Schutz vor Signalstörungen bieten.

Bonding-Technologie

Dies bezieht sich darauf, wie eine integrierte Schaltung mit der Verpackung oder externen Schaltkreisen verbunden wird. Die Bonding-Technologie wird in zahlreiche Kategorien eingeteilt, darunter:

• Drahtbonding: Die häufigste Art des Bondens umfasst das Fädeln von Drähten von den Anschlüssen des Chips zum Gehäuse/Träger oder zur externen Schaltung.
• Tape Automated Bonding (TAB): Der Begriff "Tape Automated Bonding" (TAB) beschreibt die Methode, einen integrierten Schaltkreis mit feinen Leitern in einem Substrat aus Polymeren zu verbinden, um flexible Leiterplatten (FPC) herzustellen.
• Flip-Chip-Bonding (FC): Flip-Chip-Bonding (FC) wird typischerweise durch die Verwendung von Lötkugeln/-punkten unterstützt, um Verbindungen herzustellen. Die Verbindung kann über einen Polymerkleber, eine Schweißstelle oder einen Lötkontakt gebildet werden.

Materialeigenschaften

Die Materialanforderungen für integrierte Schaltkreise variieren je nach ihrer Funktion. Im Folgenden sind einige der gebräuchlichsten Substratmaterialien aufgeführt:

Harz wird zur Herstellung von starren Substraten verwendet und kann Bismaleimid-Triazin (BT)-Film (ABF), Epoxid oder Ajinomoto Build-up-Material enthalten.

• Polyamidharze oder Polyimidmaterialien werden in flexiblen Substraten verwendet. Beide zeigen ähnliche Wärmeausdehnungskoeffizienten und elektrische Eigenschaften.
• Keramisches Material, wie Aluminiumoxid, Siliziumkarbid oder Aluminiumnitrid, wird häufig zur Herstellung dieser Art von Substrat verwendet.

Anwendungen von Laminatsubstraten

Im Elektroniksektor bieten Laminatsubstrate ein enormes Anwendungsspektrum. Die beliebtesten Anwendungen von IC-Substrat-Leiterplatten umfassen:

• Mikroprozessoren: Mikroprozessoren, die Gehirne elektronischer Geräte, verwenden häufig IC-Substrat-Leiterplatten. Für den Betrieb des Mikroprozessors sind die Leiterplatten eine entscheidende Komponente, da sie eine stabile Basis für die Befestigung der Mikroprozessorchips bieten.
• Speichermodule: Speichermodule nutzen die IC-Substrat-Leiterplatten. Die Speichermodule sind lebenswichtige Teile elektronischer Geräte. Für die Befestigung von Speicherchips dienen diese Leiterplatten als Substrat. Sie gewährleisten auch die Effizienz und Zuverlässigkeit der Speichermodule.
• Unterhaltungselektronik: Unterhaltungselektronik wie Laptops, Tablets und Smartphones verwendet IC-Substrat-Leiterplatten. Diese Leiterplatten bieten eine kleine und leichte Basis für die Installation der verschiedenen Komponenten des Geräts.
• Industrieelektronik: Eine Vielzahl industrieller Anwendungen, einschließlich Steuerung, Robotik und Automatisierung, verwendet IC-Substrat-Leiterplatten. Für die Befestigung der vielen in diesen Systemen enthaltenen elektrischen Komponenten bieten diese Leiterplatten ein zuverlässiges und robustes Substrat.

Für andere elektronische Komponenten, Infotainmentsysteme und Motorsteuergeräte setzt die Automobilelektronik IC-Substrat-Leiterplatten ein. Diese Leiterplatten sind so konstruiert, dass sie den anspruchsvollen Bedingungen von Automobilanwendungen standhalten und gleichzeitig eine effiziente Leistung bieten.

Eigenschaften von Laminatsubstraten

Ein IC-Substrat ist eine kritische Komponente in elektronischen Geräten und besitzt zahlreiche grundlegende Eigenschaften, die für seinen ordnungsgemäßen Betrieb erforderlich sind. Zu den Haupteigenschaften eines IC-Substrats gehören:

• Elektrische Eigenschaften: Die elektrischen Eigenschaften eines IC-Substrats sind entscheidend für seinen erfolgreichen Betrieb. Das Substrat muss für eine ordnungsgemäße Signalübertragung ausreichende Signalintegrität und minimalen elektrischen Widerstand aufweisen.
• Wärmeleitfähigkeit: Um die von den ICs erzeugte Wärme effizient abzuleiten, müssen IC-Substrate sehr wärmeleitfähig sein. Diese Eigenschaft verhindert Überhitzung und Fehlfunktionen der ICs.
• Mechanische Festigkeit: Während der Montage und Handhabung ist das IC-Substrat physikalischen Stößen und Belastungen ausgesetzt. Daher muss es äußerst robust sein.
• Dielektrische Eigenschaften: Um die Signalintegrität zu erhalten und Signalverluste zu minimieren, müssen IC-Substrate eine hohe dielektrische Konstante aufweisen.
• Chemische Beständigkeit: Während der Test- und Herstellungsverfahren sind die IC-Substrate verschiedenen Chemikalien ausgesetzt. Daher müssen sie hochgradig chemikalienbeständig sein.
• Oberflächeneigenschaften: Für das Anhaften von Bonddrähten und aufzubringenden Dünnschichtlagen muss die Oberfläche eines IC-Substrats hohe Haftungseigenschaften besitzen.
• Kompatibilität: Für eine effiziente Leistung und Funktion müssen die IC-Substrate und die IC-Verpackungstechnologien miteinander kompatibel sein.
• Kosten: Das IC-Substrat muss angemessen bepreist sein, um ein kosteneffektives fertiges elektronisches Gerät zu ermöglichen.

Fazit

Dieses umfassende Tutorial behandelt alle Elemente von IC-Verpackungssubstraten, die mit Leiterplattensubstraten vergleichbar, aber aufgrund ihrer Größe und Materialien spezialisierter sind. Die erfolgreiche Herstellung von IC- und Leiterplattensubstraten erfordert einen erfahrenen Hersteller, der die besten Materialien beschaffen und modernste Technologien zur Herstellung hervorragender Leiterplatten einsetzen kann. Um den anspruchsvollen Bedingungen automobiler Anwendungen standzuhalten, sind diese Leiterplatten so konstruiert, dass sie eine effiziente Leistung bieten. Für andere elektronische Komponenten, Infotainmentsysteme und Motorsteuergeräte verwenden Automobilelektronik IC-Substrat-Leiterplatten. Um den anspruchsvollen Bedingungen automobiler Anwendungen standzuhalten, sind diese Leiterplatten so konstruiert, dass sie eine effiziente Leistung bieten. Integrierte Schaltkreis (IC)-Substrate sind die Grundmaterialien, die in IC-Gehäusen verwendet werden, um den IC zu schützen und Verbindungen zwischen dem IC und dem Leiterbahnnetz auf der Leiterplatte zu ermöglichen.