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Pacchetto su chip (CSP) è una tecnologia innovativa di confezionamento dei circuiti integrati che fornisce prestazioni eccezionali, una significativa riduzione delle dimensioni e caratteristiche elettriche migliorate. In questo articolo presenteremo cos'è il CSP, i suoi vantaggi, la struttura, i tipi principali, gli usi, i problemi di progettazione e lo confronteremo con QFP, BGA e LGA.
Che cos'è il Chip Scale Package (CSP)?
Il pacchetto a scala di chip (CSP) è un tecnologia a montaggio superficiale per l'imballaggio circuiti integrati (IC).
In passato, il packaging su scala chip era definito come un pacchetto le cui dimensioni non dovevano superare 1,2 volte le dimensioni corrispondenti del die del semiconduttore. Ma al giorno d'oggi, la definizione di CSP è stata modificata in "pacchetti di dimensioni prossime al die con un passo di sfere di 1 mm o meno".
Il CSP migliora le dimensioni, il peso, l'efficienza e le prestazioni dielettriche e termiche del circuito integrato rispetto a package più vecchi, come ad esempio QFP (Quad Flat Package) e BGA (Ball Grid Array).
Vantaggi del CSP
- Miniaturizzazione e dimensioni ridotte: Il packaging su scala chip è ideale per progetti con vincoli di spazio poiché occupa poco spazio.
- Leggero: A causa di massa ridottaI CSP sono perfetti per l'elettronica portatile, come gli smartphone e gli indossabili.
- Prestazioni elettriche migliorate: Le interconnessioni più corte nei CSP comportano una minore resistenza e un miglioramento della qualità della vita. integrità del segnale.
- Migliore dissipazione termica: Interconnessioni die-scheda consentono un funzionamento più affidabile e migliorano il trasferimento di calore.
- Efficiente dal punto di vista dei costi: Le confezioni CSP utilizzano meno materiale rispetto alle confezioni tradizionali, riducendo così il costo totale di produzione.
Tipi di pacchetti su scala chip
A livello di wafer CSP (WL-CSP)
Il CSP a livello di wafer viene realizzato mentre il wafer è intatto. Questa tecnica è vantaggiosa perché è efficiente dal punto di vista dei costi e consente un'ulteriore miniaturizzazione. WL-CSP è la forma più compatta perché non c'è un'ulteriore substrato richiesto.
- Esempio: Utilizzato negli smartphone per sensori e circuiti integrati di gestione dell'alimentazione.
Flip Chip CSP (FC-CSP)
Il chip è collegato con il lato saldato rivolto verso il basso a forniscono percorsi elettrici più brevi e prestazioni termiche eccellenti. Questa tecnica di incapsulamento offre una gestione più efficiente del segnale e della potenza rispetto ai pacchetti che utilizzano il wire bonding.
- Esempio: Utilizzato nei processori multicore avanzati, nelle unità di elaborazione grafica e nei circuiti integrati a radiofrequenza che richiedono una bassa latenza.
Passo fine BGA (FBGA)
FBGA miglioramenti BGA costruzione utilizzando sfere di saldatura di diametro inferiore. In questo modo è possibile ottenere una maggiore densità e aumentare il numero di connessioni. L'FBGA presenta caratteristiche elettriche più favorevoli rispetto ai BGA standard e conserva l'affidabilità meccanica.
- Esempio: Utilizzato nei chip di memoria (DRAM, NAND flash) e nei circuiti integrati (IC) di rete con un gran numero di interconnessioni.
Basato su leadframe CSP
Per il CSP basato su Leadframe, al posto delle bumps di saldatura viene utilizzato un leadframe metallico. In questo modo, offre buone proprietà termiche ed elettriche e un packaging economico. Si tratta di un ibrido tra le tecnologie QFP convenzionali e CSP avanzate.
- Esempio: Utilizzato in microcontrollori e circuiti integrati (IC) di potenza per applicazioni automobilistiche.
Struttura e caratteristiche principali del CSP
Stampo (stampo in silicio): Il chip di semiconduttore di silicio che esegue le operazioni elettroniche.
Strato di ridistribuzione (RDL): Un RDL è un pad di collegamento a film sottile e un livello di interconnessione. Migliora l'oposizione finale del giunto di saldatura per migliorare le connessioni elettriche e le prestazioni del pacchetto.
Saldatura Urti: I piccoli giunti di saldatura emisferici che collegano un die al substrato o alla scheda PCB per formare connessioni elettriche. Inoltre, forniscono anche un legame meccanico tra di loro.
Rivestimento protettivo: A rivestimento protettivo è un materiale di incapsulamento resistente, spesso epossidico o poliimmidico. Copre la matrice e le interconnessioni dai danni ambientali e dalle interferenze. sollecitazioni meccaniche.
Applicazioni dei pacchetti su scala di chip
Smartphone e compresse
Le dimensioni e la capacità del CSP giocano un ruolo importante anche nelle capacità di multitasking e di prestazioni mobili. Le elevate prestazioni mobili per periodi prolungati sono oggi un requisito dell'elettronica mobile. Il chip scale package è ampiamente utilizzato negli smartphone di fascia alta in moduli come il fotocamera, il processore e le unità avanzate di gestione dell'alimentazione che sono associati agli smartphone di fascia alta.
Elettronica indossabile
Le dimensioni miniaturizzate e la leggerezza di CSP lo rendono perfetto per indossabili compatti. Senza rendere il dispositivo ingombrante, offre qualità e affidabilità. La sua applicazione è visibile nei sensori per gli smartwatch, nei chip per i fitness tracker e nei componenti degli auricolari wireless.
Automotive Elettronica
Il CSP è in grado di resistere a condizioni estreme e di fornire una connettività stabile ai sistemi critici. La sua robustezza lo rende adatto alle applicazioni CSP di tipo automobilistico. Il CSP viene applicato nei nuovi veicoli, ad esempio nei sensori ADAS e nei moduli ECU, oltre che nei sistemi di infotainment.
Dispositivi medici
I CSP facilitano i dispositivi medici impiantabili e portatili salvavita grazie alla loro miniaturizzazione e affidabilità. La natura solida dei CSP offre funzionalità stabili per applicazioni sensibili. In campo medico sono utilizzati nei pacemaker, nei dispositivi diagnostici portatili e nelle pompe di insulina.
Processo di produzione di pacchetti a scala di chip
Il processo di produzione del chip-scale packaging (CSP) prevede diverse fasi critiche, ognuna delle quali svolge un ruolo fondamentale per le prestazioni, l'affidabilità e la resa del prodotto finale. Il processo complessivo è grosso modo il seguente:
1. Preparazione dei wafer
Assottigliare e lucidare il wafer di silicio in modo da soddisfare i requisiti di sottigliezza e di dissipazione del calore requisiti. Lo spessore del wafer è tipicamente controllato per meno di 100 μm per ottenere una struttura di imballaggio più compatta.
2. Formazione dello strato di ridistribuzione (RDL)
Sulla superficie del wafer viene formato uno strato di cablaggio metallico per ridistribuire le posizioni dei pad. Grazie a RDL, è possibile ottenere una maggiore densità di I/O, ottimizzare il routing dei segnali e migliorare le prestazioni elettriche.
3. Bumping Processo
Si tratta del processo fondamentale per stabilire le connessioni elettriche e meccaniche tra il CSP e il sistema di gestione della rete. PCB o substrato. In corrispondenza delle posizioni delle piazzole si formano delle protuberanze di saldatura o dei pilastri di rame.
Il processo comprende l'elettroplaccatura, la spruzzatura di stagno o il posizionamento di sfere, con diversi processi di bumping selezionati in base ai requisiti dell'applicazione.
4. Taglio dei wafer
Il wafer con la struttura di imballaggio completata viene tagliato in singoli chip. Per evitare microfratture sui bordi del wafer è necessario un taglio di alta precisione, che in genere si ottiene con il taglio laser o con utensili diamantati.
5. Montaggio e incapsulamento
Montaggio di singoli chip direttamente sul PCB o sul substrato utilizzando sfere di saldatura. I chip vengono poi incapsulati con resina epossidica o poliimmide per proteggerli da umidità, polvere e urti meccanici.
6. Saldatura a riflusso
Esecuzione saldatura a riflusso con un profilo di temperatura controllato per incollare saldamente il chip al substrato. La temperatura di picco è tipicamente controllata tra 235-245°C per garantire l'affidabilità del giunto.
7. Test e Garanzia di qualità
Test elettrici viene eseguita per confermare la connettività e le prestazioni di tutti i pin di I/O.
Ispezione a raggi X viene utilizzato per verificare la presenza di vuoti e difetti nei giunti nascosti.
Un microscopio a scansione a ultrasuoni (SAM) viene utilizzato per rilevare i difetti di delaminazione e bolla.
Sfide di progettazione del CSP
Gestione termica
A causa dell'elevata densità di circuiti, i pacchetti CSP devono affrontare il problema del surriscaldamento. Tali pacchetti superano la soglia di 100-150 W/cm², con conseguente surriscaldamento. Le apparecchiature CSP devono essere mantenute al di sotto dei 125°C per poter funzionare in modo affidabile, il che comporta l'uso di misure preventive.
I progettisti utilizzano vialetti termici, diffusori di calore e raffreddamento integrato per superare questo problema.
Layout del PCB Complessità
Il passo ultrafine (spesso ≤0,4 mm) e l'alta densità di I/O dei CSP richiedono un instradamento accurato sui PCB. I problemi legati all'integrità del segnale dovuti a diafonia così come le discontinuità di impedenza richiedono un minimo di Schede a 4-6 strati con tracce a impedenza controllata e strutture di passaggio ottimizzate per mantenere l'integrità del segnale.
Problemi di affidabilità
La fatica dei giunti a saldare è particolarmente problematica in caso di cicli termici (da -40°C a +125°C). Le dimensioni ridotte dei bump (~100-200 µm) e le interconnessioni ridotte richiedono sottofondi protettivi con una forza di adesione superiore a >50 MPa per prevenire le cricche.
Sfide del test
Nella configurazione compatta del CSP, l'accesso alla sonda è limitato, rendendo particolarmente difficile la validazione elettrica. L'accuratezza nell'identificazione difetti e la verifica delle prestazioni è difficile a causa dell'accesso limitato ai pad di prova che, nella maggior parte dei casi, sono inferiori a 150 µm. Tecniche specializzate di micro-sondaggio e boundary-scan sono spesso necessari.
CSP a confronto con QFP, BGA e LGA
Tabella: CSP vs QFP vs BGA vs LGA
| Caratteristica | QFP (Pacchetto Quad Flat) | CSP (Chip Scale Package) | BGA (Ball Grid Array) | LGA (Schieramento della griglia terrestre) |
| Dimensione | Medio | Il più piccolo, di dimensioni quasi simili a quelle di un dado | Medio-Grande | Medio |
| Piazzola | Passo fine, ≤0,5 mm | Passo ultrafine, ≤0,4 mm | Passo medio-fine | Passo medio-fine |
| Termico | Moderato | Eccellente | Buono | Buono |
| Elettrico | I cavi moderati e più lunghi causano parassitismo | Interconnessioni eccellenti e più corte migliorano l'integrità del segnale | Buono | Buono |
| Affidabilità | Suscettibile alla piegatura dei conduttori e all'affaticamento termico | Dipende molto dal processo e dai materiali | Stabile, resistente alle sollecitazioni meccaniche | Stabile |
| Costo | Basso | Medio | Medio-alto | Medio |
| Applicazioni | Elettronica di consumo, dispositivi a basso costo | Smartphone, dispositivi indossabili, dispositivi medici | Chip di memoria, processori, GPU | Calcolo ad alte prestazioni, server |
Linee guida per la selezione
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Selezionare CSP: Quando è necessario il Dimensioni ridotte e imballaggio leggero (ad esempio, dispositivi indossabili, smartphone, dispositivi medici portatili) con prestazioni elettriche e termiche decenti.
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Selezionare QFP: In applicazioni orientate al risparmio con piccoli numeri di I/O (ad esempio, gadget di consumo di fascia bassa, controllori) quando il layout della PCB non è complicato.
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Selezionare BGA: Quando maggiore densità di I/O e maggiore affidabilità (ad esempio, dispositivi di memoria, GPU, circuiti integrati di rete), è più adatto per i prodotti di fascia media e alta.
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Selezionare LGA: Adatto per ad alta densità e alta frequenza interconnessioni con una buona conducibilità termica e una manutenzione semplice (ad esempio, apparecchiature di telecomunicazione, server).
Conclusione
In sintesi, tecnologia di imballaggio su scala chip (CSP) offerte vantaggi significativi in termini di miniaturizzazione, prestazioni elettriche, gestione termica ed efficienza dei costi. Questo lo rende un fattore chiave per l'innovazione nel campo dell'elettronica moderna. Sebbene esistano sfide progettuali, queste possono essere superate attraverso pratiche ingegneristiche corrette per garantire un funzionamento affidabile in applicazioni come smartphone, dispositivi indossabili, sistemi automobilistici ed elettronica medica.
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FAQ
A1: La mancanza di una protezione contro il surriscaldamento spiega chiaramente i casi di surriscaldamento. Per ottenere una migliore dissipazione del calore, è necessario prevedere un dissipatore di calore, utilizzare vias termici con un diametro di almeno 0,3 mm e garantire uno spessore di rame di ≥ 2 oz sul PCB.
D2: Qual è la procedura consigliata per ridurre la formazione di crepe nei giunti a saldare del CSP?
A2: Per evitare la comparsa di crepe, applicare un sottofondo con forza di adesione >50 MPa e ottimizzare il profilo di rifusione con una temperatura di picco di 235-245°C. Per eliminare le sollecitazioni meccaniche, applicare al PCB le regole di progettazione dei pad IPC-7351.
A3: Una spaziatura inadeguata provoca la diafonia. Utilizzare PCB a 4-6 strati con piani di massa. Mantenere la lunghezza delle tracce inferiore a 10 mm, mantenendo l'impedenza entro 10% dai valori target.
A4: impiegare test boundary-scan (JTAG) e utilizzare microsonde con diametro della punta inferiore a 100 µm. La tecnologia di ispezione a raggi X aiuta a rilevare i difetti di saldatura e i vuoti nascosti, laddove non è consentito superare l'area di 25%.
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