ICパッケージング：半導体チップを保護し長期信頼性を確保

ジャンプ先：

• ICパッケージングとは？
• なぜICパッケージングが重要か？
• ICパッケージングとは
• ICパッケージ・タイプ
• IC設計考慮事項
• 最も一般的なICパッケージ・タイプ
• 代替ICパッケージ材料と組立方法
• ダイ・アタッチ材料とは？
• ワイヤー・ボンド組立タイプ
• 封止材（エンカプサラント）
• ICパッケージングの理解

半導体が長年の使用で確実に動作するためには、各チップが外部要因と起こり得るストレスから保護されたままであることが極めて重要です。これにより2つの疑問が生じます。集積回路（IC）パッケージングとは何か、そしてなぜそれがあなたのエレクトロニクス・アプリケーションに不可欠なのか？エレクトロニクス業界で働いていて、ICパッケージング材料がどのようにあなたのために機能するか不明な場合、ここではICパッケージングの背後にあるアイデアの基本的な内訳を紹介します。

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ICパッケージングとは？

ICパッケージングとは、半導体デバイスを収容する材料を指します。パッケージは回路材料を囲むケースで、腐食や物理的損傷から保護し、プリント基板（PCB）に接続する電気接点の実装を可能にします。集積回路には多くの異なるタイプがあり、したがって、異なるタイプの回路設計が外殻に関して異なるニーズを持つため、考慮すべき異なるタイプのICパッケージング・システム設計があります。

なぜICパッケージングが重要か？

ICパッケージングは半導体デバイス生産の最終段階です。この重要な段階で、半導体ブロックは、潜在的に損傷を与える外部要素と経年劣化の腐食効果からICを保護するパッケージで覆われます。パッケージは本質的にブロックを保護するためのケースであり、電子デバイスの回路基板に信号を届ける電気接点を促進するようにも設計されています。

ICパッケージング技術は、1970年代にボール・グリッド・アレイ（BGA）パッケージがエレクトロニクス・パッケージング製造業者の間で使用され始めて以来進化してきました。21世紀の夜明けに、ピン・グリッド・アレイ・パッケージを凌駕する新しいパッケージ・テクノロジー・オプション、すなわちプラスチック・クアッド・フラット・パックとシン・スモール・アウトライン・パッケージが登場しました。2000年代が進むにつれ、インテルのようなメーカーがランド・グリッド・アレイ・パッケージの時代を迎えました。

一方、フリップチップ・ボール・グリッド・アレイ（FCBGA）は、他のパッケージ・タイプより多くのピン数に対応できるため、BGAに取って代わられました。FCBGAは、エッジだけでなくダイ全体で入出力信号を備えています。

ICパッケージ・タイプ

形成に基づいてICパッケージング設計を分類するさまざまな方法があります。そのため、ICパッケージには2つのタイプがあります：リード・フレーム・タイプと基板タイプ。

ICパッケージ・タイプの名称は？

ICパッケージの基本的な構造定義を超えて、さらなるカテゴリが相互接続の二次的タイプを区別します。異なるICパッケージ・カテゴリに関する詳細は以下の通りです：

• ピン・グリッド・アレイ： ソケット用です。
• リード・フレームとデュアル・インライン・パッケージ： ピンが穴を通る組立用のパッケージです。
• チップ・スケール・パッケージ： チップ・スケール・パッケージは、ダイ面積の1.2倍未満の面積を持つ単一ダイ、直接表面実装可能なパッケージです。
• クアッド・フラット・パック： リードレス品種のリード・フレーム・パッケージです。
• クアッド・フラット・ノー・リード： チップ・サイズの小さなパッケージで、表面実装用です。
• マルチチップ・パッケージ： マルチチップ・パッケージ、またはマルチチップ・モジュールは、複数のIC、分立部品、半導体ダイを基板上に統合し、マルチチップ・パッケージをより大きなICのように見せます。
• エリア・アレイ・パッケージ： これらのパッケージは、チップ表面積のどの部分も相互接続に使用できるようにすることで、スペースを節約しながら最大性能を提供します。

多くの企業がエリア・アレイ・パッケージを利用していることに注意することが重要です。この点での最も顕著な例はBGAパッケージで、小さなチップ・スケール・パッケージ（時々QFNパッケージと呼ばれる）とより大きなパッケージを含む様々なフォーマットで提供されます。BGA構築には有機基板が関わり、その最適な用途はマルチチップ構造です。マルチチップ・モジュールとパッケージは、システム・オン・チップ・フォーマットを使用するソリューションの主要な代替案です。他のオプションには、2段階とダブル・サーフェス相互接続パッケージが含まれます。

また、ウェーハ・レベル・パッケージング（WLP）として知られるウェーハIC組立のカテゴリが業界用語で定着しています。ウェーハ・レベル・パッケージでは、構築がウェーハの表面で行われ、フリップ・チップ・サイズのパッケージを作成します。もう1つのウェーハ・レベル・パッケージはファンアウト・ウェーハ・レベル・パッケージング（FOWLP）で、従来のWLPソリューションのより進んだバージョンです。WLPでは外層パッケージが取り付けられた後にウェーハがダイシングされるのに対し、FOWLPではウェーハ・ダイシングが最初に行われます。

IC設計考慮事項

あなたのアプリケーションに適したICパッケージを選択することは、ICパッケージ生産に入る幅広い設計考慮事項に関する技術情報を知ることから始まります。例えば、ICパッケージの適切な材料組成と基板を知りたいでしょう。リジッドとテープ・パッケージ基板の違いを知ることも重要です。多くの企業は、リード・フレームの代替としてラミネートの使用を検討し、金属導体と相性の良い基板を選択します。

以下のトップ設計考慮事項についてさらに学びましょう。

材料組成

ICパッケージの性能は、その化学的、電気的、材料的構成に大きく依存します。機能的違いにもかかわらず、リード・フレームとラミネート・パッケージの両方は材料組成に大きく依存します。主流フォーマットであるリード・フレーム・パッケージは、スポット・メッキ法で取り付けられた銀または金ワイヤー・ボンド仕上げを使用します。これによりプロセスがよりシンプルで安価になります。

セラミック・パッケージでは、合金42が基盤材料と相性が良いため広く使用される金属タイプです。プラスチック・パッケージでは、銅リード・フレームが好ましいです。これはハンダ接合部を保護し、伝導性を提供するためです。特定の地域の方針により、材料は表面実装プラスチック・パッケージでも重要な要因の1つです。

欧州基準の改正により、リード仕上げは次世代パッケージング組立で厳しい精査の対象となっています。目的は、容易に適用でき、業界全体で長年の定番であったスズ-鉛ハンダの実行可能な代替を見つけることです。しかし、サプライヤー間の広範な競争もあり、メーカーはまだ単一の解決策で統一されていません。リード問題はしばらく解決しないでしょう。

リード・フレームの代替

1970年代後半から、ラミネートがチップ・ツー・ボード組立でリード・フレームの代替として登場しました。今日、ラミネートはICパッケージング・ソリューション業界全体で広く普及しています。セラミック基板と比較して相対的なコスト・エフェクティブネスのためです。最も人気のあるラミネートは有機高温タイプで、優れた電気的特性を提供し、より安価です。

適用可能な基板

半導体パッケージの人気上昇の中で、適用可能な基板とインターポーザーへの需要も増加しています。基板は、基板に機械的強度を与え、外部デバイスとの接続を可能にするICパッケージの部分です。インターポーザーはパッケージ内の接続ルーティングを可能にします。場合によっては、「基板」と「インターポーザー」という言葉は交換可能です。

リジッドとテープ・パッケージ基板の違い

パッケージ基板はリジッドとテープの種類があります。リジッド基板は形状がしっかりしており定義されていますが、テープ基板は薄く柔軟です。IC製造の初期には、基板はセラミック材料で構成されていました。今日、ほとんどの基板は有機材料で作られています。

複数の薄い層が積層されてリジッド基板を形成する場合、ラミネート基板として知られます。IC製造で最も一般的な2つのラミネート基板はFR-4とビスマレイミド・トリアジン（BT）です。前者はエポキシで構成され、後者は高グレード樹脂材料です。

絶縁特性と低誘電率により、BT樹脂はIC業界で好まれるラミネート材料の1つとして浮上しました。BGAでは、BTはすべての基板の中で最も一般的に使用されています。BTはチップ・スケール・パッケージ（CSP）ラミネートの好まれる樹脂にもなりました。一方、世界中の競合他社が新しいエポキシとエポキシ・ブレンド代替を製造しており、BTに対抗し、今後数年で市場がより競争的になるにつれて全体的に価格を下げる可能性があります。

リジッド基板の代替として、テープ基板は主にポリイミドとその他の耐温性、耐久性のある材料で作られています。テープ基板の利点は、同時に移動し回路を運ぶ能力で、これはテープ基板をディスク・ドライブや高速・定常的な移動の中で回路を運ぶその他デバイスでの推奨選択にします。テープ基板のもう1つの主な利点は低重量で、適用面にわずかな重さの次元さえ加えません。

金属導体を支援する基板

ICパッケージは、さまざまな相互接続機能に信号をルーティングできる金属導体も備えていなければなりません。したがって、このプロセスを促進する基板が不可欠です。基板は、チップの入出力信号をシステム内の他の機能にルーティングします。基板内のラミネートに接着された箔、通常は銅の配置が金属伝導性を達成します。金とニッケルの浸漬層が、拡散相互作用と酸化を防ぐために銅上に仕上げとして適用されることがよくあります。

最も一般的なICパッケージ・タイプは？

リード・フレームが最も一般的なICパッケージ・タイプです。ワイヤー・ボンド相互接続ダイにこれらのパッケージを使用し、銀または金メッキ仕上げで。表面実装プラスチック・パッケージでは、メーカーはよく銅リード・フレーム材料を使用します。銅は高伝導性と極めて高いコンプライアンスを持つため、この目的で有益です。

代替ICパッケージ材料と組立方法

多くのメーカーは実際のリード仕上げリード・フレームICパッケージから移行しようとしていますが、これらが長い間頻繁に使用されてきたため、一部には難しい移行です。最も一般的なパッケージには以下が含まれます：

• デュアル・インライン・パッケージ： デュアル・インライン・パッケージは、長方形ICピースの水平エッジに沿った2列の電気ピンで構成されます。デュアル・インライン・パッケージは、スルーホールまたはソケットで回路基板にマウントされます。
• スモール・アウトライン・パッケージ： 薄型スモール・アウトライン・パッケージ（TSOP）は、水平エッジに小さなピンを持つ長方形形状のICコンポーネントです。TSOPはRAMとフラッシュ・メモリを駆動するICで一般的です。
• クアッド・フラット・パッケージ： クアッド・フラット・パッケージ（QFP）は、4つのエッジそれぞれにリードを持つ平らな正方形ICコンポーネントです。QFPはスルーホール・マウントできず、このタイプのパッケージ用ソケットは稀です。QFPはピッチ範囲に応じて32ピンから304ピンまであります。変種にはロープロファイルとシンがあります。日本のエレクトロニクス・メーカーが1970年代にQFPを最初に使用しましたが、このパッケージ・タイプは1990年代初頭まで北米とヨーロッパで普及しませんでした。
• ボール・グリッド・アレイ： BGAは、コンピュータ機器で一般的に見られるチップ・キャリー表面実装パッケージです。他のICパッケージでは周辺のみが接続可能なのに対し、底面全体がBGAでマウント可能です。より短いボール接続により、BGAはすべてのICパッケージの中で最も高速の一部を提供します。BGAはRAMスティックとUSBカード、RAMとスピーカー・カードで一般的です。BGAのハンダ付けプロセスは精度を必要とします。

セラミック・ベースのパッケージのような基板パッケージは、Iconelや合金42のようなセラミックと類似の熱膨張係数（CTE）を持つ合金を必要とします。ダイ・アタッチ・プロセスでは、特殊なダイ・アタッチ材料でダイを基板に接着します。これはフェイス・アップ・ワイヤー・ボンド組立で使用できます。アタッチ材料の隙間を避けることが極めて重要で、これらはホットスポットにつながる可能性があります。良いダイ・アタッチ材料は電気的および熱的に伝導性があり、基板パッケージに最適です。

より高い性能が必要な場合や、高I/Oカウントを扱う場合はラミネートを使用します。ラミネート・パッケージはセラミック基板への優れた低コスト代替であり、より低い誘電率も持ちます。

ダイ・アタッチ材料とは？

このICパッケージ・タイプは2つの主要な機能を果たします。1つ目は、外部要因が引き起こす可能性のあるダメージからダイを保護すること。2つ目は、入出力を管理可能な微細ピッチに再分配すること。さらに、パッケージは熱経路を適切に、スタック・ダイから遠ざける標準化された構造を提供します。全体として、構造は電気テストにより適し、エラーに耐性があります。

ダイ・アタッチ材料は、メーカーがアウトガッシングを避けるよう設計した液体またはフィルム材料で、これはワイヤー・ボンドの品質を低下させる可能性があります。これらの材料はストレス・バッファーとしても機能し、CTEが基板と完全に一致しない場合でもダイが破損しないようにします。

ダイ・アタッチ材料の適用方法には、他より複雑なものを含むさまざまな方法があります。ほとんどの用途では、ワイヤー・ボンドが表面のフェイス上にある組立でダイ・アタッチが適用されます。すべてのケースで、ダイ・アタッチ材料は熱伝導性です。特定の組立では、ダイ・アタッチは電気伝導性も提供します。ダイとともにスポットが熱くなりすぎないよう、メーカーは一般的に材料のボイド（空隙）を防ぐよう努めます。液体とフィルムの両方のダイ・アタッチ材料は、アウトガッシングを防ぎ、ダイをダメージから保護します。

ワイヤー・ボンド組立タイプ

ワイヤー・ボンド組立は3つのフォーマットで提供されます：

• 熱圧着ボンディング
• 熱音響ボール・ボンディング
• 室温超音波ウェッジ・ボンディング

選択するワイヤー・ボンディング組立タイプには、異なる組立能力が伴います。ワイヤー・ボンディングは通常金ワイヤーを使用しますが、窒素リッチな組立環境があれば銅ワイヤーを代わりに使用できます。アルミニウム・ワイヤーでのウェッジ・ボンディングは経済的な代替案となり得ます。

超音波ボンディングは、コンポーネント組立表面の穴を通じたワイヤー・フィードで始まります。プロセスにはダイと基板のボンディングが含まれます。

熱音響ボンディングは、シリコンICをコンピュータに接続するプロセスです。プロセスは、パーソナル・コンピュータとラップトップの回路を統合する中央処理装置のコンポーネントを組立てます。

熱音響ボンドは、熱的、機械的、超音波エネルギーで構成されます。このプロセスを実行するマシンには、電気エネルギーを圧電効果に変換するトランスデューサーが含まれます。

熱圧着ボンディングは、力と熱の組み合わせで2つの金属を接合する方法です。この方法はウェーハ・ボンディング、拡散ボンディング、固相溶接、圧力接合とも呼ばれます。熱圧着ボンディングは、表面実装前に電気構造とデバイス・パッケージを保護します。この方法には表面と結晶粒界の拡散が含まれます。

封止材（エンカプサラント）

封止材はICパッケージの最後のピースで、導体とワイヤーを環境的および物理的ダメージから保護します。エポキシまたはエポキシ・ブレンド、シリコーン、ポリイミド、溶剤ベースまたは室温硬化型で作られます。残りのコンポーネントは、あなたの集積回路とアプリケーションの特定のニーズに依存します。

プリント基板は、産業と自動車環境での静電気ダストに対して脆弱です。PCBの機械的特性を保護するため、メーカーは現在カプセル化樹脂を使用しています。

保護バリアとして、ポッティングと封止材は、ダストとその他の大気要素がPCBのメカニズムを害するのを防ぐのに高効果です。十分な樹脂で、封止材は振動、衝撃、外部要素のストレスからPCBを保護できます。アプリケーションが効果的に機能するためには、樹脂がさまざまな潜在的な作業環境での適合性についてテストされる必要があります。これらの設定でのユニット機能も評価されるべきです。

ポッティングと封止樹脂の代替として、一部のメーカーはコンフォーマル・コーティングを使用します。これは各基板の形状にぴったりフィットし、PCBの重量や寸法に影響を与えずに強度と耐久性を提供します。コーティングは一般的に通常大気設定でテストされます。各テストでは、所定のコーティングがPCBの電気的および機械的能力に与える効果が検証されます。

封止材材料は3つの基本的な種類があります。主要材料はエポキシで、純粋またはブレンド。エポキシは有機樹脂で構成され、一般的に安価なためメーカー間で人気があります。封止ICチップで広く使用されるもう1つの材料はシリコーンで、炭素ベースではないため有機樹脂ではありません。シリコーン樹脂は一般的に溶剤ベースです。あるいは、一部の樹脂は室温硬化型で、水分との接触で硬化します。シリコーンは高温でも低温でも柔軟性があるため人気です。

ポッティングと封止樹脂はいくつかの異なる処方で提供され、コンフォーマル・コーティングも同様です。各処方は特定の大気条件範囲でバランスされています。テストを通じて、メーカーは特定の環境に最適な処方を決定できます。通常状況では、ほとんどのタイプの樹脂とコーティングがPCBに十分な保護を提供します。より厳しい設定では、基板は一般的にアクリルのような特殊材料のコーティングを必要とします。PCBが水中設定で使用される予定の場合、超高強度コーティングが最も適切なオプションの一部です。

シリコーン製樹脂は、さまざまな環境で最適なPCB性能を提供します。PCB設計では、シリコーンは一般的にポリウレタンやエポキシより好ましいです。最後の2つの間では、ポリウレタンがさまざまな設定でより信頼性の高い材料です。ポリウレタン樹脂は、塩水浸漬での保護として海洋設定で効果的です。

ICパッケージングの理解

市場でトップを維持するには、ICパッケージングのトレンドを常に把握することが極めて重要です。これにより、競争力を維持し、ICパッケージング材料市場での適切な投資が可能になります。さまざまな市場セグメントが、パッケージング材料の価格、人気、入手可能性に影響を与えます。さらに、地域規模のトレンドは、世界の特定の隅でのパッケージング材料の使用増減に影響を与える可能性があります。

IC市場のニュース、統計、トレンド情報については、関係者は「半導体およびICパッケージング材料市場レポート」を読むべきです。これは、IC業界の枠組み内でカテゴリとアプリケーションに従って物事を分解します。業界内の専門家は、設計データ管理を使用して、設計ソリューションに関する情報を収集・レビューし、それぞれがメーカー、サプライヤー、小売業者としての洞察をテーブルに持ち寄り、バリュー・グリッド全体からの完全な画像を提供します。

いつでも、自然災害、気候変動、政治的動揺、破壊的技術、文化的変化など、突然の予期せぬ出来事が市場に影響を与える可能性があります。ICフロントの関係者として、ICパッケージングのトレンドを把握し続けるには、パッケージング材料の生産、供給、輸出、輸入、価格設定、完全性分析、全体的な成長率に関するトレンドを認識し、定期的にそれらを検証して、計画、予算を適切に立て、収益を保護する必要があります。

ミレニアム・サーキットからのICパッケージング

ご覧の通り、電子システムのICパッケージングには多くの要素があり、エレクトロニクス業界のプレーヤーとして、それらを理解し、特に性能要件に関してあなたのコンポーネントにどう影響するか、先進的パッケージングの新しい展開を常に把握することが不可欠です。ICパッケージングの一部の側面は今後数年で比較的安定したままかもしれませんが、他の側面は大幅に変化する可能性があり、あなたはゲームの先を行きたいでしょう。変化がどこに来るか知ることで、それらにより良く対応できます。

ICパッケージングのさまざまなタイプや、回路やプリント基板に関連するあらゆることについて質問がある場合、今すぐミレニアム・サーキットの専門家にお問い合わせください。私たちは、私たちが取り組むエレクトロニクスについてお客様が完全な理解を持てるよう支援することに大きな誇りを持っています。あなたが電子コンポーネントについて最良の決定を下せるよう、設計と検証情報を提供することを喜んでお手伝いします。

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