Un paquete de semiconductores es una carcasa de metal, plástico, vidrio o cerámica que contiene uno o más dispositivos semiconductores discretos o circuitos integrados . Los componentes individuales se fabrican en obleas semiconductoras (comúnmente silicio ) antes de cortarlos en cubitos, probarlos y empacarlos. El paquete proporciona un medio para conectarlo al entorno externo, como una placa de circuito impreso , a través de cables como tierras, bolas o clavijas; y protección contra amenazas como impacto mecánico, contaminación química y exposición a la luz. Además, ayuda a disipar el calor producido por el dispositivo, con o sin la ayuda de un esparcidor de calor.. Hay miles de tipos de paquetes en uso. Algunos están definidos por estándares internacionales, nacionales o de la industria, mientras que otros son específicos de un fabricante individual.
Funciones del paquete
Un paquete de semiconductores puede tener tan solo dos conductores o contactos para dispositivos como diodos, o en el caso de microprocesadores avanzados , un paquete puede tener cientos de conexiones. Los paquetes muy pequeños pueden ser soportados solo por sus cables conductores. Los dispositivos más grandes, destinados a aplicaciones de alta potencia, se instalan en disipadores de calor cuidadosamente diseñados para que puedan disipar cientos o miles de vatios de calor residual .
Además de proporcionar conexiones al semiconductor y manejar el calor residual, el paquete de semiconductores debe proteger el "chip" del medio ambiente, particularmente la entrada de humedad. Las partículas sueltas o los productos de corrosión dentro del paquete pueden degradar el rendimiento del dispositivo o causar fallas. [1] Un paquete hermético no permite esencialmente ningún intercambio de gases con el entorno; tal construcción requiere cerramientos de vidrio, cerámica o metal.
Código de fecha
Los fabricantes suelen imprimir, utilizando tinta o marcado láser , el logotipo del fabricante y el número de pieza del fabricante en el paquete, para que sea más fácil distinguir los muchos dispositivos diferentes e incompatibles empaquetados en relativamente pocos tipos de paquetes. Las marcas a menudo incluyen un código de fecha de 4 dígitos, a menudo representado como YYWW, donde YY se reemplaza por los dos últimos dígitos del año calendario y WW se reemplaza por el número de semana de dos dígitos . [2] [3]
Dirige
Para realizar las conexiones entre un circuito integrado y los cables del paquete, se utilizan uniones de cables , con cables finos conectados desde los cables del paquete y unidos a almohadillas conductoras en la matriz de semiconductores. En el exterior del paquete, los cables conductores pueden soldarse a una placa de circuito impreso o usarse para asegurar el dispositivo a una tira de etiquetas. Los dispositivos modernos de montaje en superficie eliminan la mayoría de los orificios perforados a través de las placas de circuito y tienen cables o almohadillas de metal cortos en el paquete que se pueden asegurar mediante soldadura por reflujo en horno. Los dispositivos aeroespaciales en paquetes planos pueden usar cables metálicos planos asegurados a una placa de circuito mediante soldadura por puntos , aunque este tipo de construcción ahora es poco común.
Enchufes
Los primeros dispositivos semiconductores a menudo se insertaban en enchufes, como tubos de vacío . A medida que los dispositivos mejoraron, finalmente los enchufes resultaron innecesarios para la confiabilidad y los dispositivos se soldaron directamente a las placas de circuito impreso. El paquete debe manejar los gradientes de alta temperatura de la soldadura sin ejercer presión sobre el semiconductor o sus cables.
Los enchufes todavía se utilizan para aplicaciones experimentales, de prototipos o educativas, para probar dispositivos, para chips de alto valor como microprocesadores donde el reemplazo es aún más económico que descartar el producto, y para aplicaciones donde el chip contiene firmware o datos únicos que podrían ser reemplazado o renovado durante la vida útil del producto. Los dispositivos con cientos de cables se pueden insertar en enchufes de fuerza de inserción cero , que también se utilizan en equipos de prueba o programadores de dispositivos.
Materiales de empaque
Muchos dispositivos están moldeados con un plástico epoxi que brinda protección adecuada a los dispositivos semiconductores y resistencia mecánica para soportar los cables y la manipulación del paquete. El plástico puede ser cresol - novolaks , poliimida de siloxano, polxilileno, siliconas, poliepóxidos y bisbenzociclobuteno. [4] Algunos dispositivos, destinados a entornos de alta fiabilidad o aeroespaciales o de radiación, utilizan envases de cerámica, con tapas metálicas que se sueldan después del montaje, o un sello de frita de vidrio . Los paquetes totalmente metálicos se utilizan a menudo con dispositivos de alta potencia (varios vatios o más), ya que conducen bien el calor y permiten un fácil montaje en un disipador de calor. A menudo, el paquete forma un contacto para el dispositivo semiconductor. Los materiales de plomo deben elegirse con un coeficiente de expansión térmica que coincida con el material del paquete.
Muy pocos de los primeros semiconductores estaban empaquetados en sobres de vidrio evacuados en miniatura, como bombillas de linternas; un embalaje tan caro se volvió obsoleto cuando se dispuso de pasivación de superficies y técnicas de fabricación mejoradas. [1] Los paquetes de vidrio todavía se usan comúnmente con diodos , y los sellos de vidrio se usan en paquetes de transistores de metal.
Los materiales del paquete para la memoria dinámica de alta densidad deben seleccionarse para una radiación de fondo baja; una sola partícula alfa emitida por el material del paquete puede provocar una alteración de un solo evento y errores de memoria transitorios ( errores blandos ).
Las aplicaciones militares y de vuelos espaciales tradicionalmente utilizaban microcircuitos empaquetados herméticamente (HPM). Sin embargo, la mayoría de los circuitos integrados modernos solo están disponibles como microcircuitos encapsulados en plástico (PEM). Las prácticas de fabricación adecuadas que utilizan PEM debidamente calificados se pueden utilizar para vuelos espaciales. [5]
Circuitos integrados híbridos
Se pueden ensamblar múltiples matrices de semiconductores y componentes discretos sobre un sustrato de cerámica e interconectarse con uniones de alambre. El sustrato lleva conductores para la conexión a un circuito externo, y el conjunto está cubierto con una tapa soldada o frita. Estos dispositivos se utilizan cuando los requisitos superan el rendimiento (disipación de calor, ruido, tensión nominal, corriente de fuga u otras propiedades) disponibles en un circuito integrado de una sola matriz o para mezclar funciones analógicas y digitales en el mismo paquete. Dichos paquetes son relativamente costosos de fabricar, pero proporcionan la mayoría de los demás beneficios de los circuitos integrados.
Un ejemplo moderno de paquetes de circuitos integrados de múltiples chips serían ciertos modelos de microprocesador, que pueden incluir matrices separadas para cosas como la memoria caché dentro del mismo paquete. En una técnica llamada flip chip , los troqueles de circuitos integrados digitales se invierten y se sueldan a un soporte de módulo, para ensamblarlos en sistemas grandes. [6] La técnica fue aplicada por IBM en sus computadoras System / 360 . [7]
Paquetes especiales
Los paquetes de semiconductores pueden incluir características especiales. Los dispositivos emisores de luz o sensores de luz deben tener una ventana transparente en el paquete; otros dispositivos, como los transistores, pueden verse afectados por la luz parásita y requieren un paquete opaco. [1] Un dispositivo de memoria de sólo lectura programable y borrable ultravioleta necesita una ventana de cuarzo para permitir que la luz ultravioleta entre y borre la memoria. Los circuitos integrados sensores de presión requieren un puerto en el paquete que se pueda conectar a una fuente de presión de gas o líquido.
Los paquetes para dispositivos de frecuencia de microondas están dispuestos para tener inductancia y capacitancia parásitas mínimas en sus conductores. Los dispositivos de impedancia muy alta con corriente de fuga ultrabaja requieren paquetes que no permitan que fluya la corriente parásita y también pueden tener anillos de protección alrededor de los terminales de entrada. Los dispositivos amplificadores de aislamiento especiales incluyen barreras aislantes de alto voltaje entre la entrada y la salida, lo que permite la conexión a circuitos energizados a 1 kV o más.
Los primeros transistores de contacto puntual usaban paquetes de metal en forma de cartucho con una abertura que permitía ajustar el bigote que se usaba para hacer contacto con el cristal de germanio ; tales dispositivos fueron comunes solo por un breve tiempo desde que se desarrollaron tipos más confiables y menos laboriosos. [1]
Estándares
Al igual que los tubos de vacío , los estándares de los paquetes de semiconductores pueden ser definidos por asociaciones industriales nacionales o internacionales como JEDEC , Pro Electron o EIAJ , o pueden ser propiedad de un solo fabricante.
Componentes de orificios pasantes discretos surtidos
Un microprocesador en un paquete de cerámica doble en línea con 48 pines.
Ejemplo de oblea de silicio; los dispositivos individuales no se pueden utilizar hasta que estén empaquetados
Paquete de plástico de doble línea que contiene un circuito integrado analógico, que puede instalarse en un enchufe o soldarse directamente a una placa de circuito impreso.
Un tiristor de baja corriente y un dispositivo de alta potencia, con un perno roscado para sujetarlo a un disipador de calor y un cable flexible; estos paquetes se utilizan para dispositivos clasificados para cientos de amperios.
Ver también
- Portador de chips
- Intermetálico de oro-aluminio ( plaga púrpura )
- Embalaje de circuito integrado
- Lista de dimensiones del paquete de circuitos integrados
- Tecnología IBM Solid Logic
- Tecnología de montaje superficial
- Tecnología de orificio pasante
Referencias
- ^ a b c d Lloyd P. Hunter (ed.), Handbook of Semiconductor Electronics , McGraw Hill, 1956, Catálogo de la Biblioteca del Congreso 56-6869, sin ISBN capítulo 9
- ^ Instrumentos de Texas. " Calidad y sin plomo (sin Pb): Convención de marcado ". Consultado el 6 de agosto de 2015.
- ^ Museo Web de calculadoras vintage: Preguntas más frecuentes: "Códigos de fecha en componentes electrónicos y placas de circuito" . Consultado el 23 de abril de 2020.
- ^ https://www.sciencedirect.com/topics/chemistry/encapsulant
- ^ Ronald K. Burek, Compendio técnico de Johns Hopkins APL. " Los registradores de datos de estado sólido CERCANOS ". 1998. Consultado el 6 de agosto de 2015.
- ^ Keyan Bennaceur, Nature.com. " Flip-Chip mecánico para dispositivos de ultra alta movilidad de electrones ". 22 de septiembre de 2015.23 de abril de 2015.
- ^ Michael Pecht (ed) Directrices de diseño de paquetes de módulos de circuitos integrados, híbridos y multichip: un enfoque en la confiabilidad , Wiley-IEEE, 1994 ISBN 0-471-59446-6 , página 183
enlaces externos
- El Museo del Transistor - imágenes de dispositivos históricos
- Archivo de esquemas de transistores JEDEC