Ya en la década de 1990, los productos electrónicos se han estado desarrollando hacia la portabilidad, la miniaturización, la interconexión en red y la multimedia, todo lo cual también plantea requisitos correspondientes sobreensamblaje de productos electrónicostecnología
• Mejora del contenido de información por unidad de volumen, es decir, alta densidad;
• Mejora de la velocidad de procesamiento por unidad de tiempo, es decir, mayor velocidad.
Para cumplir con el requisito anterior, es necesario mejorar la densidad funcional del ensamblaje de circuitos, lo que se convierte en el elemento esencial que impulsa el avance de la tecnología de encapsulado de componentes electrónicos.
A medida que el tamaño del encapsulado disminuye, la eficiencia de conexión mutua aumenta. La eficiencia de conexión se refiere a la relación entre el tamaño máximo del chip y el tamaño del encapsulado. A principios de la década de 1990, la eficiencia de conexión del PQFP (plastic quad flat package) podía ser como máximo de 0,3. Luego, la relación de conexión del CSP (chip scale package) es tan alta como 0,8 a 0,9. Hasta ahora, la relación de conexión de la última generación de encapsulados es mayor que la del COB (chip on board), lo cual es equivalente a la del encapsulado FC (flip chip).
En el futuro, la tecnología de empaquetado se desarrollará hacia las siguientes tendencias:
• La CSP parcial se estandarizará y se producirá en masa;
• Se establecerá la industria de CSP junto con algunas industrias fundamentales relacionadas con materiales, ensamblaje, pruebas y montaje a bordo, etc.;
• La tecnología de empaquetado FC y la industria básica correspondiente se seguirán desarrollando.
• El WLCSP (paquete a escala de chip a nivel de oblea) se desarrollará a medida que las industrias correspondientes despeguen.
Pines que se extienden desde la periferia hasta la matriz
Durante décadas se ha presenciado un desarrollo constante de la tecnología de encapsulado de componentes, compatible con el progreso de los CI (circuitos integrados). Cada generación de CI requiere una determinada generación de tecnología de encapsulado, y el avance de la SMT (tecnología de montaje superficial) impulsa aún más la tecnología de encapsulado de componentes a un nuevo nivel. Los CI de escala media y pequeña que se aplicaron en los años 60 y 70 dependían en gran medida de encapsulados TO (transistor outline) y luego se desarrollaron los encapsulados DIP (dual in-line package) y PDIP (plastic dual in-line), que posteriormente desempeñaron un papel predominante en esa época.
Con la llegada de la tecnología SMT en la década de 1980, los encapsulados de CI preferían LCC (leadless ceramic carrier), PLCC (plastic leadless ceramic carrier) y SOP (small outline package) porque eran más compatibles con SMT, que requería terminales cortos o sin terminales. Luego, el QFP (quad flat package), tras décadas de investigación y desarrollo, no solo resuelve los problemas de encapsulado propios de los encapsulados LSI, sino que también se integra sin problemas con el ensamblaje SMT sobre PCB (printed circuit board). Todos los méritos mencionados anteriormente acerca del QFP lo han llevado a ser prominente en los productos electrónicos que utilizan SMT, situación que se mantiene incluso hasta hoy. Las terminales del QFP se comportan como alas de gaviota en sus cuatro lados, conteniendo muchas más terminales de E/S que el SOP, que solo incluye terminales tipo ala de gaviota en dos lados. Para ser más compatible con el progreso continuo de la densidad de ensamblaje electrónico, el paso de las terminales del QFP se ha desarrollado desde 1,27 mm hasta 0,3 mm, lo que a su vez impulsa una mejora constante en el número de terminales de E/S y en el volumen del encapsulado. Como resultado, se generan más dificultades para el ensamblaje electrónico, lo que conduce a una reducción de la tasa de aprobación y a un aumento del costo de ensamblaje. Además, debido a las limitaciones de las tecnologías de fabricación de la precisión del bastidor de terminales de los componentes, 0,3 mm se ha convertido en el límite en lo que respecta al paso de las terminales del QFP, lo que detiene drásticamente el aumento de la densidad de ensamblaje. Por lo tanto, se puede prever que el progreso del QFP ha llegado a su fin. Así, se empieza a buscar otros tipos de encapsulados como el BGA (ball grid array). Las terminales de E/S de los encapsulados BGA se distribuyen bajo el encapsulado en forma de matriz como esferas o columnas. Además, los encapsulados BGA presentan un gran paso entre terminales y terminales cortas, lo que es beneficioso para la resolución de los problemas de coplanaridad y alabeo derivados de las terminales en componentes de paso fino. Las ventajas de la tecnología BGA radican en su capacidad para aumentar el número de terminales de E/S y el paso, lo que a su vez aborda el problema de alto costo y baja fiabilidad como resultado del elevado número de terminales de E/S propio de la tecnología QFP.
La aparición del BGA puede considerarse un avance en la tecnología de encapsulado porque no solo es capaz de alojar más pines de E/S, sino que también puede diseñarse en doble capa o en múltiples capas para adaptarse a las funciones de los circuitos integrados. Como resultado, es capaz de optimizar los resistores, colocar dos o más chips en la misma placa base para su interconexión y luego encapsularlos en la misma carcasa, lo que se denomina MCM (módulo de múltiples chips). Si se utiliza la tecnología FC, no es necesaria la participación de hilos metálicos para la conexión. Por lo tanto, es beneficioso para acelerar la velocidad de funcionamiento del CI y reducir el grado de complejidad y el consumo de energía.
Desarrollo de BGA
El BGA es un tipo de encapsulado de matriz superficial que funciona perfectamente para SMT. En la década de 1960 se investigó el BGA, mientras que su aplicación práctica despegó después de 1989. Desde que el encapsulado plástico fue desarrollado por Motorola y Citizen en 1989, el desarrollo y la aplicación del BGA se han visto enormemente impulsados. En 1991 se desarrolló el PBGA (plastic ball grid array) con sustrato de resina, funcionando adecuadamente en transmisores receptores de radio y computadoras. En 1993, el PBGA comenzó a aparecer en el mercado, listo para su uso práctico. Ya en 1995, los encapsulados BGA empezaron a aplicarse de forma generalizada. Hasta ahora, los componentes PBGA se han aplicado principalmente en productos de telecomunicaciones, dispositivos de telecomunicación remota, sistemas informáticos y estaciones de trabajo.
Entre todas las ventajas del encapsulado BGA, la esencial radica en su aplicación de una distribución en matriz de las esferas de soldadura, lo que hace que presente un gran paso entre pines, incrementando enormemente el rendimiento de ensamblaje. Así, el encapsulado BGA puede ser desarrollado y aplicado. No obstante, los PBGA también presentan algunos problemas. Por ejemplo, el encapsulado plástico tiende a absorber humedad; la placa base tiende a deformarse; todo tipo de componentes BGA son difíciles de inspeccionar y retrabajar después de la soldadura. Todos los problemas mencionados hacen que los encapsulados BGA se enfrenten a desafíos de fiabilidad cuando se aplican en entornos extremos. Sin embargo, esos problemas se han resuelto hasta cierto punto. Por ejemplo, el CBGA (ceramic ball grid array) ayuda a superar el problema de absorción de humedad; el TBGA (tape ball grid array) también puede superar el problema de absorción de humedad y ha sido considerado un encapsulado de bajo costo con un alto número de pines de E/S y alto rendimiento. Dado que se han desarrollado numerosos tipos de componentes BGA con los problemas técnicos superados, el BGA empezó a aplicarse ampliamente ya en el año 1998. El QFP se selecciona primero para aplicaciones con pines de E/S cuyo número es inferior a 200, mientras que el BGA se selecciona primero para aplicaciones con pines de E/S cuyo número es superior a 200.
Unión de BGA y FC
La unión del encapsulado BGA y la tecnología FC aporta las siguientes ventajas:
• El número de pines de E/S puede ser muy alto (de 1.000 a 2.000) y los MCM avanzados requieren muchos pines de E/S;
• Los parámetros eléctricos parásitos pueden reducirse y la impedancia y la diafonía pueden disminuirse de 5 a 10 veces;
• El tiempo de soldadura del alambre metálico puede acortarse.
• Mayor rendimiento de disipación térmica;
• Tamaño más pequeño.
CSP
Aunque la prosperidad y el desarrollo de BGA resuelven con éxito las dificultades a las que debe enfrentarse el QFP, el encapsulado BGA aún no puede satisfacer completamente los requisitos de los productos electrónicos en cuanto a miniaturización, múltiples funciones o mayor fiabilidad, ni puede seguir cumpliendo los requisitos de mejora de la eficiencia de encapsulado o de alcanzar la velocidad de transmisión intrínseca. Como resultado, aparece el CSP en escena.
Con una estructura equivalente a la de un BGA, la diferencia entre el CSP y el BGA radica en su menor diámetro de bola de soldadura, paso más fino y delgadez, de modo que se pueden disponer de más pines de E/S dentro de la misma área de encapsulado, es decir, aumenta la densidad de ensamblaje. En otras palabras, el CSP es una versión pequeña del BGA.
Hasta ahora, el CSP más prevalente es el WLCSP, con los siguientes méritos:
• Tanto las obleas como los componentes WLCSP pueden fabricarse en la misma línea de producción y el mismo plan de producción, y la implementación de la producción puede optimizarse;
• La tecnología de fabricación de silicio y las pruebas de encapsulado posteriores pueden llevarse a cabo en el mismo lugar, con una mejora del nivel de automatización en la fabricación de obleas;
• Se pueden reducir los costos de prueba y los costos de inversión;
• El trabajo logístico puede optimizarse.
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Recursos útiles
•Introducción a la tecnología de empaquetado SMT
•Una introducción a la tecnología de empaquetado BGA
•Una breve introducción a los tipos de encapsulado BGA
•Factores que afectan la calidad del ensamblaje BGA
•Comparación entre QFP de paso ultrafino y BGA y su tendencia de desarrollo
