Già negli anni ’90, i prodotti elettronici si sono sviluppati verso la portabilità, la miniaturizzazione, la messa in rete e il multimediale, tutti aspetti che hanno anche avanzato i corrispondenti requisiti perassemblaggio di componenti elettronicitecnologia:
• Miglioramento del contenuto informativo per unità di volume, cioè alta densità;
• Miglioramento della velocità di elaborazione per unità di tempo, cioè una velocità più elevata.
Per soddisfare il requisito sopra indicato, è necessario migliorare la densità di funzioni dell’assemblaggio dei circuiti, che diventa l’elemento essenziale che incoraggia la tecnologia di packaging dei componenti elettronici a progredire ulteriormente.
Con la riduzione delle dimensioni del package, l’efficienza di connessione reciproca aumenta di conseguenza. L’efficienza di connessione si riferisce al rapporto tra la dimensione massima del chip e la dimensione del package. All’inizio degli anni ’90, l’efficienza di connessione del PQFP (plastic quad flat package) poteva essere al massimo 0,3. Successivamente, il rapporto di connessione del CSP (chip scale package) è arrivato fino a 0,8–0,9. Ad oggi, il rapporto di connessione dell’ultima generazione di package è superiore a quello del COB (chip on board), ed è equivalente a quello del package FC (flip chip).
In futuro, la tecnologia di packaging si svilupperà verso le seguenti tendenze:
• La CSP parziale sarà standardizzata e prodotta in serie;
• L'industria CSP sarà istituita con la creazione di alcune industrie fondamentali relative ai materiali, all'assemblaggio, ai test e all'assemblaggio a bordo, ecc.;
• La tecnologia dei package FC e la corrispondente industria di base saranno ulteriormente sviluppate;
• Il WLCSP (wafer level chip scale package) sarà sviluppato con il decollo delle corrispondenti industrie.
Perni che si estendono dalla periferia alla matrice
Per decenni si è assistito a uno sviluppo costante della tecnologia di incapsulamento dei componenti, compatibile con i progressi dei circuiti integrati (IC, integrated circuits). Ogni generazione di IC richiede una determinata generazione di tecnologia di packaging e l’avanzamento della SMT (surface mount technology) spinge ulteriormente la tecnologia di incapsulamento dei componenti a un nuovo livello. I circuiti integrati di media e piccola scala utilizzati negli anni ’60 e ’70 dipendevano in larga misura dai package TO (transistor outline) e successivamente furono sviluppati i package DIP (dual in-line package) e PDIP (plastic dual in-line), che in seguito svolsero un ruolo di primo piano in quel periodo.
Con l’avvento dell’SMT negli anni ’80, i package per circuiti integrati preferivano LCC (leadless ceramic carrier), PLCC (plastic leadless ceramic carrier) e SOP (small outline package) perché erano più compatibili con l’SMT, che richiede terminali corti o assenti. Successivamente, il QFP (quad flat package), dopo decenni di ricerca e sviluppo, non solo ha risolto i problemi di package tipici dei package LSI, ma si è anche integrato senza difficoltà con l’assemblaggio SMT su PCB (printed circuit board). Tutti i vantaggi sopra menzionati relativi al QFP lo hanno reso predominante nei prodotti elettronici che utilizzano SMT, situazione che rimane vera ancora oggi. I terminali del QFP hanno la forma di ali di gabbiano sui quattro lati, contenendo molti più pin di I/O rispetto al SOP, che presenta terminali a “gull-wing” solo su due lati. Per essere più compatibile con l’ulteriore aumento della densità di assemblaggio elettronico, il passo dei terminali del QFP si è evoluto da 1,27 mm a 0,3 mm, il che ha portato a un costante aumento del numero di pin di I/O e alla riduzione del volume del package. Di conseguenza, si sono generate maggiori difficoltà per l’assemblaggio elettronico, con una riduzione del tasso di resa e un aumento dei costi di assemblaggio. Inoltre, a causa dei limiti delle tecnologie di produzione in termini di precisione di fabbricazione del lead frame dei componenti, 0,3 mm è diventato il limite per quanto riguarda il passo dei terminali del QFP, il che frena drasticamente l’aumento della densità di assemblaggio. Pertanto, si può prevedere che l’evoluzione del QFP sia giunta al termine. Di conseguenza, si è iniziato a cercare altri tipi di package come il BGA (ball grid array). I pin di I/O dei package BGA sono distribuiti sotto il package in una matrice di sfere o colonne. Inoltre, i package BGA presentano un ampio passo tra i terminali e terminali corti, il che è vantaggioso per la risoluzione dei problemi di coplanarità e imbarcamento derivanti dai terminali nei componenti a passo fine. I vantaggi della tecnologia BGA risiedono nella sua capacità di aumentare il numero di pin di I/O e il passo, affrontando così i problemi di elevato costo e bassa affidabilità derivanti dall’elevato numero di pin di I/O tipico della tecnologia QFP.
L’avvento del BGA può essere considerato una svolta nella tecnologia di packaging perché non solo è in grado di contenere un numero maggiore di pin di I/O, ma può anche essere progettato a doppio strato o a strati multipli per adattarsi alle funzioni dei circuiti integrati. Di conseguenza, è in grado di ottimizzare le resistenze, collocare due o più chip sulla stessa scheda di base per l’interconnessione e quindi incapsularli nello stesso involucro, formando così un MCM (multiple chip module). Se viene utilizzata la tecnologia FC, non è necessario l’impiego di fili metallici per la connessione. In questo modo, si favorisce l’aumento della velocità di funzionamento dell’IC e la riduzione del grado di complessità e del consumo di potenza.
Sviluppo del BGA
Il BGA è un tipo di package a matrice superficiale che funziona perfettamente per l’SMT. Negli anni ’60 si è assistito alla ricerca sul BGA, mentre la sua applicazione pratica è decollata dopo il 1989. Poiché il package in plastica è stato sviluppato da Motorola e Citizen nel 1989, lo sviluppo e l’applicazione del BGA sono stati fortemente incoraggiati. Nel 1991 è stato sviluppato il PBGA (plastic ball grid array) con l’impiego di un substrato in resina, funzionando in modo soddisfacente su ricetrasmettitori radio e computer. Nel 1993 il PBGA ha iniziato a comparire sul mercato, pronto per il suo impiego pratico. Già nel 1995 i package BGA hanno cominciato a essere ampiamente utilizzati. Ad oggi, i componenti PBGA sono stati applicati principalmente in prodotti di telecomunicazione, dispositivi di telecomunicazione remota, sistemi informatici e workstation.
Tra tutti i vantaggi del package BGA, quello essenziale risiede nel suo impiego della distribuzione a matrice delle sfere di saldatura, che fa sì che presenti un ampio passo tra i pin, aumentando notevolmente le prestazioni di assemblaggio. In questo modo, il package BGA può essere sviluppato e applicato. Tuttavia, i PBGA presentano anche alcuni problemi. Ad esempio, il package plastico tende ad assorbire umidità; il substrato tende a deformarsi; tutti i tipi di componenti BGA sono difficili da ispezionare e rilavorare dopo la saldatura. Tutti i problemi menzionati fanno sì che i package BGA si trovino ad affrontare sfide in termini di affidabilità quando vengono utilizzati in ambienti estremi. Tuttavia, tali problemi sono stati risolti in una certa misura. Ad esempio, il CBGA (ceramic ball grid array) contribuisce a eliminare il problema dell’assorbimento di umidità; il TBGA (tape ball grid array) può anch’esso eliminare il problema dell’assorbimento di umidità ed è considerato un package a basso costo con un elevato numero di pin di I/O e alte prestazioni. Poiché sono stati sviluppati numerosi tipi di componenti BGA con i problemi tecnici superati, il BGA ha iniziato a essere ampiamente applicato già dal 1998. Il QFP è scelto per primo per applicazioni con un numero di pin di I/O inferiore a 200, mentre il BGA è scelto per primo per applicazioni con un numero di pin di I/O superiore a 200.
Incapsulamento di BGA e FC
L’assemblaggio del package BGA e della tecnologia FC offre i seguenti vantaggi:
• Il numero di pin di I/O può essere molto elevato (da 1.000 a 2.000) e gli MCM avanzati richiedono molti pin di I/O;
• I parametri elettrici parassiti possono essere ridotti e l’impedenza e il crosstalk possono essere ridotti da 5 a 10 volte;
• Il tempo di saldatura del filo metallico può essere ridotto.
• Prestazioni superiori di dissipazione termica;
• Dimensioni più ridotte.
CSP
Sebbene il fiorire e lo sviluppo del BGA risolvano con successo le difficoltà che i QFP devono affrontare, il package BGA non può comunque soddisfare pienamente i requisiti dei prodotti elettronici in termini di miniaturizzazione, funzioni multiple o maggiore affidabilità, né può rispondere ulteriormente alle esigenze di miglioramento dell’efficienza di packaging o di raggiungimento della velocità di trasmissione intrinseca. Di conseguenza, il CSP entra in scena.
Con una struttura equivalente a quella del BGA, la differenza tra CSP e BGA risiede nel diametro più piccolo delle sfere di saldatura, nel passo più fine e nello spessore ridotto, in modo che nello stesso area di incapsulamento siano disponibili più pin di I/O, cioè aumenta la densità di assemblaggio. In altre parole, il CSP è una versione ridotta del BGA.
Al momento, il CSP più diffuso è il WLCSP, che presenta i seguenti vantaggi:
• Sia i wafer sia i componenti WLCSP possono essere prodotti sulla stessa linea di produzione e nello stesso piano di produzione, e l’implementazione della produzione può essere ottimizzata;
• La tecnologia di produzione del silicio e il successivo collaudo del packaging possono essere eseguiti nello stesso luogo, con un miglioramento del livello di automazione nella produzione dei wafer;
• I costi di test e i costi di investimento possono essere ridotti;
• Il lavoro logistico può essere ottimizzato.
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Risorse utili
•Introduzione alla tecnologia di packaging SMT
•Un'introduzione alla tecnologia di packaging BGA
•Una breve introduzione ai tipi di package BGA
•Fattori che influenzano la qualità dell’assemblaggio BGA
•Confronto tra QFP a passo ultra fine e BGA e la loro tendenza di sviluppo
