Mergulhe profundo em embalagens de chip: Como a miniaturização do QFP para o WLCSP aciona a revolução do design da PCB

Cada avanço microscópico na tecnologia de embalagens remodela os limites físicos da eletrônica.

Na semana passada Evolução da embalagem de chips: Do DIP ao X2SON – Como a miniaturização remodelou a eletrônica, exploramos a era das embalagens transparentes (MERGULHAR) e como os dispositivos de montagem em superfície (POP, SOJ, FILHO) iniciou a miniaturização do dispositivo. Embora essas tecnologias tenham estabelecido bases modernas para embalagens, o revolução da miniaturização continua. Hoje, examinamos pacotes de maior densidade – desde quad-flat até CSP de nível wafer – e seu impacto sobre Projeto de PCB limites.

Pacotes Quad-Flat: O equilíbrio espaço-densidade

Pacotes quádruplos (Mf, PLCC/QFJ, QFN) representam uma evolução crítica em direção a maior densidade de E/S, utilizando todas as quatro bordas do pacote.

Mf: O pioneiro da densidade de asa de gaivota

Mf (Pacote Quad Flat) features iconic “gull-wing” (Em forma de L) cabos que se estendem de todos os lados. Isso é passo do pino (0.4mm/0,5 mm/0,65 mm) dita Roteamento de PCB densidade e precisão de soldagem.

Variantes QFP:

• Tamanho/Espessura: LQFP (Discreto), TQFP (Afinar), VQFP (Muito fino)

• Material: PQFP (Plástico), MQFP (Metal)

• Térmico aprimorado: HQFP, HLQFP, HTQFP, HVQFP

• Proteção: BQFP (Amortecedores – as almofadas de canto evitam cabos tortos)

O gerenciamento térmico é crítico. A fórmula de resistência térmica da junção ao ambiente θja = (Tj - Ta)/P (onde Tj=temperatura da junção, Enfrentando=temperatura ambiente, P=poder) rege o projeto de dissipação de calor.

PLCC/QFJ: Estabilidade através de J-Leads

PLCC (Porta-chips com chumbo de plástico) ou QFJ (Quad Flat J com chumbo) usa cabos em forma de J dobrados para baixo para estabilidade mecânica contra vibração/estresse térmico.

Vantagem de padronização: A alta compatibilidade do PLCC/QFJ com soquetes de teste universais agiliza os testes de produção. Embora QFJ seja tecnicamente preciso, “PLCC” remains industry-preferred.

QFN: Avanço na miniaturização sem chumbo

QFN (Quad Flat sem chumbo) elimina leads externos, conectando via:

• Almofada exposta (PE): Caminho térmico direto para PCB cobre

• Flancos Molháveis: Almofadas soldáveis ​​de parede lateral

Principais vantagens:

• Ultracompacto: 40% menor que QFP

• Superioridade Elétrica: Caminhos mais curtos reduzem a indutância parasita (L ≈ μ·l/w)

• Eficiência Térmica: θja inferior vs.. QFP do mesmo tamanho

Evolução da Espessura: LQFN → UQFN → VQFN → WQFN → X1QFN → X2QFN. CCB (LPCC/LCCC) é sua variante de cerâmica/plástico sem chumbo.

Pacotes de matriz: Revolucionando os limites de densidade

Quando quad-flat atinge os limites de E/S, pacotes de matriz (LGA, BGA) ativar densidade de interconexão 2D.

LGA: Conexão elástica de precisão

LGA (Matriz de grade terrestre) usa contatos metálicos precisamente alinhados (por exemplo, LGA775: 775 contatos) combinando com pinos de soquete.

Valor Central:

• Capacidade de soquete: Atualizações/manutenção de CPU

• Baixa indutância: Caminhos de sinal curtos

• Alta confiabilidade: Ideal para CPUs (Intel/AMD)

Limitação: Alto custo/tamanho do soquete favorece o BGA em dispositivos compactos. Observação: LGAs podem ser soldados diretamente por SMT.

BGA: O domínio da bola de solda

BGA (Array da grade de bola) conecta através de uma matriz de bola de solda. Campo de bola (0.3–1,0 mm; <0.2mm para FBGA) é crítico.

Vantagens Transformativas:

• Alta densidade: >1,000 Eu/nós (vs.. QFP's ~300)

• Economia de espaço: 30%+ redução de área vs.. Mf

• Elétrica/Térmica: Baixo atraso de sinal; bolas conduzem calor

• Auto-alinhamento: A tensão superficial auxilia na montagem

Família BGA:

• Material: PBGA (Plástico), CBGA/CABGA (Cerâmica)

• Tamanho/passo: nFBGA/FBGA (Passo fino), TinyBGA, DSBGA/WCSP (Tamanho da matriz), LFBGA/VFBGA (Afinar)

• Integração:

  • Fcbga (Flip-Chip): Conexão direta entre matriz e substrato via micro-impactos

  • PoP (Pacote em pacote): Empilhamento vertical (por exemplo, lógica + memória)

  • PG-WF2BGA: Embalagem espalhada em nível de wafer

Desafios: Inspeção de raios X (EIXO), retrabalho complexo, Correspondência de CTE Materiais de PCB.

Comparação de pacotes de array

Escala de chip & Pacotes em nível de wafer: Aproximando-se dos limites físicos

Csp: Redefinindo limites de tamanho

Csp (Pacote de escala de chips) métrica principal: Tamanho do pacote ≤ 1,2× tamanho da matriz (vs.. 2–5× para tradicional). BGA essencialmente miniaturizado (FBGA/VFBGA) com tom mais fino (0.2–0,5 mm).

Valor: Miniaturização definitiva para wearables/sensores.

Ulc: A revolução no nível do wafer

A embalagem WLCSP/Wafer-Level conclui todas as etapas (RDL, bola) no wafer antes de cortar.

Vantagens disruptivas:

• Tamanho Mínimo: ≈ Dimensões da matriz

• Redução de custos: 30-50% mais barato (sem substratos/moldagem)

• Desempenho máximo: Interconexões mais curtas, parasitas mais baixos

Tipos WLCSP:

1. Fan-In WLCSP:

   • Bolas dentro da área do dado

   • Tamanho do pacote = tamanho da matriz

   • Baixo custo para sensores/PMICs

2. Fan-Out WLCSP (por exemplo, Informações TSMC, Samsung FO-PLP):

   • As bolas vão além do dado

   • Tamanho do pacote > tamanho da matriz

   • Maior densidade de E/S, integração multichip

   • Para módulos SoCs/RF premium

ID visual: Silício não encapsulado (vs.. DFN moldado em resina).

Morfologia da Embalagem & Técnicas de colagem

Formulário de pacote externo (QFP/BGA/WLCSP) e a ligação interna estão intrinsecamente ligadas:

• Ligação de fio:

  • Maduro, baixo custo

  • Domina QFP/QFN/BGAs de gama média

  • Tem/Com fios; E/S moderada

• Flip-Chip:

  • As matrizes são fixadas voltadas para baixo por meio de microsaliências

  • Interconexões mais curtas, indutância mais baixa

  • Essencial para FCBGA/WLCSP/CSP de alto desempenho

Conclusão & Fronteiras Futuras

De QFP para LGA/BGA e finalmente CSP/WLCSP, a evolução das embalagens de chips é uma crônica da compressão do espaço, ganhos de desempenho, e otimização de custos. Cada salto de miniaturização remodela o design do PCB – gerando traços mais precisos, multicamada IDH, e materiais avançados.

Próxima Fronteira: Tecnologias como TSV (Através do Silício Via), Gole (Sistema em pacote), e 2.5D/3D IC agora permitem integração heterogênea 3D, levando o design de PCB a novas dimensões - a serem exploradas em nosso próximo artigo.

Quando um bilhão de transistores cabem em um pacote do tamanho de um grão de areia, Batalhas de engenharia eletrônica em escala molecular.