Scufundat profund în ambalajele de cipuri: Cum miniaturizarea de la QFP la WLCSP conduce revoluția designului PCB

Fiecare progres microscopic în tehnologia de ambalare remodelează granițele fizice ale electronicelor.

În săptămâna trecută Evoluția ambalajului cu așchii: De la DIP la X2SON – Cum miniaturizarea a remodelat electronicele, am explorat epoca ambalajului cu orificii (DIP) și modul în care dispozitivele de montare la suprafață (SOP, SOJ, FIUL) a inițiat miniaturizarea dispozitivului. În timp ce aceste tehnologii au pus bazele ambalajelor moderne, cel revoluția miniaturizării continuă. Astăzi, examinăm pachetele cu densitate mai mare — de la quad-flat la CSP la nivel de wafer — și impactul lor asupra Design PCB limite.

Pachete Quad-Flat: Echilibrul spațiu-densitate

Pachete quad-plate (MFF, PLCC/QFJ, Qfn) reprezintă o evoluție critică către o densitate mai mare de I/O prin utilizarea tuturor celor patru margini ale pachetului.

MFF: Pionierul densității aripilor de pescăruș

MFF (Pachet plat Quad) caracteristici iconice “aripi de pescăruş” (în formă de L) conduce care se întinde din toate părțile. Sale pitch pin (0.4mm/0,5 mm/0,65 mm) dictează rutare PCB densitate și precizie de lipire.

Variante QFP:

• Dimensiune/grosime: LQFP (Profil redus), TQFP (Subţire), VQFP (Foarte subțire)

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

• Imbunatatit termic: HQFP, HLQFP, HTQFP, HVQFP

• Protecţie: BQFP (Bara de protecție — plăcuțele de colț previn cablurile îndoite)

Managementul termic este critic. Formula de rezistență termică a joncțiunii cu mediul θja = (Tj - Ta)/P (unde Tj= temp, Confruntare= temperatura ambiantă, P=putere) guvernează proiectarea disipării căldurii.

PLCC/QFJ: Stabilitate prin J-Leads

PLCC (Purtător de așchii din plastic cu plumb) sau QFJ (Quad Flat J-plumb) folosește cabluri în formă de J îndoiți în jos pentru stabilitate mecanică împotriva vibrațiilor/stresului termic.

 

Avantaj de standardizare: Compatibilitatea ridicată a PLCC/QFJ cu prizele de testare universale simplifică testarea producției. Deși QFJ este precis din punct de vedere tehnic, “PLCC” rămâne preferat de industrie.

Qfn: Revoluție în miniaturizare fără plumb

Qfn (Quad Flat Fără plumb) elimină cablurile externe, conectarea prin:

• Pad expus (EP): Calea termică directă către PCB cupru

• Flancuri umede: Tampoane lipibile pe pereții laterali

Avantaje cheie:

• Ultra-Compact: 40% mai mic decât QFP

• Superioritate electrică: Căile mai scurte reduc inductanța parazită (L ≈ μ·l/w)

• Eficiență termică: θja inferioară vs. QFP de aceeași dimensiune

Evoluția grosimii: LQFN → UQFN → VQFN → WQFN → X1QFN → X2QFN. LCC (LPCC/LCCC) este varianta sa din ceramică/plastic fără plumb.

Pachete Array: Revoluționarea limitelor de densitate

Când quad-flat atinge limitele I/O, pachete matrice (LGA, BGA) activați densitatea de interconectare 2D.

LGA: Conexiune elastică de precizie

LGA (Land Grid Array) folosește contacte metalice aliniate precis (De ex., LGA775: 775 contacte) împerechere cu știfturi.

Valoarea de bază:

• Socketability: Upgrade/mentenanță CPU

• Inductanță scăzută: Căi scurte de semnal

• Fiabilitate ridicată: Ideal pentru procesoare (Intel/AMD)

Prescripţie: Costul/dimensiunea ridicată a prizei favorizează BGA în dispozitivele compacte. Nota: LGA-urile pot fi lipite direct-SMT.

BGA: Dominanța mingii de lipit

BGA (Ball Grid Array) se conectează printr-o matrice de bilă de lipit. Pitch cu minge (0.3-1,0 mm; <0.2mm pentru FBGA) este critic.

Avantaje transformatoare:

• Densitate mare: >1,000 eu/noi (vs. QFP-uri ~300)

• Economie de spațiu: 30%+ reducerea suprafeței vs. MFF

• Electrice/Termice: Întârziere scăzută a semnalului; bilele conduc căldura

• Auto-alinierea: Tensiunea de suprafață ajută la asamblare

Familia BGA:

• Material: PBGA (Plastic), CBGA/CABGA (ceramică)

• Dimensiune/Pitch: nFBGA/FBGA (Pitch fin), TinyBGA, DSBGA/WCSP (Dimensiunea matriței), LFBGA/VFBGA (Subţire)

• Integrare:

  • FCBGA (Flip-Chip): Conexiune directă matriță la substrat prin microbumps

  • PoP (Pachet pe pachet): Stivuire verticală (De ex., logică + memorie)

  • PG-WF2BGA: Ambalare la nivel de napolitană

Provocări: Inspecție cu raze X (Axi), reluare complexă, CTE-potrivire Materiale PCB.

Comparația pachetului de matrice

Chip-Scale & Pachete la nivel de napolitană: Apropierea limitelor fizice

CSP: Redefinirea limitelor dimensiunilor

CSP (Pachet Chip Scale) metrica cheie: Dimensiunea pachetului ≤ 1,2× dimensiunea matriței (vs. 2–5× pentru tradițional). BGA în esență miniaturizat (FBGA/VFBGA) cu pas mai fin (0.2-0,5 mm).

Valoare: Miniaturizare supremă pentru purtabile/senzori.

Ulc: Revoluția la nivel de napolitană

WLCSP/Wafer-Level Packaging finalizează toți pașii (RDL, baling) pe napolitană înainte de a tăia cubulețe.

Avantaje perturbatoare:

• Dimensiune minimă: ≈ Dimensiunile matriței

• Reducerea costurilor: 30-50% mai ieftin (fara substraturi/mulare)

• Performanță de vârf: Cele mai scurte interconexiuni, cei mai mici paraziți

Tipuri WLCSP:

1. Fan-In WLCSP:

   • Bile în zona zarului

   • Dimensiunea pachetului = dimensiunea matriței

   • Costuri reduse pentru senzori/PMIC

2. Fan-out WLCSP (De ex., TSMC INFO, Samsung FO-PLP):

   • Bilele se extind dincolo de mor

   • Dimensiunea pachetului > dimensiunea matriței

   • Densitate I/O mai mare, integrare cu mai multe cipuri

   • Pentru module SoC/RF premium

ID vizual: Siliciu neîncapsulat (vs. DFN turnat cu rășină).

Morfologia ambalajului & Tehnici de legare

Formular de pachet extern (QFP/BGA/WLCSP) iar legăturile interne sunt legate intrinsec:

• Lipirea firelor:

  • Matur, cost scăzut

  • Domină QFP/QFN/BGA-uri de gamă medie

  • Au/Cu wires; I/O moderată

• Flip-Chip:

  • Matrițele se fixează cu fața în jos prin microbumpuri

  • Cele mai scurte interconexiuni, cea mai mică inductanță

  • Esențial pentru FCBGA/WLCSP/CSP de înaltă performanță

Concluzie & Frontierele viitorului

De la QFP la LGA/BGA și în final CSP/WLCSP, evoluția ambalajului chipurilor este a cronica compresiei spațiale, câștiguri de performanță, și optimizarea costurilor. Fiecare salt de miniaturizare remodelează designul PCB - dând urme mai fine, multistrat HDI, și materiale avansate.

Următoarea frontieră: Tehnologii precum TSV (Prin-Siliciu Via), Înghiţitură (Sistem în pachet), și 2.5D/3D IC permit acum integrarea eterogenă 3D, împingând designul PCB-ului în noi dimensiuni – care urmează să fie explorat în următorul nostru articol.

Când un miliard de tranzistori încap într-un pachet de mărimea unui grăunte de nisip, bătălii de inginerie electronică la scară moleculară.