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          汇春科技 | 解密半导体制造之封装技术

          电子封装是集成电路芯片生产完成后不可缺少的一道工序,是器件到系统的桥梁。封装这一生产环节对微电子产品的质量和竞争力都有极大的影响。按目前国际上流行的看法认为,在微电子器件的总体成本中,设计占了三分之一,芯片生产占了三分之一,而封装和测试也占了三分之一,真可谓三分天下有其一。

          封装研究在全球范围内发展迅猛,当然它也面临着许多前所未见的挑战;机遇与挑战并存,中国作为全球最大的半导体应用市场,在不断变化的商业环境中,半导体供应链也面临变革。此外,美国和中国之间的贸易紧张局势也给供应链带来不确定性。

          什么是封装

          封装,即隐藏对象的属性和实现细节,仅对外公开接口,控制在程序中属性的读和修改的访问级别;将抽象得到的数据和行为(或功能)相结合,形成一个有机的整体,也就是将数据与操作数据的源代码进行有机的结合,形成“类”,其中数据和函数都是类的成员。在电子方面,封装是指把硅片上的电路管脚,用导线接引到外部接头处,以便与其它器件连接。

          集成电路封装能?;ば酒皇芑蛘呱偈芡饨缁肪车挠跋?,并为之提供一个良好的工作条件,以使集成电路具有稳定、正常的功能。

          芯片封装能实现电源分配;信号分配;散热通道;机械支撑;环境?;?。

          封装技术的层次

          第一层次:又称为芯片层次的封装,是指把集成电路芯片与封装基板或引脚架之间的粘贴固定电路连线与封装?;さ墓ひ?,使之成为易于取放输送,并可与下一层次的组装进行连接的??樵?。

          第二层次:将数个第一层次完成的封装与其他电子元器件组成一个电子卡的工艺。

          第三层次:将数个第二层次完成的封装组成的电路卡组合成在一个主电路版上使之成为一个部件或子系统的工艺。

          第四层次:将数个子系统组装成为一个完整电子产品的工艺过程。

               他们依次是芯片互连级(零级封装)、一级封装(多芯片组件)、二级封装(PWB或卡)三级封装(母板)。

          封装的分类

          按照封装中组合集成电路芯片的数目,芯片封装可分为:单芯片封装多芯片封装两大类;

          按照密封的材料区分,可分为高分子材料陶瓷为主的种类;

          按照器件与电路板互连方式,封装可区分为引脚插入型表面贴装型两大类;

          按照引脚分布形态区分,封装元器件有单边引脚,双边引脚,四边引脚,底部引脚四种。

          常见的单边引脚有单列式封装与交叉引脚式封装;

          双边引脚元器件有双列式封装小型化封装;

          四边引脚有四边扁平封装;

          底部引脚有金属罐式与点阵列式封装。

          封装的名词解释

          SIP:单列式封装         SQP:小型化封装   

          MCP:金属鑵式封装     DIP:双列式封装    

          CSP:芯片尺寸封装     QFP:四边扁平封装

          PGA:点阵式封装        BGA:球栅阵列式封装  LCCC:无引线陶瓷芯片载体

          封装技术的发展阶段

          半导体行业对芯片封装技术水平的划分存在不同的标准,目前国内比较通行的标准是采取封装芯片与基板的连接方式来划分,总体来讲,集成电路封装封装技术的发展可分为四个阶段:

          第一阶段:20世纪80年代以前

          (插孔原件时代)

          封装的主要技术是针脚插装(PTH),其特点是插孔安装到PCB上,主要形式有SIP、DIP、PGA,它们的不足之处是密度、频率难以提高,难以满足高效自动化生产的要求。

          第二阶段:20世纪80年代中期

          (表面贴装时代)

          表面贴装封装的主要特点是引线代替针脚,引线为翼形或丁形,两边或四边引出,节距为1.27到0.4mm,适合于3-300条引线,表面贴装技术改变了传统的PTH插装形式,通过细微的引线将集成电路贴装到PCB板上。主要形式为SOP(小外型封装)、PLCC(塑料有引线片式载体)、PQFP(塑料四边引线扁平封装)、J型引线QFJ和SOJ、LCCC(无引线陶瓷芯片载体)等。

          它们的主要优点是引线细、短,间距小,封装密度提高;电气性能提高;体积小,重量轻;易于自动化生产。它们所存在的不足之处是在封装密度、I/O数以及电路频率方面还是难以满足ASIC、微处理器发展的需要。

          第三阶段:20世纪90年代

          (面积阵列封装时代)

          该阶段主要的封装形式有焊球阵列封装(BGA)、芯片尺寸封装(CSP)、无引线四边扁平封装(PQFN)、多芯片组件(MCM)。BGA技术使得在封装中占有较大体积和重量的管脚被焊球所替代,芯片与系统之间的连接距离大大缩短,BGA技术的成功开发,使得一直滞后于芯片发展的封装终于跟上芯片发展的步伐。CSP技术解决了长期存在的芯片小而封装大的根本矛盾,引发了一场集成电路封装技术的革命。

          第四阶段:进入21世纪

          (微电子封装技术堆叠式封装时代)

          进入21世纪,迎来了微电子封装技术堆叠式封装时代,它在封装观念上发生了革命性的变化,从原来的封装元件概念演变成封装系统。

          图 |3D晶片堆叠技术

          图 |堆叠式存储???/p>

          目前,以全球半导体封装的主流正处在第三阶段的成熟期,PQFN和BGA等主要封装技术进行大规模生产,部分产品已开始在向第四阶段发展。

          微机电系统(MEMS)芯片就是采用堆叠式的三维封装。

          先进封装技术SIP

          根据国际半导体路线组织(ITRS)的定义:SiP为将多个具有不同功能的有源电子元件与可选无源器件,以及诸如MEMS或者光学器件等其他器件优先组装到一起,实现一定功能的单个标准封装件,形成一个系统或者子系统。

          从架构上来讲,SiP是将多种功能芯片,包括处理器、存储器等功能芯片集成在一个封装内,从而实现一个基本完整的功能。与SOC(片上系统)相对应。不同的是系统级封装是采用不同芯片进行并排或叠加的封装方式,而SOC则是高度集成的芯片产品。从架构上来讲,SiP是将多种功能芯片,包括处理器、存储器等功能芯片集成在一个封装内,从而实现一个基本完整的功能。与SOC(片上系统)相对应。不同的是系统级封装是采用不同芯片进行并排或叠加的封装方式,而SOC则是高度集成的芯片产品。

          SIP的优势

          (1)封装效率大大提高,SIP封装技术在同一封装体内加多个芯片,大大减少了封装体积。两芯片加使面积比增加到170%,三芯片装可使面积比增至250%。
           ?。?)由於SIP封装不同於SOC无需版图级布局布线,从而减少了设计、验证和调试的复杂性和缩短了系统实现的时间。即使需要局部改动设计,也比SOC要简单容易得多。大幅度的缩短产品上市场的时间。
           ?。?)SIP封装实现了以不同的工艺、材料制作的芯片封装可形成一个系统,实现嵌入集成无源元件的梦幻组合。
           ?。?)降低系统成本。比如一个专用的集成电路系统,采用SIP封装技术可比SOC节省更多的系统设计和生产费用。
           ?。?)SIP封装技术可以使多个封装合二为一,可使总的焊点大为减少,也可以显着减小封装体积、重量,缩短元件的连接路线,从而使电性能得以提高。
           ?。?)SIP封装采用一个封装体实现了一个系统目标产品的全部互连以及功能和性能参数,可同时利用引线键合与倒装焊互连以及其他IC芯片直接内连技术。
           ?。?)SIP封装可提供低功耗和低噪音的系统级连接,在较高的频率下工作可获得几乎与SOC相等的汇流排宽度。
           ?。?)SIP封装具有良好的抗机械和化学腐蚀的能力以及高的可靠性。
           ?。?)与传统的芯片封装不同,SIP封装不仅可以处理数字系统,还可以应用於光通信、传感器以及微机电MEMS等领域。

          智慧型手机扮演SiP成长驱动主力

          与个人电脑时代相比,行动装置产品对SiP的需求较为普遍 。就以智慧型手机来说,上网功能已是基本配备,因此与无线网路相关的Wi-Fi模组便会使用到SiP技术进行整合。 

          基于安全性与保密性考量所发展出的指纹辨识功能,其相关晶片封装亦需要SiP协助整合与缩小空间,使得指纹辨识模组开始成为SiP广泛应用的市??;另外,压力触控也是智慧型手机新兴功能之一,内建的压力触控模组(Force Touch)更是需要SiP技术的协助。 

          汇春科技YS3100可使用在指纹小锁、智能门锁等智能安防产品,采用SIP系统级封装,内包含指纹传感器(96*96)+MCU+演算法,大小可切割9.5mm*9.5mm~13.1mm*13.1mm,圆型或方形皆可。

          除此之外,将应用处理器(AP)与记忆体进行整合的处理器模组,以及与感测相关的MEMS模组等,亦是SiP技术的应用范畴。 

          穿戴装置/物联网,驱动SiP需求上扬

          全球终端电子产品的发展不断地朝向轻薄短小、多功能、低功耗等趋势迈进, SiP的成长潜力越来越大。2015年Apple Watch等穿戴式产品问世后,SiP技术扩及应用到穿戴式产品。 

           此外, 在万物联网的趋势下,必然会串联组合各种行动装置、穿戴装置、智慧交通、智慧医疗,以及智慧家庭等网路,多功能异质晶片整合预估将有庞大需求,低功耗也会是重要趋势。汇春科技在2020年带来全新的SIP系统级封装设计服务及智能环境监测解决方案,可灵活运用在医疗、食品、化工、养殖等行业,其中YS2625可应用在智能定位手环、资产追踪、电动车防盗器/黑盒子、换电系统等方面,SIP系统级封装能缩短节省开发成本,大大缩小系统体积,便于生产与节约生产成本,提高可靠度,同时能使系统不易被破解,?;ぱ蟹⒊晒?。

          封装技术作为信息产业的重要基础在在产品中发挥着很大的作用。具体来说有封装市场巨大,决定产品性能、可靠性、寿命、成本等。现代电子信息产业的竞争在某种意义上主要就是电子封装业的竞争,它在一定程度上决定着现代工业化的水平。

          汇春作为一家集研发、测试、生产、销售为一体,专注于集成电路的芯片设计原厂,主营业务多元化、客户优质、应用广泛,加上国内一流的专业技术团队,可以根据客户的需求做个性化设计与方案开发,为客户提供全方位的服务。

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