Paquete de semiconductores

Un encapsulado de semiconductor es una carcasa de metal, plástico, vidrio o cerámica que contiene uno o más dispositivos semiconductores discretos o circuitos integrados . Los componentes individuales se fabrican en obleas semiconductoras (generalmente de silicio ) antes de ser cortados en chips , probados y encapsulados. El encapsulado permite su conexión al entorno externo, como la placa de circuito impreso , mediante contactos como almohadillas, esferas o pines; y ofrece protección contra amenazas como impactos mecánicos, contaminación química y exposición a la luz. Además, ayuda a disipar el calor producido por el dispositivo, con o sin la ayuda de un disipador de calor . Existen miles de tipos de encapsulados en uso. Algunos se definen por estándares internacionales, nacionales o de la industria, mientras que otros son específicos de cada fabricante.

Un encapsulado de semiconductor puede tener tan solo dos terminales o contactos para dispositivos como diodos, o, en el caso de microprocesadores avanzados , puede tener varios miles de conexiones. Los encapsulados muy pequeños pueden estar sostenidos únicamente por sus terminales de cable. Los dispositivos más grandes, destinados a aplicaciones de alta potencia, se instalan en disipadores de calor cuidadosamente diseñados para que puedan disipar cientos o miles de vatios de calor residual .

Además de proporcionar conexiones al semiconductor y gestionar el calor residual, el encapsulado del semiconductor debe proteger el chip del entorno, en particular de la entrada de humedad. Las partículas sueltas o los productos de corrosión dentro del encapsulado pueden degradar el rendimiento del dispositivo o provocar fallos. ^{[ 1 ]} Un encapsulado hermético prácticamente no permite el intercambio de gases con el entorno; este tipo de construcción requiere carcasas de vidrio, cerámica o metal.

Para conectar un circuito integrado con los terminales del encapsulado, se utilizan conexiones de alambre , donde finos cables se unen desde los terminales del encapsulado a almohadillas conductoras en el chip semiconductor. En la parte exterior del encapsulado, los cables pueden soldarse a una placa de circuito impreso o utilizarse para fijar el dispositivo a una tira de etiquetas. Los dispositivos modernos de montaje superficial eliminan la mayoría de los orificios perforados en las placas de circuito impreso y cuentan con terminales o almohadillas metálicas cortas en el encapsulado que se pueden fijar mediante soldadura por reflujo en horno. Los dispositivos aeroespaciales en encapsulados planos pueden utilizar terminales metálicos planos fijados a una placa de circuito impreso mediante soldadura por puntos , aunque este tipo de construcción es poco común actualmente.

Los primeros dispositivos semiconductores solían insertarse en zócalos, como los tubos de vacío . Con la mejora de los dispositivos, los zócalos resultaron innecesarios para garantizar la fiabilidad, y estos comenzaron a soldarse directamente a las placas de circuito impreso. El encapsulado debe soportar los elevados gradientes de temperatura propios de la soldadura sin dañar el chip semiconductor ni sus terminales.

Los zócalos se siguen utilizando para aplicaciones experimentales, prototipos o educativas, para probar dispositivos, para chips de alto valor como los microprocesadores, donde la sustitución sigue siendo más económica que desechar el producto, y para aplicaciones donde el chip contiene firmware o datos únicos que podrían reemplazarse o actualizarse durante la vida útil del producto. Los dispositivos con cientos de pines pueden insertarse en zócalos de fuerza de inserción cero , que también se utilizan en equipos de prueba o programadores de dispositivos.

Muchos dispositivos se moldean a partir de un plástico epoxi que proporciona una protección adecuada a los dispositivos semiconductores y resistencia mecánica para soportar los terminales y facilitar la manipulación del encapsulado. El plástico puede ser cresol - novolacas , poliimida de siloxano, polixileno, siliconas, poliepóxidos y bisbenzociclobuteno. ^{[ 4 ]} Algunos dispositivos, destinados a entornos de alta fiabilidad, aeroespaciales o de radiación, utilizan encapsulados cerámicos, con tapas metálicas soldadas después del ensamblaje, o un sello de frita de vidrio . Los encapsulados totalmente metálicos se utilizan a menudo con dispositivos de alta potencia (varios vatios o más), ya que conducen bien el calor y permiten un fácil montaje en un disipador de calor. A menudo, el encapsulado forma un contacto para el dispositivo semiconductor. Los materiales de los terminales deben elegirse con un coeficiente de expansión térmica que coincida con el material del encapsulado. Se puede utilizar vidrio en el encapsulado como sustrato para reducir su expansión térmica y aumentar su rigidez, lo que reduce la deformación y facilita el montaje del encapsulado en una PCB. ^{[ 5 ] [ 6 ]}

Los primeros semiconductores se encapsulaban en envoltorios de vidrio al vacío en miniatura, como las bombillas de las linternas; este costoso encapsulado quedó obsoleto con la llegada de la pasivación de superficies y las técnicas de fabricación mejoradas. ^{[ 1 ]} Los encapsulados de vidrio todavía se utilizan comúnmente con diodos , y los sellos de vidrio se emplean en los encapsulados de transistores metálicos.

Los materiales de encapsulado para memorias dinámicas de alta densidad deben seleccionarse para que presenten una baja radiación de fondo; una sola partícula alfa emitida por el material de encapsulado puede provocar una alteración de un solo evento y errores transitorios de memoria ( errores leves ).

Las aplicaciones espaciales y militares tradicionalmente utilizaban microcircuitos encapsulados herméticamente (HPM). Sin embargo, la mayoría de los circuitos integrados modernos solo están disponibles como microcircuitos encapsulados en plástico (PEM). Las prácticas de fabricación adecuadas, utilizando PEM debidamente cualificados, pueden emplearse en aplicaciones espaciales. ^{[ 7 ]}

En un sustrato cerámico se pueden ensamblar múltiples chips semiconductores y componentes discretos, interconectándolos mediante hilos conductores. El sustrato cuenta con terminales para la conexión a un circuito externo, y el conjunto se recubre con una capa soldada o fritada. Estos dispositivos se utilizan cuando los requisitos superan el rendimiento (disipación de calor, ruido, tensión nominal, corriente de fuga u otras propiedades) que ofrece un circuito integrado de un solo chip, o para combinar funciones analógicas y digitales en un mismo encapsulado. Si bien la fabricación de estos encapsulados es relativamente costosa, ofrecen la mayoría de las ventajas de los circuitos integrados.

Un ejemplo moderno de encapsulados de circuitos integrados multichip serían ciertos modelos de microprocesadores, que pueden incluir chips separados para funciones como la memoria caché dentro del mismo encapsulado. En una técnica denominada flip chip , los chips de circuitos integrados digitales se invierten y se sueldan a un portador de módulo para su ensamblaje en sistemas de gran tamaño. ^{[ 8 ]} IBM aplicó esta técnica en sus ordenadores System/360 . ^{[ 9 ]}

Los encapsulados de semiconductores pueden incluir características especiales. Los dispositivos emisores o sensibles a la luz deben tener una ventana transparente en el encapsulado; otros dispositivos, como los transistores, pueden verse afectados por la luz parásita y requieren un encapsulado opaco. ^{[ 1 ]} Un dispositivo de memoria de solo lectura programable borrable por luz ultravioleta necesita una ventana de cuarzo para permitir que la luz ultravioleta entre y borre la memoria. Los circuitos integrados sensibles a la presión requieren un puerto en el encapsulado que pueda conectarse a una fuente de presión de gas o líquido.

Los encapsulados para dispositivos de frecuencia de microondas están diseñados para minimizar la inductancia y capacitancia parásitas en sus terminales. Los dispositivos de muy alta impedancia con corriente de fuga ultrabaja requieren encapsulados que impidan el paso de corrientes parásitas y, en ocasiones, incorporan anillos de protección alrededor de los terminales de entrada. Los amplificadores de aislamiento especiales incluyen barreras aislantes de alta tensión entre la entrada y la salida, lo que permite la conexión a circuitos alimentados a 1 kV o más.

Los primeros transistores de contacto puntual utilizaban encapsulados metálicos tipo cartucho con una abertura que permitía ajustar el filamento utilizado para hacer contacto con el cristal de germanio ; estos dispositivos fueron comunes solo durante un breve período, ya que se desarrollaron tipos más fiables y que requerían menos mano de obra. ^{[ 1 ]}

Al igual que ocurre con los tubos de vacío , los estándares para los encapsulados de semiconductores pueden estar definidos por asociaciones industriales nacionales o internacionales como JEDEC , Pro Electron o EIAJ , o pueden ser propiedad exclusiva de un único fabricante.

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  Componentes discretos de orificio pasante de diversos tipos
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  Un microprocesador en un encapsulado cerámico de doble hilera de pines (DIP) con 48 pines.
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  Una oblea de silicio; los dispositivos individuales ( VLSI en cuadrados) no se pueden utilizar hasta que se cortan, se unen mediante cables y se empaquetan.
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  Un encapsulado de plástico de doble hilera que contiene un circuito integrado analógico. Este se puede instalar en un zócalo o soldarse directamente a una placa de circuito impreso.
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  Un tiristor de baja corriente y un dispositivo de alta potencia, con un perno roscado para su fijación a un disipador de calor y un cable flexible; este tipo de encapsulados se utilizan para dispositivos con una capacidad nominal de cientos de amperios.

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