半導体パッケージ

半導体パッケージは、 1つ以上の個別の半導体デバイスまたは集積回路を収容する金属、プラスチック、ガラス、またはセラミックのケースです。個々のコンポーネントは半導体ウェハー(通常はシリコン)上に製造され、その後ダイに切断され、テストされ、パッケージ化されます。パッケージは、ランド、ボール、ピンなどのリードを介してプリント回路基板などの外部環境に接続する手段と、機械的衝撃、化学汚染、光への露出などの脅威に対する保護を提供します。さらに、ヒートスプレッダーの有無にかかわらず、デバイスによって生成された熱を放散するのに役立ちます。使用されているパッケージの種類は数千種類あります。国際標準、国内標準、または業界標準で定義されているものもあれば、個々のメーカーに固有のものもあります。

半導体パッケージには、ダイオードなどのデバイス用のリードまたは接点が 2 つしかない場合もありますが、高度なマイクロプロセッサの場合は、パッケージに数千の接続がある場合があります。非常に小さなパッケージは、ワイヤ リードのみでサポートされている場合があります。高電力アプリケーション向けの大型デバイスは、数百または数千ワットの廃熱を放散できるように、慎重に設計されたヒート シンクに取り付けられます。

半導体パッケージは、半導体への接続と廃熱の処理に加えて、特に湿気の侵入など環境から「チップ」を保護する必要があります。パッケージ内の浮遊粒子や腐食生成物は、デバイスの性能を低下させたり、故障の原因となる可能性があります。^[1]密閉パッケージでは、基本的に周囲とのガス交換が不可能であるため、このような構造にはガラス、セラミック、または金属の筐体が必要です。

メーカーは通常、インクまたはレーザーマーキングを使用してパッケージにメーカーのロゴと部品番号を印刷します。これにより、比較的少ない種類のパッケージにパッケージされている多くの異なる互換性のないデバイスを区別しやすくなります。マーキングには4桁の日付コードが含まれることが多く、YYWWと表されることが多いです。YYは暦年の最後の2桁に置き換えられ、WWは2桁の週番号に置き換えられます。^{[2] [3]} 通常はISO週番号です。

非常に小さなパッケージには、2桁の日付コードが含まれていることがよくあります。2桁の日付コードの1つはYWを使用します。ここで、Yは年の最後の桁（0〜9）で、Wは年の初めに1から始まり、6週間ごとに増加します（つまり、Wは1〜9です）。^[2] 別の2桁の日付コードであるRKM製造日コードでは、YMを使用します。ここで、Yは20年ごとに繰り返される20文字の1つ（たとえば、「M」は1980、2000、2020などを表すために使用されました）、Mは製造月を示します（1〜9は1月から9月、Oは10月、Nは11月、Dは12月を示します）。

集積回路とパッケージのリード線とを接続するために、ワイヤボンドが使用され、細いワイヤがパッケージのリード線から接続され、半導体ダイの導電性パッドにボンディングされます。パッケージの外側では、ワイヤリード線がプリント基板にはんだ付けされるか、デバイスをタグストリップに固定するために使用されます。最新の表面実装デバイスでは、回路基板にドリルで開けられた穴のほとんどがなくなり、パッケージ上に短い金属リード線またはパッドがあり、オーブンリフローはんだ付けで固定できます。フラットパックの航空宇宙デバイスでは、スポット溶接で回路基板に固定された平らな金属リード線が使用されることがありますが、このタイプの構造は現在では一般的ではありません。

初期の半導体デバイスは、真空管のようにソケットに挿入されることが多かった。デバイスが改良されるにつれて、信頼性のためにソケットは不要であることが判明し、デバイスはプリント基板に直接はんだ付けされるようになった。パッケージは、半導体ダイやそのリードにストレスを与えることなく、はんだ付けの高温勾配に耐えられる必要がある。

ソケットは、実験、プロトタイプ、または教育用途、デバイスのテスト、製品を廃棄するよりも交換する方が経済的なマイクロプロセッサなどの高価値チップ、および製品の寿命中に交換または更新される可能性のあるファームウェアまたは固有のデータがチップに含まれている用途で今でも使用されています。何百ものリードを持つデバイスは、テスト機器やデバイス プログラマーでも使用されるゼロ挿入力ソケットに挿入できます。

多くのデバイスは、半導体デバイスを適切に保護し、リードとパッケージの取り扱いをサポートする機械的強度を提供するエポキシ樹脂で成形されます。プラスチックには、クレゾールノボラック、シロキサンポリイミド、ポリキシレン、シリコーン、ポリエポキシド、ビスベンゾシクロブテンがあります。 ^[4]高信頼性、航空宇宙、放射線環境向けの一部のデバイスでは、組み立て後にろう付けされる金属蓋、またはガラスフリットシールを備えたセラミックパッケージが使用されています。オールメタルパッケージは、熱伝導性が高く、ヒートシンクへの組み立てが容易なため、高出力（数ワット以上）デバイスでよく使用されます。多くの場合、パッケージは半導体デバイスの1つの接点を形成します。リード材料は、パッケージ材料と一致する熱膨張係数を持つものを選択する必要があります。パッケージの基板としてガラスを使用することで、熱膨張を減らして剛性を高め、反りを減らしてパッケージをPCBに取り付けやすくなります。^{[5] [6]}

初期の半導体は、懐中電灯の電球のように真空の小型ガラス容器に詰められたものもごくわずかでした。表面のパッシベーションや製造技術の向上により、このような高価なパッケージは時代遅れになりました。 ^[1]ダイオードではガラスパッケージが今でも一般的に使用されており、金属トランジスタパッケージではガラスシールが使用されています。

高密度ダイナミックメモリのパッケージ材料は、バックグラウンド放射線が低いものを選択する必要があります。パッケージ材料から放出される単一のアルファ粒子が、シングルイベントアップセットや一時的なメモリエラー (ソフトエラー)を引き起こす可能性があります。

宇宙飛行や軍事用途では、伝統的に密閉パッケージのマイクロ回路（HPM）が使用されてきた。しかし、現代の集積回路のほとんどはプラスチックカプセル化マイクロ回路（PEM）としてのみ利用可能である。適切に認定されたPEMを使用した適切な製造方法は、宇宙飛行にも使用できる。^[7]

複数の半導体ダイと個別コンポーネントをセラミック基板上に組み立て、ワイヤボンドで相互接続することができます。基板には外部回路に接続するためのリード線が付いており、全体が溶接またはフリットカバーで覆われています。このようなデバイスは、単一ダイの集積回路で得られる性能 (放熱、ノイズ、電圧定格、リーク電流、またはその他の特性) を超える要件がある場合、または同じパッケージでアナログ機能とデジタル機能を混在させる場合に使用されます。このようなパッケージは製造コストが比較的高くなりますが、集積回路のその他の利点のほとんどを提供します。

マルチチップ集積回路パッケージの最近の例としては、特定のマイクロプロセッサモデルが挙げられます。このモデルでは、同じパッケージ内にキャッシュメモリなどの個別のダイが含まれている場合があります。フリップチップと呼ばれる技術では、デジタル集積回路のダイを反転させてモジュールキャリアにはんだ付けし、大規模なシステムに組み立てます。^{[8]この技術は、} IBMのSystem/360コンピューターに適用されました。^[9]

半導体パッケージには特別な機能が含まれている場合があります。発光デバイスや光感知デバイスには、パッケージ内に透明な窓が必要です。トランジスタなどの他のデバイスは、迷光によって妨害される可能性があるため、不透明なパッケージが必要です。^[1]紫外線消去可能な プログラム可能な読み取り専用メモリデバイスには、紫外線が入り込んでメモリを消去できるようにするための石英窓が必要です。圧力感知集積回路には、ガスまたは液体の圧力源に接続できるポートがパッケージ上に必要です。

マイクロ波周波数デバイスのパッケージは、リード線の寄生インダクタンスと容量が最小限になるように配置されています。超低リーク電流の超高インピーダンスデバイスには、迷走電流が流れないパッケージが必要であり、入力端子の周囲にガードリングが付いている場合もあります。特殊な絶縁アンプデバイスには、入力と出力の間に高電圧絶縁バリアが含まれており、1 kV 以上の電圧が印加される回路に接続できます。

最初の点接触トランジスタは、ゲルマニウム結晶との接触に使用されるウィスカーを調整できる開口部を備えた金属製カートリッジスタイルのパッケージを使用していました。このようなデバイスは、より信頼性が高く、労力のかからないタイプが開発されて以来、ほんの短い期間しか普及していませんでした。^[1]

真空管と同様に、半導体パッケージの規格は、 JEDEC、Pro Electron、EIAJなどの国内または国際的な業界団体によって定義される場合もあれば、単一のメーカー独自の規格である場合もあります。

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  各種個別スルーホール部品
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  48 ピンのセラミックデュアル インライン パッケージのマイクロプロセッサ。
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  シリコンウェハー。個々のデバイス（四角で囲まれたVLSI）は、ダイシング、ワイヤボンディング、パッケージングされるまで使用できません。
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  アナログ集積回路を内蔵したプラスチックのデュアルインライン パッケージです。ソケットに取り付けることも、プリント回路基板に直接はんだ付けすることもできます。
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  低電流サイリスタと高出力デバイス、ヒートシンクに取り付けるためのネジ付きスタッドとフレキシブルリード線付き。このようなパッケージは、数百アンペア定格のデバイスに使用されます。

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