Интегральные компоненты

Значительно большее разнообразие типов конструкций корпусов наблюдается у микросхем. Проведем классификацию корпусов ИМ с точки зрения технологии (от этого зависит способ их установки на ПП и выбор оборудования для пайки). Можно выделить 4 типа корпусов:

1) с вертикальными выводами, расположенными перпендикулярно плоскости корпуса ИМ (DIP, PGA);

2) с плоскими выводами, выходящими параллельно корпусу ИМ (Flat Pack – SO, PLCC, QFP, TAB);

3) безвыводные корпуса (металлизация контактных площадок на боковых стенках корпуса - LCCC);

4) с шариковыми выводами на нижней плоскости корпуса (BGA – Ball Grid Array, flip-chip).

Среди различных характеристик конструкций корпусов ИМ выделим такой показатель, как шаг вывода (рис. 5): расстояние между центрами соседних выводов микросхемы; это же понятие применимо к контактным площадкам на ПП, на которые эта микросхема должна припаиваться.

Рис. 5. Иллюстрация шага выводов компонента.

Конструкция корпусов ИМ первой группы характерна для традиционного монтажа, поскольку требует наличия на плате установочных отверстий, в которые микросхема запаивается, или так называемых «кроваток» - установочных панелей, в которые микросхема вставляется без дальнейшей пайки.

Рис. 6. Корпуса типа PGA и DIP.

Две разновидности таких корпусов – с параллельным расположением выводов на двух противоположных сторонах (DIP) и с матричными выводами на нижней плоскости корпуса (PGA – Pin Grid Array) приведены на рис. 6. Корпуса DIP

Техника монтажа на ПП: ножки просовываем в дырки на плате – и запаиваем.

Ножек в корпусе может быть 8, 14, 16, 20, 24, 28, 32, 40, 48, 56 или 64.

Расстояние между выводами (шаг) – 2,5 мм (отечественный стандарт) или 2,54 мм (у зарубежных). Ширина выводов около 0,5 мм; масса от 1 до 12 г.

Нумерация выводов – на рисунке (вид сверху). Чтобы определить нахождение первой ножки, нужно найти на корпусе «ключик».

Корпуса типа PGA применяются для микропроцессоров и других ИМ высокой степени интеграции. Эти ИМ, как правило, весьма дороги и устанавливаются чаще всего в «кроватки» (socket). Шаг между выводами у таких корпусов не менее 2,5 мм, количество выводов варьируется от 68 до 387. При большом количестве выводов такие микросхемы имеют довольно высокие массогабаритные показатели (масса до 84 г, размеры до 66х66 мм). На корпусе PGA, которые изготавливаются из керамики или пластмассы, могут также располагаться пассивные чип-компоненты для развязки электрических цепей (см. рис. 6).

Вторая группа корпусов – самая распространенная, имеет большое разнообразие подвидов. Отметим две разновидности внутри этой группы.

Первая разновидность планарные корпуса и зарубежные корпуса типов (SO, QFP, CQFP, PLCC, SOIC, BQFP).

Планарная микросхема – то есть ножки припаиваются с той же стороны платы, где находится корпус. При этом, микросхема лежит брюхом на плате.

Количество ножек и их нумерация – такие же как у DIP .

Шаг выводов – 1,25 мм (отечественный) или 1,27 мм (зарубежный).

Ширина выводов – 0,33...0,51.

Рис. планарный корпус (по зарубежной классификации тип корпуса SO).

Корпуса SO (от английского Small Outline – короткие выводы), в которых выводы расположены с двух сторон (см. рис. 7) и FP – прямоугольная или квадратная (QFP) плоская упаковка (рис. 8). Выводы в корпусах этих типов расположены с двух или четырех сторон. Количество выводов у одного корпуса – от 6 до 304. Шаг выводов – от 1,27 мм до 0,25 мм (сверхмалый шаг), габариты корпуса на плате (длина и ширина) – от 5х5 мм (32 вывода при шаге 0,5 мм) до 40х40 мм (304 вывода, шаг 0,5 мм).

Рис.7 Чертеж корпуса SO с основными размерами в мм.

Вторая разновидность (TAB, TCP).

TAB (Tape Automated Bonding, или ТСР – Tape Carrier Package) – в технологии TAB кремниевые кристаллы крепятся к полимерной ленте, на которую нанесены металлические пленочные проводники, формирующие внутренние соединения выводов кристалла. Присоединение выводов чипа к сборке следующего уровня (печатной плате либо иной подложке) достигается при помощи внешних выводов полимерной ленты (см. рис. 9).

Для соединения внешних выводов компонента TAB с подложкой обычно используются методы контактной пайки, пайки горячим газом или лазерной микросварки. Сборка очень компактна, высота ее не превышает 0,75 мм. 320-выводной корпус с шагом выводов 0,25 мм весит не более 0,5 г и имеет габариты 24х24 мм. Для сравнения: 296-выводной пластиковый QFP корпус весит 9,45 г.

Рис. 9. Габаритные размеры посадочного места на ПП для установки корпуса ТАВ на 80 выводов. Размеры в мм.

Полностью технология TAB освоена только весьма ограниченным кругом ведущих технологических фирм мира. Примером TAB сборки являются различного рода жидкокристаллические индикаторы или дисплеи на стекле.

Третий тип корпусов – PLCC (Plastic Leaded Chip Carrier) и СLCC (Ceramic Leaded Chip Carrier) представляют собой квадратный корпус с расположенными по краям контактами, предназначенный для установки в специальную панель (часто называемую «кроваткой») представляют собой безвыводные керамические или пластиковые кристаллоносители, рис.10.

LCCC PLCC PLCC в «кроватке»

Рис. 10. Корпуса ИМ типа LCCC и PLCC.

Выполняется корпус из пластика или керамики. Отсутствие выводов позволяет увеличить плотность компоновки узла по сравнению с корпусами, имеющими выводы (DIP, QFP, SO). Несколько более затруднен контроль паяных соединений этого корпуса с контактными площадками ПП, поскольку часть паяного соединения находится под корпусом микросхемы.

Квадратный (реже - прямоугольный) корпус. Ножки расположены по всем четырем сторонам, и имеют J -образную форму (концы ножек загнуты под брюшко). Микросхемы либо запаиваются непосредственно на плату (планарно), либо вставляются в панельку. Последнее – предпочтительней. Количество ножек – 20, 28, 32, 44, 52, 68, 84. Шаг ножек – 1,27 мм. Ширина выводов – 0,66...0,82. Нумерация выводов – первая ножка возле ключа, увеличение номера против часовой стрелки:

а) б)

Рис. Корпус PLCC – а) нумерация выводов; б) внешний вид.

Рис. Корпус SOJ

QFP

BQFP SOIC

Рис. 8 Внешний вид корпусов типа SOIC (Small-Outline Integrated Circuit), QFP (Quad Flat Package), CQFP (Ceramic Quad Flat Package), BQFP (Bumpered Quad Flat Pack).

Корпуса типа QFP

Корпуса типа QFP это нечто среднее между SOIC и PLCC (см. далее). Квадратный корпус толщиной около 1мм, выводы расположены по всем сторонам. Количество ножек – от 32 до 144. Шаг – 0,8 мм; Ширина вывода – 0,3...0,45 мм. Нумерация – от скошенного угла (верхний левый) против часовой стрелки.

Рис. Корпус типа QFP

Общемировое потребление микросхем в пластиковых корпусах QFP достигло почти 6 млрд. еще в 1995 г. и с тех пор ежегодно возрастает примерно на 25 %.

Наиболее важным вопросом при производстве корпусов QFP является ограничение периметра корпуса. При разработке корпусов для больших ИМ возникает противоречие: либо изготавливать корпус большего размера, что приводит к увеличению длины электрических соединений, снижению частотных характеристик и увеличению массогабаритных показателей всей сборки, либо уменьшать шаг выводов, что приводит к большим проблемам для технологов.

Четвертый тип корпусов для ИМ – компоненты BGA (Ball Grid Array – шариковые выводы с матричным расположением). К ним относится также технология CSP (Chip-Scale Packages), флип-чип (flip chip). Отличительной чертой этой категории корпусов является наличие контактов на нижней плоскости корпуса в виде шариковых выводов, расположенных в общем случае в виде прямоугольной матрицы (рис. 11).

Рис. Конструкция BGA корпуса

Рис. 11. Некоторые варианты корпусов ИМ типа BGA.

Такая конструкция корпуса позволила несколько увеличить шаг выводов, и для большинства корпусов он составляет 1,0 или 1,27 мм, что несколько упрощает разводку проводников на ПП. Количество выводов корпуса имеет широкий диапазон: от 36 до 2401, при этом габариты от 7х7 до 50х50 мм. Высота такого корпуса не превышает 3,5 мм. Кроме того, шариковые выводы на основе SnPb сплава дали удивительное послабление технологам при выполнении операций установки корпуса на плату: неточность попадания выводов на контактную площадку ПП может составлять до 50%! Все дело в том, что при оплавлении припойной пасты на контактных площадках во время пайки за счет сил поверхностного натяжения расплавленного припоя происходит самоцентрирование корпуса микросхемы и неточность практически устраняется.

Преимущества корпусов типа BGA:

- не требуется формовки выводов;

- уменьшены проблемы копланарности выводов;

- происходит самоцентрирование корпуса при пайке;

- пайка BGA является отработанным и очень устойчивым процессом при наличии технологического оборудования и материалов надлежащего класса;

- меньшие габариты по сравнению с DIP, PGA, QFP, отсюда: меньший вес, меньшая длина электрических соединений, улучшенные частотные характеристики.

Одним из наиболее заметных недостатков корпусов типа BGA является затрудненный визуальный контроль выводов BGA после операции пайки и ремонт узлов. Для контроля соединений BGA в узле используются чаще всего рентгеновское оборудование, но есть и попытки использования оптических установок.

В последние годы вся инфраструктура BGA развивалась стремительно, и сейчас известно много видов этого типоразмера, включая пластиковые, керамические, металлические, стеклокомпозитные, ленточные и другие, а также микро-BGA, более всего напоминающие собой открытые кристаллы.

Вопрос ценовой конкуренции между BGA и другими корпусами ИМ с расположением выводов по периметру корпуса зависит от конкретного применения, однако BGA будет предпочтительнее там, где количество каналов ввода/вывода ИС превышает 256. Использование корпуса BGA при количестве выводов менее чем 256, может быть оправдано только преимуществами в функциональности, размере либо в общей стоимости изделия.

Электрорадиоэлемент в корпусе типа CSP обычно определяется как компонент, размером не более чем на 20 % превышающий размер самого кристалла (рис.12). Первоочередными областями применения этих компонентов являются микросхемы памяти (особенно флэш), аналого-цифровые преобразователи, процессоры цифровой обработки сигнала, а также микросхемы специального применения (ASIC) и микропроцессоры.

Рис. 12. Структура корпуса ИМ типа CSP.

Технология флип-чип представляет собой Si-кристалл, непосредственно устанавливаемый на коммутационную подложку узла (например, ПП) лицевой стороной вниз, на которой выполнены внешние контакты в виде припойных шариков из более тугоплавкого сплава, чем SnPb. Из-за того, что выводы формируются на кремниевом кристалле микросхемы, шаг выводов является очень малым и составляет 0,152 мм, что приводит к усложнению ПП. Назовем преимущества такой технологии:

- экономия места на ПП;

- малые габариты и вес узла с такими компонентами;

- снижение стоимости материалов (у кристалла нет корпуса);

- сокращение длины электрических межсоединений, что обеспечивает лучшие электрические параметры;

- меньшее количество соединений, что сокращает количество потенциальных точек отказа и обеспечивает более эффективный отвод тепла.

Эта технология весьма популярна в последние годы, она обозначает передовые тенденции технологии монтажа на поверхность, но имеет и свои недостатки:

- дороговизна технологии формирования шариковых выводов у кристалла;

- чрезвычайно плотная разводка платы под посадочное место для флип-чипа, что приводит к повышению расходов на изготовление платы;

- больший объем работы технологов по оптимальному выбору флюсующих веществ и адгезивов в зависимости от вида флип-чипа, подложки и процесса;

- трудности контроля качества в технологии флип-чипов, а также ремонта плат с их применением.

Инфраструктура поддержки технологии флип-чип для электронной индустрии до сих пор развита не столь сильно, как для других стандартных технологий. 60 % всего мирового потребления флип-чипов приходится на микросхемы с низким числом каналов ввода/вывода, используемых в производстве электронных часов и автомобильной электроники. Ожидается рост использования флип-чипов в портативных средствах связи, что, вероятно, будет актуально и для электроники России в ближайшие несколько лет, а также в изделиях компьютерной техники высокой степени сложности.

ВЫВОДНЫЕ КОМПОНЕНТЫ

Сборочно-монтажные технологические процессы с применением традиционных выводных компонентов (рис. 13) стояли у истоков автоматизации индустрии сборки узлов РЭС. В свою очередь, зарождение технологии монтажа на поверхность и ее бурный рост в 80-е годы, который продолжился и в 90-е годы, породили у многих мнение о том, что обычные выводные компоненты доживают свой век, и эта технология уйдет в историю в скором будущем.

Однако во второй половине 90-х годов стало ясно, что технология сборки выводных компонентов выжила перед лицом монтажа на поверхность, показав себя достаточно конкурентоспособной по ряду важнейших факторов.

Компоненты

ИЭТ, используемые в технологии монтажа в отверстия, по типу корпуса можно разбить на следующие основные группы (примеры корпусов приведены на рис. 1):

а) ИЭТ с осевыми (часто встречается обозначение axial, аксиальными) выводами;

б) ИЭТ с радиальными выводами (radial);

в) SIL, SIP (Single In-Line Package) – многовыводной корпус с однорядным расположением выводов;

г) DIP (Dual In-Line Package) – корпус с двухрядным расположением выводов;

д) разъемы, слоты;

е) панели для ИС, в том числе DIP; ZIF (Zero Insertion Force, панели с нулевым усилием вставки для штырьковых ИС); PGA (Pin Grid Array, панели для штырьковых ИС с матрицей выводов);

ж) различные компоненты сложной формы.

Рис.Примеры компонентов сквозного монтажа: а) с осевыми выводами; б) с радиальными выводами; в) в корпусах SIP (Single In-Line Package); г) в корпусах DIP (Dual In-Line Package); д) разъемы; е) панели для ИС (DIP, PGA (Pin Grid Array) и т.д.); ж) ИЭТ сложной формы (нестандартные

Рис. Технология монтажа в отверстия представляет собой метод монтажа компонентов на печатную плату, при котором выводы компонентов устанавливаются в сквозные отверстия платы и припаиваются к контактным площадкам и/или металлизированной внутренней поверхности отверстия

Инфраструктура технологии монтажа в отверстия гораздо проще и потому эффективнее, чем технологии монтажа на поверхность. Это приводит к тому, что, например, в развивающихся странах сборочные процессы всегда начинают с технологии выводных компонентов, что выгодно и по экономическим причинам, поскольку электронными изделиями первой необходимости в таких странах являются, например, стационарные телефоны, телевизоры или холодильники, производимые, как правило, с подавляющим применением выводных компонентов. По мере того как идет экономическое развитие страны, возникает необходимость в наращивании производственной базы потребительской электроники, что также развивает технологию выводных компонентов.

В современных условиях применение выводных компонентов может быть оправдано по экономическим соображениям (низкая стоимость сборки и низкая стоимость плат) либо при отсутствии или дороговизне соответствующих компонентов в поверхностно монтируемом виде. Это силовые устройства (регуляторы напряжения, транзисторы, диоды, резисторы), а также ряд электролитических конденсаторов, потенциометров, индуктивностей, реле и оптоэлектронных устройств.

Для отечественных микросхем межвыводной шаг (см. рис.) для различных типов корпусов составляет 0,625; 1,0; 1,25; 1,7 и 2,5 мм. Для микросхем зарубежного производства межвыводной зазор кратен дюймовой сетке и составляет 0,8; 1,27мм. Следует отметить, что указанные расстояния между внешними выводами характерны не только для ИМС, но и для корпусированных транзисторов, диодов, транзисторных и диодных сборок и иных типов ИЭТ (см рис.).

а)

б)

Рис. Примеры корпусированных диодов (а) и транзисторов (б) с штыревыми выводами (ламелями).