Современный этап развития корпусов для герметизации кристаллов

В 1980-х годах количество контактов СБИС превысило возможности DIP корпусов, что привело к созданию корпусов PGA (pin grid array) и LCC (leadless chip carrier). В конце 80-ых, с ростом популярности поверхностного монтажа, появляются корпуса SOIC (Small-Outline Integrated Circuit), имеющие на 30–50% меньшую площадь чем DIP и на 70% более тонкие и корпуса PLCC (Plastic leaded chip carrier). В 90-ых начинается широкое использование plastic quad flat pack (PQFP) и TSOP (thin small-outline package) для интегральных схем с большим количеством выводов. Для сложных микропроцессоров, особенно для устанавливаемых в сокеты, используются PGA-корпуса. В настоящее время, Intel и AMD перешли от корпусов PGA к LGA (land grid array, разъем с матрицей контактных площадок).

На современном этапе можно выделить 4 типа корпусов в которые осуществляется герметизация кристаллов:

-с вертикальными выводами, расположенными перпендикулярно плоскости корпуса интегральной микросхемы

DIP (Dual In-line Package, также DIL) – корпус с двумя рядами контактов тип корпуса микросхем, микросборок и некоторых других электронных компонентов. Имеет прямоугольную форму с двумя рядами выводов по длинным сторонам. Может быть выполнен из пластика (PDIP) или керамики (CDIP). Керамический корпус применяется из-за схожего с кристаллом коэффициента температурного расширения. При значительных и многочисленных перепадах температур в керамическом корпусе возникают заметно меньшие механические напряжения кристалла, что снижает риск его механического разрушения или отслоения контактных проводников. Также, многие элементы в кристалле способны менять свои электрические характеристики под воздействием напряжений и деформаций, что сказывается на характеристиках микросхемы в целом. Керамические корпуса микросхем применяются в технике, работающей в жёстких климатических условиях.

Рисунок 7 – DIP корпуса

Обычно в обозначении также указывается число выводов. Например, корпус микросхемы распространённой серии ТТЛ-логики 7400, имеющий 14 выводов, может обозначаться как DIP14.

В корпусе DIP могут выпускаться различные полупроводниковые или пассивные компоненты – микросхемы, сборки диодов, транзисторов, резисторов, малогабаритные переключатели. Компоненты могут непосредственно впаиваться в печатную плату, также могут использоваться недорогие разъёмы для снижения риска повреждения компонента при пайке. Бывают зажимные и цанговые. Последние имеют больший ресурс (на переподключение микросхемы), однако хуже фиксируют корпус.

Корпус DIP был изобретён компанией Fairchild Semiconductor в 1965 году. Его появление позволило увеличить плотность монтажа по сравнению с применявшимися ранее круглыми корпусами. Корпус хорошо подходит для автоматизированной сборки. Однако, размеры корпуса оставались относительно большими по сравнению с размерами полупроводникового кристалла. Корпуса DIP широко использовались в 1970-х и 1980-х годах. Впоследствии широкое распространение получили корпуса для поверхностного монтажа, в частности PLCC и SOIC, имевшие меньшие габариты. Выпуск некоторых компонентов в корпусах DIP продолжается в настоящее время, однако большинство компонентов, разработанных в 2000-х годах, не выпускаются в таких корпусах. Компоненты в DIP-корпусах удобнее применять при макетировании устройств без пайки на специальных платах-бредбордах.

Компоненты в корпусах DIP обычно имеют от 8 до 40 выводов, также существуют компоненты с меньшим или большим чётным количеством выводов.

Рисунок 8 – Нумерация выводов, вид сверху

Выводы нумеруются против часовой стрелки начиная с левого верхнего. Первый вывод определяется с помощью «ключа» – выемки на краю корпуса. Когда микросхема расположена маркировкой к наблюдателю и ключом вверх, первый вывод будет сверху и слева. Счёт идёт вниз по левой стороне корпуса и продолжается вверх по правой стороне.

В зависимости от материала корпуса выделяют два варианта исполнения:

• PDIP (Plastic DIP) – имеет пластиковый корпус;

• CDIP (Ceramic DIP) – имеет керамический корпус;

PGA– (Pin Grid Array) – корпус с матрицей выводов. Представляет собой квадратный или прямоугольный корпус с расположенными в нижней части штырьковыми контактами. В современных процессорах контакты расположены в шахматном порядке.

В зависимости от материала корпуса выделяют три варианта исполнения:

• PPGA (Plastic PGA) – имеет пластиковый корпус;

Рисунок 9 – Корпус PGA

• CPGA (Ceramic PGA) – имеет керамический корпус;

• OPGA (Organic PGA) – имеет корпус из органического материала;

Существуют следующие модификации корпуса PGA:

• FCPGA (Flip-Chip PGA) – в данном корпусе открытый кристалл процессора расположен на верхней части корпуса.

• FCPGA2 (Flip-Chip PGA 2) – отличается от FCPGA наличием теплораспределителя, закрывающего кристалл процессора.

• μFCPGA (Micro Flip-Chip PGA) – компактный вариант корпуса FCPGA.

• μPGA (Micro PGA) – компактный вариант корпуса FCPGA2.

Для обозначения корпусов с контактами, расположенными в шахматном порядке иногда используется аббревиатура SPGA (Staggered PGA).

Процессор в корпусе CPGA Процессор в корпусе FCPGA Процессор в корпусе FCPGA2

Рисунок 10 – Разновидности корпусов PGA

PLCC – (Plastic Leaded Chip Carrier) и СLCC представляют собой квадратный корпус с расположенными по краям контактами, предназначенный для установки в специальную панель (часто называемую «кроваткой»). В настоящее время широкое распространение получили микросхемы флэш-памяти в корпусе PLCC, используемые в качестве микросхемы BIOS на системных платах.

QFP– (Quad Flat Package) – семейство корпусов микросхем, имеющих планарные выводы, расположенные по всем четырём сторонам. Микросхемы в таких корпусах предназначены только для поверхностного монтажа; установка в разъём или монтаж в отверстия штатно не предусмотрен, хотя переходные коммутационные устройства существуют. Количество выводов QFP микросхем обычно не превышает 200, с шагом от 0,4 до 1,0 мм.

Корпус стал широко распространённым в Европе и США в девяностых годах двадцатого века. Однако, ещё в семидесятых годах QFP корпуса начали использоваться в японской бытовой электронике.

Корпус PLCC схож с QFP корпусом, но при этом имеет более длинные выводы, загнутые так, чтобы было возможно не только припаять микросхему, но и установить её в гнездовую панель, что часто используется для установки микросхем памяти.

Форма основания микросхемы – прямоугольная, а зачастую используется квадрат. Корпуса обычно различаются только числом выводов, шагом, размерами и используемыми материалами. BQFP отличается расширениями основания по углам микросхемы, предназначенными для защиты выводов от механических повреждений до запайки.

Рисунок 9 – 3D чертёж корпус QFP

Рисунок 11 – Процессор в корпусе TQFP-304

Без выводные корпуса (металлизация контактных площадок на боковых стенках корпуса)

LCC – (Ceramic Leadless Chip Carrier Packages (CLCCs) – представляет собой низкопрофильный квадратный керамический корпус с расположенными на его нижней части контактами, предназначенный для поверхностного монтажа.

А Б

А – 3D чертёж корпуса PLCC, Б – Процессор в корпусе PLCC-68

Рисунок 12 – Корпус PLCC

4.4. С шариковыми выводами на нижней плоскости корпуса

BGA– (Ball Grid Array) – представляет собой корпус PGA, в котором штырьковые контакты заменены на шарики припоя. Предназначен для поверхностного монтажа. Чаще всего используется в мобильных процессорах, чипсетах и современных графических процессорах.

Рисунок 13 – 3D чертёж корпуса BGA

Существуют следующие варианты корпуса BGA:

• FCBGA (Flip-Chip BGA) – в данном корпусе открытый кристалл процессора расположен на верхней части корпуса, изготовленного из органического материала.

Рисунок 14 – 3D чертёж корпуса FBGA

• μBGA (Micro BGA) и μFCBGA (Micro Flip-Chip BGA) – компактные варианты корпуса.

• HSBGA

Flip-chip – открытый кристалл процессора расположен на верхней части корпуса.

Рисунок 17 – Способы монтажа микросхем на печатную плату

а – в сквозное отверстие, б, г – внахлёст, в, г – встык, д – на столбики

С увеличением числа выводов и сокращением расстояния между ними операция сборки микроэлектронных устройств становится трудновыполнимой. В настоящее время широкое применение находит монтаж корпусов микросхем на поверхность печатных плат без их сверления (рис. 16).

а – типа крыла чайки, б – типа крыла альбатроса, в, г – соответсвенно скрытый и открытый j-образный.

Рисунок 18 – Формы выводов корпусов микросхем

Для этих целей наиболее пригодны конфигурации выводов, изображенные на рис. 17, выводы в форме крыла чайки и крыла альбатроса легко устанавливаются и совмещаются с разводкой на поверхности печатной платы. За счёт хорошего доступа к выводам в этом случае легко может быть осуществлен тестовый контроль качества сборки. Корпуса со скрытыми J-образными выводами занимают на поверхности платы меньше места, более пригодны для автоматического размещения и припайки к посадочному месту, но тестовый контроль качества сборки в этом случае затруднён.