Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

"Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова"

Кафедра электроники и микроэлектроники

Отчет по производственной практике

Магнитогорск 2016

Содержание

• Введение
• Бескорпусные микросхемы и микросборки
• Корпусные микросхемы
• Тип корпуса
• История различных видов корпусов
• Список литературы

Введение

Корпус интегральной микросхемы (ИМС) - это герметичная несущая система и часть конструкции, предназначенная для защиты кристалла интегральной схемы от внешних воздействий и для электрического соединения с внешними цепями посредством выводов. Для упрощения технологии автоматизированной сборки (монтажа) РЭА, включающей в себя ИМС, типоразмеры корпусов ИМС стандартизованы.

Рисунок 1 - Ранняя советская микросхема К1ЖГ453

В советских (российских) корпусах ИМС расстояние между выводами (шаг) измеряется в миллиметрах; для корпусов типа 1 и 2 2-2,5 мм, для корпуса типа 3 под углом 30 или 45° и для типа 4 - 1,25 мм.

Зарубежные производители ИМС измеряют шаг в долях дюйма, милах (1/1000 дюйма) или используют величину 1/10 или 1/20 дюйма, что в переводе в метрическую систему соответствует 2,54 и 1,27 мм.

В современных импортных корпусах ИМС, предназначенных для поверхностного монтажа, применяют и метрические размеры: 0,8 мм; 0,65 мм и другие.

Выводы корпусов ИМС могут быть круглыми, диаметром 0,3-0,5 мм или прямоугольными, в пределах описанной окружности 0,4-0,6 мм.

ИМС выпускаются в двух конструктивных вариантах - корпусном и бес корпусном.

При монтаже ИМС на поверхность печатной платы необходимо принять все меры по недопущению деформации корпуса. С одной стороны, должна обеспечиться механическая прочность монтажа. Гарантирующая устойчивость к механическим нагрузкам, с другой - определённая "гибкость" крепления. Что бы возможная в процессе нормальной эксплуатации деформация печатной платы не превысила допустимые пределы механической нагрузки на корпус ИМС, результатом чего может стать негативные последствия от растрескивания корпуса ИМС с последующей потерей герметичности до отрыва подложки от корпуса.

Кроме того, схема размещения корпусов ИМС на печатной плате, зависящая от конструкции платы и компоновки на ней элементов, должна обеспечить:

· эффективный отвод тепла за счёт конвекции воздуха или с помощью теплоотводов,

· возможность покрытия влагозащитным лаком, без попадания его на места, не подлежащие покрытию

· свободный доступ к любой ИМС для её монтажа/демонтажа.

интегральная микросхема корпус монтаж

Бескорпусные микросхемы и микросборки

Бескорпусная микросхема - это полупроводниковый кристалл, предназначенный для монтажа в гибридную микросхему или микросборку (возможен непосредственный монтаж на печатную плату). Обычно, после монтажа, микросхему покрывают защитным лаком или компаундом, с целью предотвратить или снизить влияние на кристалл негативных факторов окружающей среды.

Многокристальные модули, бескорпусные и гибридные микросхемы

В аэрокосмической и военной технике всегда явно проявлялась тенденция к уменьшению габаритов электронной аппаратуры за счет усложнения ее конструкции. Для этого используются многокристальные модули (МКМ) и гибридные микросхемы (ГИМС). Нет резкой границы между МКМ и ГИМС. Для их изготовления используются бескорпусные микросхемы, которые сами по себе не являются законченными продуктами. Конструкция МКМ и ГИМС включает достаточно большой металлостеклянный корпус типа 1 или типа 4, кварцевую, керамическую или полимерную плату с проводниками, дискретные компоненты (конденсаторы, индукторы), полупроводниковые кристаллы бескорпусных микросхем и соединения навесных компонентов с платой. В МКМ обычно применяются только полупроводниковые кристаллы в качестве навесных компонентов. В ГИМС используется разнообразный набор навесных компонентов и пленочных элементов. МКМ применяются для создания малогабаритной цифровой и аналоговой аппаратуры специального назначения. ГИМС - это часть сверхвысокочастотной (СВЧ) аппаратуры. Например, радиолокаторов или систем космической связи. В СВЧ радиотехнике используются волноводы, резонаторы, аттенюаторы, которые наиболее эффективно реализуются в виде пленочных элементов на диэлектрических платах. Корпуса микросхем в СВЧ устройствах вносят искажения в сигналы. Поэтому, ГИМС - это наиболее эффективная конструкция для блоков СВЧ устройств.

Для МКМ обычно используются многослойные металлокерамические платы, которые делаются по той же технологии, что и металлокерамические корпуса. Кристаллы микросхем монтируются на плату с использованием клея или припоя. Соединение бескорпусных микросхем с платой выполняется роботизированной автоматической сваркой с использованием проволоки или металлизированного полиимидного носителя. Часто используется перевернутый монтаж кристаллов на плату. Для этого на контактных площадках полупроводниковых кристаллов должен быть нанесен металл для пайки (никель или золото), а на платах в местах контактов - шарики припоя. Робот-манипулятор точно фиксирует перевернутый кристалл так, чтобы шарики припоя совпали с контактными площадками. Затем следует кратковременный нагрев кристалла инфракрасным излучением. Шарики припоя служат одновременно электрическими соединениями и элементами несущей конструкции. Перевернутый монтаж не обеспечивает хороший теплоотвод от кристалла, оборудование для монтажа очень дорого. Прогрессивная технология МКМ использует многослойные полимерные соединители. В этой технологии керамическая плата используется только для крепления кристаллов и теплоотвода. Вся система соединений реализуется в многослойном соединителе на основе фольгированной полиимидной пленки. Технология полимерных соединителей значительно дешевле технологии металлокерамических плат.

Для ГИМС используются полированные с двух сторон кварцевые или керамические пластины. С обратной стороны пластины наносится сплошной металлический слой - заземление. На рабочей стороне пластины методами напыления через маски формируются волноводы, конденсаторы, резисторы, цепи питания и экранирующие заземленные области. Затем на плату монтируются навесные элементы: полупроводниковые кристаллы, диэлектрические резонаторы, ферриты или другие СВЧ компоненты. Соединения навесных компонентов с платой выполняются теми же приемами, что и в МКМ (сварка проволокой, полимерный соединитель, перевернутый монтаж на шарики припоя).

В ряде случаев технология многокристальных модулей использовалась для создания микросхем производственно-технического назначения. Первые процессоры в серии "Пентиум" собирались из нескольких кристаллов и имели кэш-память на отдельных кристаллах. В это же время появились и "Целероны", как кристаллы без внешней кэш-памяти. Сейчас технологическое направление МКМ развивается под лозунгом "система в корпусе" и рассматривается как промежуточный переходный этап к "системе на кристалле". Современное автоматическое оборудование позволяет снизить стоимость МКМ до уровня систем на печатных платах при значительных объемах выпуска ИЭТ. Технические характеристики МКМ (габариты, вес, материалоёмкость, надежность) значительно лучше, чем у аппаратуры на печатных платах.

Для герметизации МС используют различные полимеры с добавками, влияющими на пластичность, текучесть, цвет, скорость отвердения пластмасс. Текучесть характеризуется временем, в течение которого герметизирующий состав находится в вязком состоянии при заданной температуре окружающей среды. Скоростью отвердения называют скорость перехода пластмасс в состояние полной полимеризации.

В зависимости от поведения при нагревании пластмассы делят на термопласты и реактопласты.

Термопласты сохраняют свои свойства при многократном нагреве.

Реактопласты под воздействием повышенной температуры переходят в необратимое состояние.

В качестве герметизирующих материалов используют компаунды (механические смеси из электроизоляционных материалов, не содержащие растворителей) и пресс-порошки на основе эпоксидных, кремнийорганических, полиэфирных смол.

Эпоксидные смолы характеризуются плотностью г= 2,5.3 г/см³, термостойкостью Т = 150.230°С, коэффициентом диэлектрической проницаемости е = 4…5 и тангенсом угла диэлектрических потерь tg д = 0,01.

Кремнийорганические смолы характеризуются плотностью г = 1.5 г/см термостойкостью Т = - 60. +300°С, коэффициентом диэлектрической проницаемости е = 2,8.3,6 и тангенсом угла диэлектрических потерь tg д = 0,003-0,005.

Полиэфирные смолы характеризуются плотностью г = 0,7.0,8 г/см³, термостойкостью Т = 150°С, коэффициентом диэлектрической проницаемости е = 2,8.5,2 и тангенсом угла диэлектрических потерьtgд = 0,005.

Герметизация методом обволакивания. При герметизации обволакиванием вокруг МС создается тонкая пленка полимерного материала. Для обеспечения механической прочности и герметичности полупроводниковых приборов и МС наносят несколько слоев герметизирующего состава с предварительным подсушиванием каждого слоя.

Метод герметизации обволакиванием характеризуется устойчивостью защищаемых приборов к воздействию влажной атмосферы, простотой процесса, малым расходом герметизирующего материала, возможностью применения групповых методов обработки.

Технологический процесс обволакивания состоит из следующих основных операций:

· закрепление арматуры (выводов) и полупроводниковой структуры в приспособлении;

· силанирование (нанесение гидрофобного защитного покрытия на основе кремнийорганических полимеров);

· нанесение защитного закрепляющего состава;

· нанесение и полимеризация герметизирующего состава;

· контроль качества герметизирующего покрытия.

Способ нанесения герметизирующего состава зависит от габаритных размеров защищаемого изделия.

Рисунок 2 - Герметизация полупроводниковых структур методом обволакивания:

1 - полупроводниковая структура; 2 - вывод; 3 - силановая пленка; 4 - защитный закрепляющий слой компаунда; 5 - герметизирующий слой компаунда

На дискретные полупроводниковые приборы герметизирующий состав наносят в виде капли. Полупроводниковые ИС, гибридно-пленочные схемы и микросборки герметизируют окунанием или нанесением компаундов распылением.

К недостаткам метода обволакивания МС относятся трудность нанесения равномерного по толщине покрытия, длительность процесса сушки на воздухе, необходимость последующего отвердения при повышенной температуре, сложность механизации процесса.

Герметизация микросхем методом свободной заливки. Сущность метода герметизации МС методом свободной заливки состоит в заполнении жидким герметизирующим компаундом специальных форм или заранее изготовленных из пластмассы или металла корпусов, в которых размещают МС с выводами. Свободная заливка компаунда без давления уменьшает вероятность обрыва проволочных перемычек МС.

Применяют два метода свободной заливки: во вспомогательные разъемные формы и предварительно изготовленные корпуса.

Герметизацию микросхем заливкой во вспомогательные разъемные формы относят к бескорпусной, так как такая герметизация не требует специально изготовленных деталей корпусов. Однако она обеспечивает производство МС со строго фиксированными габаритными размерами, размерами выводов, шага между выводами и т.д. Поэтому в литературе принято называть такой метод заливки МС герметизацией в пластмассовые корпуса, которые иногда называют полимерными или металлополимерными.

В зависимости от конструкции прибора или МС применяют два способа заливки во вспомогательные формы - с предварительным подогревом и без подогрева разъемных форм.

При герметизации по первому способу многоместные разъемные формы, изготовленные из материалов с плохой адгезией по отношению к пластмассе, заполняют жидким компаундом с помощью дозатора. Собранные на ленте полупроводниковые структуры погружают в заполненные компаундом полости формы, после чего проводят полимеризацию компаунда (рис.3, б). После полимеризации приборы извлекают из формы и с помощью специальных штампов отделяют друг от друга (рис.3, в и г).

При герметизации по второму способу собранные на ленте полупроводниковые структуры помещают в рабочие гнезда нижней матрицы многоместной заливочной формы и плотно прижимают верхней матрицей. В верхней части формы предусмотрены специальные отверстия, а между гнездами внутри формы - система каналов для подачи герметизирующего компаунда. Нагретую форму заполняют компаундом. Нагрев формы необходим для повышения текучести компаунда. После предварительного отвердения компаунда заливочные формы охлаждают и извлекают ленты с загерметизированными приборами. Приборы на металлических лентах проходят термообработку до полной полимеризации. После полимеризации снимают облой и ленту разделяют на отдельные фрагменты, удаляя вторую технологическую перемычку.

Полученные изделия представляют собой готовые загерметизированные приборы.

Рисунок 3 - Герметизация микросхем методом свободной заливки в формы без подогрева:

а - монтаж полупроводниковой структуры на перфорированную ленту; б - герметизация групповым методом; в - удаление второй технологической перемычки; г - общий вид загерметизированного прибора;

1 - перфорированная лента с кристаллами; 2 - первая технологическая перемычка; 3 - полупроводниковая структура; 4 - полости формы, заполненные компаундом; 5 - вторая технологическая перемычка

При герметизации заливкой в предварительно изготовленные корпуса полупроводниковые структуры сначала закрепляют на перфорированную ленту, состоящую из объединенных между собой фрагментов плоских выводов. Контакт между плоскими выводами перфорированной ленты и контактными площадками полупроводниковой структуры создают проволочными перемычками (рис.3 а).

Герметизация МС заливкой в предварительно изготовленные корпуса отличается простотой, так как в этом случае не требуется изготовление дорогостоящих заливочных форм. Корпуса представляют собой пластмассовую оболочку, изготовленную горячим прессованием, или металлическую капсулу, изготовленную штамповкой. Они имеют разнообразную геометрическую форму и типоразмеры.

Заливку в корпуса-оболочки осуществляют в основном теми же герметизирующими составами, что и заливку в формы. После полимеризации герметизирующего компаунда эти корпуса остаются частью МС (рис.4). Герметизацию полупроводниковых структур методом свободной заливки применяют в мелкосерийном производстве изделий со сложной арматурой.

Рисунок 4 - Герметизация микросхем методом заливки в корпуса:

1 - плата с навесными компонентами; 2 - выводы; 3 - корпус; 4 - заливочный компаунд

Герметизация прессованием. Герметизация МС методом прессования пластмасс основана на особенности некоторых полимерных материалов плавиться и течь под действием температуры и давления, заполняя полость металлической формы с изделиями. В этом случае используют полимеры в виде пресс-порошков и таблеток, которые не изменяют своих свойств в течение длительного времени, что исключает операцию приготовления герметизирующих компаундов. В качестве герметизирующих материалов применяют термореактивные полимеры, прессующиеся при низких давлениях, что позволяет герметизировать МС с гибким проволочным монтажом.

В микроэлектронике используют в основном два способа герметизации МС прессованием: компрессионное и литьевое (трансферное).

При компрессионном прессовании собранную с арматурой полупроводниковую структуру и порошкообразный или таблетированный материал загружают непосредственно в пресс-форму (рис. 5). Под действием тепла и давления герметизирующий материал переходит в пластичное состояние и заполняет формующую полость. После окончания выдержки опрессованные изделия извлекают из пресс-формы (рис. 5, в).

Рисунок 5 - Герметизация микросхем методом компрессионного прессования:

а - арматура с полупроводниковой структурой; б - загрузка арматуры с полупроводниковой структурой и пресс-порошка; в - загерметизированный прибор;

1 - выводы; 2 - полупроводниковая структура; 3 - пресс-форма; 4 - пресс-порошок

При литьевом (трансферном) прессовании загрузочная камера пресс-формы отделена от формующей полости. Кассету или перфорированную ленту с несколькими смонтированными полупроводниковыми структурами помещают в формующие полости пресс-формы. Пресс-форму нагревают до температуры плавления пластмассы нагревателями, вмонтированными непосредственно в пресс-форму. Расплавившаяся пластмасса под давлением опускающегося пуансона (трансфера) заполняет формующие полости пресс-формы. После частичной полимеризации кассету или перфорированную ленту с полупроводниковыми структурами извлекают из пресс-формы и окончательно полимеризуют. Загерметизированные полупроводниковые структуры извлекают из кассеты и отделяют друг от друга.

К недостаткам метода свободной заливки в формы относятся сравнительно невысокая производительность и необходимость проводить приготовление заливочных смесей в небольших количествах, так как со временем очень быстро изменяется их вязкость.

Шовноклеевая герметизация. При шовноклеевой герметизации используют пластмассовые корпуса с армированными выводами (рис.7.43). Клеющий состав наносят по периметру основания корпуса после установки на него кристалла МС. На основание корпуса устанавливают пластмассовую крышку. Сборку фиксируют в приспособлении и сушат на воздухе или в термошкафу. Достоинствами шовноклеевой герметизации являются высокая технологичность процесса и низкая стоимость изделий.

Рисунок 6 - . Шовноклеевая герметизация микросхем:

1 - крышка; 2 - подложка с микросхемой; 3 - место склеивания;

4 - основание корпуса; 5 - армированный вывод

Корпусные микросхемы

Большая часть выпускаемых микросхем предназначена для отправки конечному потребителю, и это вынуждает производителя предпринимать меры по сохранности кристалла и самой микросхемы. Для уменьшения действия окружающей среды на время доставки и хранения у конечного покупателя, полупроводниковые кристаллы разным способом упаковывают.

Большинство полупроводниковых приборов и ИС, используемых в бытовой и электронно-вычислительной аппаратуре, выполняют в пластмассовых корпусах. По сравнению с другими методами процесс герметизации пластмассами характеризуется высокой производительностью, относительно низкой стоимостью и простотой.

Полимерные материалы не обеспечивают полной защиты МС от влаги. Это связано с тем, что влагопроницаемость пластмасс во много раз выше, чем влагопроницаемость металлов; температурные коэффициенты линейного расширения пластмасс и металлических выводов МС отличаются примерно на порядок, поэтому трудно создать герметичное соединение между пластмассой и металлом.

Надежным методом герметизации полупроводниковых приборов, МС и гибридно-пленочных микросборок является вакуум-плотная корпусная герметизация.

Корпуса МС являются композитными конструкциями, которые характеризуются тем, что механические напряжения в них возникают даже при равномерном изменении температуры и концентрируются в местах сопряжения материалов с различными термомеханическими свойствами.

Корпуса МС и микросборок должны защищать их от воздействия окружающей среды и механических повреждений; обеспечивать удобство монтажа кристаллов и подложек и герметизацию корпуса без изменения параметров кристалла и навесных компонентов; выдерживать механические воздействия и термоциклирование; отводить тепло в процессе сборки и эксплуатации изделий; обеспечивать надежность сборки и эксплуатации прибора; защищать кристалл и навесные компоненты от загрязнений пылью, газообразными химическими загрязнениями, солями и парами воды; быть дешевыми и технологичными в изготовлении; при монтаже на ПП обеспечивать удобство и надежность монтажа и коррозионную стойкость; обеспечивать контроль МС до и после монтажа; обладать коррозионной стойкостью, высокой надежностью, технологичностью и низкой себестоимостью.

В зависимости от используемых материалов вакуум-плотные корпуса микросхем и микросборок подразделяют на стеклянные, металлостеклянные, металлокерамические, керамические, пластмассовые и металлопластмассовые.

Для изготовления оснований, крышек и выводов МС и микросборок применяют различные металлы и сплавы.

Для повышения коррозионной стойкости, образования технологических пленок для последующей герметизации, получения высокой чистоты поверхностей и улучшения внешнего вида корпусов применяют различные покрытия, которые наносят гальваническим или химическим способом. Твердость защитных и технологических покрытий влияет на жесткость режимов при герметизации корпусов электроконтактными видами сварки. Основные виды покрытий, применяющихся для корпусов МС.

Металлические детали корпусов изготавливают чаще всего холодной штамповкой; фланцы и крышки корпусов - вытяжкой, вырубкой и объемной штамповкой; перфоленты и рамки - на вырубных штампах; штырьковые выводы корпусов получают резкой проволоки на отрезки определенной длины на автоматах различных конструкций.

В металлостеклянных корпусах МС со штырьковыми или пленарными выводами в качестве электроизоляционного материала используют стекло. Для изготовления стеклянных деталей и элементов, содержащих спаи стекла с металлом, используют стеклянные трубки (капилляры), стеклопорошки и стеклотаблетки. Стеклянные трубки (капилляры) нарезают на бусы алмазным диском с наружной режущей кромкой. Перед резкой стеклокапилляр наклеивают на стеклянную подложку, которую затем закрепляют на столе станка. Общий вид круглого металлостеклянного корпуса представлен на рис. 7.

Рисунок 7 - Полупроводниковый кристалл в металлостеклянном корпусе со штырьковыми выводами:

1 - основание; 2 - крышка; 3 - полупроводниковый кристалл; 4-выводы

Керамические безвыводные корпуса (микрокорпуса) состоят из трех слоев: один с проводниками, другой с контактными площадками, третий - защитный нижний слой.

К достоинствам безвыводных микрокорпусов следует отнести высокую герметичность, высокую плотность размещения их на печатных платах, совместимость с керамическими подложками гибридных микросборок.

Кроме безвыводных микрокорпусов промышленность выпускает микрокорпуса с матрицами выводов. На рис. 8, а приведен пример микрокорпуса безвыводного и с матрицей выводов (рис. 8, б).

Металлокерамические корпуса МС являются наиболее трудоемкими и дорогими. В качестве изоляционного материала в них применяют алюмооксидную или корундовую керамику с высоким содержанием оксида алюминия.

Она обладает хорошей вакуумной плотностью (в 10⁷раз плотнее меди); высокой непроницаемостью как для гелия, так и для водорода; высокой прочностью, термо- и радиационной стойкостью; надежностью при эксплуатации в тропических условиях; высоким электрическим сопротивлением; относительно хорошей теплопроводностью; низкими диэлектрическими потерями при недорогом исходном материале; хрупкостью и твердостью, что позволяет обрабатывать ее только алмазным инструментом и шлифованием.

Рисунок 8 - Керамический безвыводной микрокорпус (а) и микрокорпуса с матрицей выводов (б)

Коэффициент температурного расширения алюмооксидной керамики в два раза выше, чем у кремния, поэтому при монтаже кристаллов с размерами более 3x3 мм на основание корпуса эвтектикой "золото-кремний" возникают проблемы, связанные с несогласованностью коэффициентов температурного расширения кремния и керамики.

Металлокерамические корпуса изготавливают из трех слоев керамической ленты. При этом верхняя и средняя ленты имеют форму рамки. На верхнюю поверхность средней ленты с помощью трафарета молибденовой пастой наносят рисунок, который связывает контактные площадки корпуса с выводной рамкой. На нижней ленте выполняют рисунок посадочной площадки и ее соединение с земляным контактом выводной рамки.

На верхнюю поверхность средней ленты с помощью трафарета молибденовой пастой наносят рисунок, который связывает контактные площадки корпуса с выводной рамкой. На нижней ленте выполняют рисунок посадочной площадки и ее соединение с земляным контактом выводной рамки. На верхнюю ленту, внутренние размеры которой на 1 мм больше средней рамки, наносят рисунок кольца для крышки.

Молибденовую пасту вжигают при температуре 1350°С в течение 40 мин в водороде. Затем к корпусу твердым припоем ПСр-72 в сухом воздухе припаивают выводную рамку из никеля и рамку для герметизации. Плоский металлокерамический корпус с планарными выводами представлен на рис.9.

Рисунок 9 - Плоский металлокерамический корпус с пленар¬ными выводами:

1 - крышка корпуса; 2 - теплоотвод; 3 - основание корпуса;

4 - выводная рамка; 5 - технологический вывод

Пластмассовые микрокорпуса изготавливают из полимеризующейся при термообработке пластмассы. Выводы под пластмассовым основанием микрокорпуса имеют изгиб, благодаря чему монтаж можно осуществлять непосредственно на поверхности печатной платы (рис.10). По сравнению с керамическими пластмассовые микрокорпуса более устойчивы к термоударам и дешевле.

Рисунок 10 - Пластмассовый микрокорпус

Герметизация корпусов клеем. Приклеивание крышки к основанию корпуса применяют при герметизации приборов в корпусах больших габаритов, к которым предъявляются невысокие требования по герметичности, или для наклеивания оптических окон (стекло, германий и т.д.) на металлическую рамку, используемую в качестве крышки корпуса. Для приклеивания крышек корпусов применяют различные клеевые составы с высокой вязкостью в жидком состоянии; а для приклеивания оптических окон - порошковые клеевые составы, состоящие из смеси эпоксидного мономера, ангидридного отвердителя, пластифицирующего модификатора и мелкодисперсного неорганического наполнителя. На площадь склеивания до 0,5 мм клей наносят напрессовкой, а на большую поверхность клей продавливают через проволочный трафарет. Затем клей оплавляют при температуре 140.150°С с образованием формополимера. Крышки помещают в специальные кассеты клеем вверх, сверху укладывают основания корпусов и помещают в термошкаф. Процесс склеивания состоит из процесса желирования (при температуре 155.160°С в течение 10.20 ч) и процесса отвердения (при температуре 155.160°Св течение 24 ч).

Герметизация корпусов пайкой. Пайку применяют для герметизации приборов с большими габаритными размерами в плоских корпусах. Процесс герметизации пайкой состоит в соединении металлических или металлизированных деталей корпусов с помощью припоя, который, расплавляясь, заполняет капиллярный зазор между ними.

Для герметизации корпусов пайкой используют мягкие припои на основе олова и свинца типа ПОС-61 (температура пайки около 240°С) и свинцово-серебряный припой ПСр-2,5 (температура пайки около 340°С). Низкотемпературную пайку ведут в печах при нагреве конвекцией и струей горячего газа.

BGA (англ. Ball grid array - массив шариков) - тип корпуса поверхностно-монтируемых интегральных микросхем.

Рисунок 11 - "BGA" тип корпуса микросхем

BGA произошёл от PGA. BGA выводы представляют собой шарики из припоя, нанесённые на контактные площадки с обратной стороны микросхемы. Микросхему располагают на печатной плате, согласно маркировке первого контакта на микросхеме и на плате. Затем микросхему нагревают с помощью паяльной станции или инфракрасного источника, так что шарики начинают плавиться. Поверхностное натяжение заставляет расплавленный припой зафиксировать микросхему ровно над тем местом, где она должна находиться на плате и не позволяет шарикам деформироваться.

Разновидности:

· FBGA: LFBGA, TFBGA, VFBGA, WFBGA, UFBGA

· FLGA: TFLGA, VFLGA, WFLGA

· PBGA: PBGA, PBGA-H, PBGA-MD

· Extremely Thin

· Array Packages

Преимущества

Высокая плотность.

BGA - это решение проблемы производства миниатюрного корпуса ИС с большим количеством выводов. Массивы выводов при использовании поверхностного монтажа "две линии по бокам" (SOIC) производятся всё с меньшим и меньшим расстоянием и шириной выводов для уменьшения места, занимаемого выводами, но это вызывает определённые сложности при монтаже данных компонентов. Выводы располагаются слишком близко, и растёт процент брака по причине спаивания припоем соседних контактов. BGA не имеет такой проблемы - припой наносится на заводе в нужном количестве и месте.

Теплопроводность

Следующим преимуществом перед микросхемами с ножками является лучший тепловой контакт между микросхемой и платой, что в некоторых случаях избавляет от установки теплоотводов, поскольку тепло уходит от кристалла на плату более эффективно (также, в некоторых случаях, по центру корпуса создаётся одна большая контактная площадка-радиатор, которая припаивается к дорожке-теплоотводу).

Если BGA-микросхемы рассеивают достаточно большие мощности и теплоотвод по всем шариковым выводам недостаточен, то к корпусу микросхемы прикрепляется (иногда приклеивается) радиатор. В качестве примера можно привести видеоплаты для ПК, микросхемы "северных мостов" на материнских платах ПК и т.д.

Малые наводки

Чем меньше длина выводов, тем меньше наводки и излучение. У BGA длина проводника очень мала и может определяться лишь расстоянием между платой и микросхемой, так что применение BGA позволяет увеличить диапазон рабочих частот и, для цифровых приборов (см. Цифровая обработка сигналов), увеличить скорость обработки информации.

Негибкие выводы

Основным недостатком BGA является то, что выводы не являются гибкими. Например, при тепловом расширении или вибрации некоторые выводы могут сломаться. Поэтому BGA не популярен в военной технике или авиастроении.

Отчасти эту проблему решает залитие микросхемы специальным полимерным веществом - компаундом. Он скрепляет всю поверхность микросхемы с платой. Одновременно компаунд препятствует проникновению влаги под корпус BGA-микросхемы, что особенно актуально для некоторой бытовой электроники (например, сотовых телефонов). Также осуществляется и частичное залитие корпуса, по углам микросхемы, для усиления механической прочности.

Дорогое обслуживание

Другим недостатком является то, что после того как микросхема припаяна, очень тяжело определить дефекты пайки. Обычно применяют рентгеновские снимки или специальные микроскопы, которые были разработаны для решения данной проблемы, но они дороги. Относительно недорогим методом локализации неисправностей, возникающих при монтаже, является периферийное сканирование. Если решено, что BGA неудачно припаяна, она может быть демонтирована термовоздушным феном или с помощью инфракрасной паяльной станции; может быть заменена новой. В некоторых случаях из-за дороговизны микросхемы шарики восстанавливают с помощью паяльных паст и трафаретов; этот процесс называют ребомллинг, от англ. reballing.

Тип корпуса

^DIP (Dual In-line Package) - тип корпуса микросхем, микросборок и некоторых других электронных компонентов для монтажа в отверстия печатной платы, является самым распространенным типом корпусов. Имеет прямоугольную форму с двумя рядами выводов по длинным сторонам. Может быть выполнен из пластика или керамики. В обозначении корпуса указывается число выводов. В корпусе DIP могут выпускаться различные полупроводниковые или пассивные компоненты - микросхемы, сборки диодов, ТТЛ-логика, генераторы, усилители, ОУ и прочие… Компоненты в корпусах DIP обычно имеют от 4 до 40 выводов, возможно есть и больше. Большинство компонентов имеет шаг выводов 2.54 миллиметра и расстояние между рядами 7.62 или 15.24 миллиметра.

Рисунок 12 - "DIP" тип корпуса микросхем

Одной из разновидностью корпуса DIP является корпус QDIP на таком корпусе 12 выводов и обычно имеются лепестки для крепления микросхемы на радиатор, вспомните микросхему К174УН7.

Рисунок 13 "DIP" тип корпуса микросхем

Разновидностью DIP является PDIP - (Plastic Dual In-line Package) - корпус имеет форму прямоугольника, снабжен выводами, предназначенными преимущественно для монтажа в отверстия. Существуют две разновидности корпуса: узкая, с расстоянием между выводами 7.62 мм и широкая, с расстоянием между выводами 15.24 мм. Различий между DIP и PDIP в плане корпуса нет, PDIP обычно изготавливается из пластика, CDIP - из керамики. Если у микросхемы много выводов, например 28 и более, то корпус может быть широким.

Рисунок 14 - "PDIP" тип корпуса микросхем

SIP (Single In-line Package) - плоский корпус для вертикального монтажа в отверстия печатной платы, с одним рядом выводов по длинной стороне. Обычно в обозначении также указывается число выводов. Нумерация выводов данных типов микросхем начинается слева, если смотреть на маркировку спереди.

Рисунок 15 "SIP" тип корпуса микросхем.

^{ТО92 - распространённый тип корпуса для маломощных транзисторов и других полупроводниковых приборов с двумя или тремя выводами, в том числе и микросхем, например интегральных стабилизаторов напряжения. В СССР данный тип корпуса носил обозначение КТ-26.}

Рисунок 16 - "ТО92" тип корпуса микросхем.

TO220 - тип корпуса для транзисторов, выпрямителей, интегральных стабилизаторов напряжения и других полупроводниковых приборов малой и средней мощности. Нумерация выводов для разных элементов может отличаться, у транзисторов одно обозначение, у стабилизаторов напряжения другое…

Рисунок 17 "TO220" тип корпуса микросхем.

PENTAWATT - Содержит 5-7 выводов, в таких корпусах выпускаются, например усилители НЧ (TDA2030, 2050…), или стабилизаторы напряжения.

Рисунок 18 - "PENTAWATT" тип корпуса микросхем.

DPAK - (TO-252, КТ-89) корпус для размещения полупроводниковых устройств. D2PAK аналогичен корпусу DPAK, но больше по размеру; в основном эквивалент TO220 для SMD-монтажа, бывают трёх, пяти, шести, семи или восьмивыводные.

Рисунок 19 - "DPAK" тип корпуса микросхем.

^{SO (Small Outline) пластиковый корпус малого размера. Корпус имеет форму прямоугольника, снабжен выводами, предназначенными для монтажа на поверхность. Существуют две разновидности корпуса: узкая, с шириной корпуса 3.9 мм (0.15 дюйма) и широкая, с шириной корпуса 7.5 мм (0.3 дюйма).}

Рисунок 20 - "SO" тип корпуса микросхем.

SOIC (Small-Outline Integrated Circuit) - предназначен для поверхностного монтажа, по сути это то же, что и SO. Имеет форму прямоугольника с двумя рядами выводов по длинным сторонам. Как правило, нумерация выводов одинаковых микросхем в корпусах DIP и SOIC совпадает. Помимо сокращения SOIC для обозначения корпусов этого типа могут использоваться буквы SO, а также SOP (Small-Outline Package) и число выводов. Такие корпуса могут иметь различную ширину. Обычно обозначаются как SOxx-150, SOxx-208 и SOxx-300 или пишут SOIC-xx и указывают какому чертежу он соответствует. Данный тип корпусов схож с QSOP.

Рисунок 21 - "SOIC" тип корпуса микросхем.

Также существует версия корпуса с загнутыми под корпус (в виде буквы J) выводами. Такой тип корпуса обозначается как SOJ (Small-Outline J-leaded).

Рисунок 22 - "SOJ" тип корпуса микросхем.

QFP (Quad Flat Package) - семейство корпусов микросхем, имеющих планарные выводы, расположенные по всем четырём сторонам. 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 23 - "QFP" тип корпуса микросхем.

В это семейство входят корпуса TQFP (Thin QFP), QFP, LQFP (Low-profile QFP). Микросхемы в таких корпусах предназначены только для поверхностного монтажа; установка в разъём или монтаж в отверстия штатно не предусмотрена, хотя переходные коммутационные устройства существуют. Количество выводов QFP микросхем обычно не превышает 200, с шагом от 0,4 до 1,0 мм. Габаритные размеры корпусов и расстояние между выводами можно посмотреть в паспорте.

Рисунок 24 - "LQFP и TQFP" тип корпуса микросхем.

^{QFN (Quad-flat no-leads) - у таких корпусов, так же как и у корпусов SOJ, вывода загнуты под корпус. Габаритные размеры и расстояние между выводами корпусов QFN можно посмотреть в паспорте. Данный корпус схож с типом корпусов MLF, у них вывода расположены по периметрии и снизу.}

Рисунок - 25 "QFN" тип корпуса микросхем.

TSOP (Thin Small-Outline Package) - данные корпуса очень тонкие, низкопрофильные, являются разновидностью SOP микросхем. Применяются в модулях оперативной памяти DRAM и для чипов флеш-памяти, особенно для упаковки низковольтных микросхем из-за их малого объёма и большого количества штырьков (контактов). В более современных модулях памяти такие корпуса уже не применяются, их заменили корпуса типа BGA. Обычно различают два типа корпусов, они представлены ниже на фото.

Рисунок 26 - "TSOP" тип корпуса микросхем.

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"). В настоящее время широкое распространение получили микросхемы флэш-памяти в корпусе PLCC, используемые в качестве микросхемы BIOS на системных платах. Габаритные размеры корпусов и расстояние между выводами можно посмотреть в паспорте.

Рисунок 27 - "PLCC и СLCC" тип корпуса микросхем.

ZIP (Zigzag-In-line Package) - плоский корпус для вертикального монтажа в отверстия печатной платы со штырьковыми выводами, расположенными зигзагообразно. Бывают ZIP12, ZIP16, ZIP17, ZIP19, ZIP20, ZIP24, ZIP40 цифры означают количество выводов и тип корпуса, кроме этого они различаются габаритами корпусов, а так же расстоянием между выводами. Габаритные размеры корпусов и расстояние между выводами можно посмотреть в паспорте.

Рисунок 28 - "ZIP" тип корпуса микросхем.

История различных видов корпусов

Логический элемент, ИМС Texas Instruments SN5451, в корпусе англ. Flat package (FP) изобретённом Y. Tao в 1962 году, за два года до изобретения DIP

Самые ранние интегральные схемы упаковывались в плоские керамические корпуса. Такой тип корпусов широко используется военными из-за его надежности и небольшого размера. Коммерческие микросхемы перешли к корпусам DIP (англ. Dual In-line Package), сначала изготавливаемым из керамики, а затем из пластика. В 1980-х годах количество контактов СБИС превысило возможности DIP корпусов, что привело к созданию корпусов PGA (англ. pin grid array) и LCC (англ. leadless chip carrier). В конце 80-х, с ростом популярности поверхностного монтажа, появляются корпуса SOIC (англ. Small-Outline Integrated Circuit), имеющие на 30-50 % меньшую площадь чем DIP и на 70 % более тонкие и корпуса PLCC (англ. Plastic leaded chip carrier). В 90-х начинается широкое использование plastic quad flat pack (PQFP) и TSOP (англ. 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 (англ. land grid array, разъем с матрицей контактных площадок).

Корпуса BGA (англ. Ball grid array) существуют с 1970-х годов. В 1990-х годах были разработаны корпуса FCBGA (BGA, собранная методом перевернутого кристалла англ. flip-chip), допускающие намного большее количество выводов, чем другие типы корпусов. В FCBGA кристалл монтируется в перевернутом виде и соединяется с контактами корпуса через столбики (шарики) припоя. Монтаж методом перевернутого кристалла позволяет располагать контактные площадки по всей площади кристалла, а не только по краям.

В настоящее время активно развивается подход с размещением нескольких полупроводниковых кристаллов в едином корпусе, так называемая "Система-в-корпусе" (англ. System In Package, SiP) или на общей подложке, часто керамической, так называемый MCM (англ. Multi-Chip Module).

Корпуса ИМС, производимых в СССР

ИМС, произведённые в СССР до 1972 года, оформлены в нестандартные корпуса ("Посол", "Вага 1Б", "Трапеция", "Тропа" и т.п.); их характеристики приведены в специальной технической документации на них, обычно ТУ.

Корпуса первых советских ИМС соответствовали требованиям ГОСТ 17467-72, который предусматривал четыре типа корпусов:

· тип 1: прямоугольный с выводами в пределах основания, перпендикулярно ему,

· тип 2: прямоугольный с выводами, расположенными за пределами основания, перпендикулярно ему,

· тип 3: круглый с выводами в пределах основания, перпендикулярно ему,

· тип 4: прямоугольный с выводами за пределами основания, перпендикулярно ему.

Для обозначения типоразмера корпуса и его конструкции предусматривалось специальное условное обозначение, состоящее из четырёх элементов:

· цифра, обозначающая тип корпуса,

· две цифры, от 01 до 99, обозначающие типоразмер,

· цифра, обозначающая общее количество выводов,

· цифра, обозначающая номер модификации.

Режим и условия монтажа ИМС в РЭА по ОСТ 11 073.062-2001 (разработан ЦКБ Дейтон), с числом перепаек 2.

Цоколёвка ИМС постсоветских лет выпуска часто совпадала со стандартом функциональных аналогов серий 74 или 4000.

Список литературы

1. Перебаскин А.В. Бахметьев А.А. Маркировка электронных компонентов

2. Книга: "Справочник по интегральным микросхемам" Издательство: "Энергия" (1981)

3. Книга: Белоус А.И., Ефименко С.А., Турцевич А.С. "Полупроводниковая силовая электроника" Издательство: "Техносфера" (2013)

4. Книга: Б.В. Тарабрин, С.В. Якубовский "Справочник по интегральным микросхемам" Издательство: "Энергия" (1980)

5. Книга: "Интегральные микросхемы серии STK фирмы SANYO и STR, SAI, SI фирмы Sanken. Справочник" Издательство: "Горячая Линия - Телеком" (2001)

6. Бер А.Ю., Минскер Ф.Е. Сборка полупроводниковых приборов и интегральных микросхем: Учебник для сред. ПТУ. - 3-е изд., переаб. и доп. - М.: Высшая школа, 1986. - 279 с.

7. Жан М. Рабаи, Ананта Чандракасан, Боривож Николич. Цифровые интегральные схемы. Методология проектирования = Digital Integrated Circuits. - 2-е изд. - М.: Вильямс, 2007. - 912 с.

Размещено на Allbest.ru