Типы корпусов микросхем зарубежного производства

DIP корпус

DIP ( англ. Dual In-Line Package) — корпус с двумя рядами выводов по длинным сторонам микросхемы. Раньше, да наверное и сейчас, корпус DIP был самым популярным корпусом для многовыводных микросхем. Выглядит он вот так:

В зависимости от количества выводов микросхемы, после слова «DIP» ставится количество ее выводов. Например, микросхема, а точнее, микроконтроллер atmega8 имеет 28 выводов:

Следовательно, ее корпус будет называться DIP28.

А вот у этой микросхемы корпус будет называться DIP16.

Чтобы не считать каждый раз количество выводов, можно их сосчитать только на одной стороне микросхемы и тупо умножить на два.

В основном в корпусе DIP в Советском Союзе производили логические микросхемы, операционные усилители и тд. Сейчас же корпус DIP также не теряет своей актуальности и в нем до сих пор делают различные микросхемы, начиная от простых аналоговых и заканчивая микроконтроллерами.

Корпус DIP может быть выполнен из пластика (что в большинстве случаев) и называется он PDIP, а также из керамики — CDIP. На ощупь корпус CDIP твердый как камень, и это неудивительно, так как он сделан из керамики.

Пример CDIP корпуса.

Имеются также модификации DIP корпуса: HDIP, SDIP.

HDIP (Heat-dissipating DIP) — теплорассеивающий DIP. Такие микросхемы пропускают через себя большой ток, поэтому сильно нагреваются. Чтобы отвести излишки тепла, на такой микросхеме должен быть радиатор или его подобие, например, как здесь два крылышка-радиатора посерединке микрухи:

SDIP (Small DIP) — маленький DIP. Микросхема в корпусе DIP, но c маленьким расстоянием между ножками микросхемы:

BGA-компоненты

BGA-технология возникла приблизительно 20 лет назад в фирме IBM для внутреннего потребления. Первая фирма, которая переняла опыт IBM, была Motorola, она купила лицензию у IBM и развила ее технологию до компоновки, названной OMPAC (Overmoulded Plastic Array Carrier). Структура BGA-компонента показана на рис. 2.

Рис. 2. BGA-компонент в пластиковом корпусе

По этой схеме кристалл устанавливается на монтажную подложку из композиционного материала с органическим связующим (FR-4, FR-5, BT), имеющим высокую температуру стеклования. Для этих целей предпочтительнее использовать материал на основе ВТ (Bismaleimid Triasine) с особенно высокой температурой стеклования и отличными электрическими свойствами. На обе стороны подложки наносится финишное покрытие NiAu, универсальное для микросварки (разварки проводов от микросхемы к подложке) и пайки шариковых выводов.

Кристалл приклеивается к подложке теплопроводным адгезивом на основе эпоксидной смолы. В свою очередь, подложка имеет элементы кондуктивного теплоотвода с одной стороны на другую. Часть шариковых выводов предназначена для тепловых соединений.

Современные стандарты устанавливают шаг сетки матричных выводов: 1,5 мм, 1,27 мм и 1,0 мм и диаметром шариковых выводов 0,6 мм. Конструкции подложек 50×50 мм позволяют размещать на них 2401 вывода с шагом 1,0 мм.

Кристаллы микросхем монтируют на подложку с помощью одного из четырех методов:

1. Термокомпрессионная микросварка (wirebonding) — наиболее старый, наиболее гибкий и широко применяемый метод (рис. 2). С его помощью до сих пор изготавливают более 96% всех микросхем.
2. Присоединение кристаллов к выводам ленточного носителя (рис. 3), или TAB (Tape-automated Bonding). Этот метод используется для автоматического монтажа кристаллов с малым шагом выводов на промежуточный носитель. Кроме возможности автоматизации монтажа, он обеспечивает возможность предварительного тестирования кристаллов перед окончательной установкой его на монтажную подложку.

1. Присоединение перевернутого кристалла(Flip Chip) через шариковые выводы (рис. 4). Компактность и улучшенные электрические характеристики этого метода межсоединений способствуют расширению его применения.

Рис. 4. Монтаж микросхемы на подложку методом перевернутого кристалла (Flip Chip)

1. Присоединение кристалла балочными выводами (рис. 5). При этом методе используют технологии термокомпрессионной и ультразвуковой микросварки балочных выводов к периферийным контактным площадкам на кристалле и затем — балочных выводов к подложке.

ZIP корпус

ZIP (Zigzag In line Package) — плоский корпус с выводами, расположенными зигзагообразно. На фото ниже корпус ZIP6. Цифра — это количество выводов:

Ну и корпус с радиатором HZIP:

Только что мы с вами рассмотрели основной класс In line Package микросхем. Эти микросхемы предназначены для сквозного монтажа в отверстиях в печатной плате.

Например, микросхема DIP14, установленная на печатной плате

и ее выводы с обратной стороны платы, уже без припоя.

Кто-то все таки умудряется запаять микросхемы DIP, как микросхемы для поверхностного монтажа (о них чуть ниже), загнув выводы под углом в 90 градусов, или полностью их выпрямив. Это извращение), но работает).

Переходим к другому классу микросхем — микросхемы для поверхностного монтажа или, так называемые SMD компоненты. Еще их называют планарными радиокомпонентами.

Такие микросхемы запаиваются на поверхность печатной платы, под выделенные для них печатные проводники. Видите прямоугольные дорожки в ряд? Это печатные проводники или в народе пятачки. Вот именно на них запаиваются планарные микросхемы.

Количество выводов и степень интеграции микросхем

При монтаже кристаллов на подложку корпуса и корпуса на монтажную подложку (плату) или при непосредственном монтаже кристалла на плату неизбежно увеличиваются используемые для этого площади. Это вызвано необходимостью выделения определенного физического пространства для размещения выводов. А число выводов подчиняется общей тенденции их увеличения с увеличением интеграции микросхем:

где n — количество выводов, q — коэффициент связности микроэлементов в структуре микросхемы, N — степень интеграции микросхемы, R — показатель Рента [4].

В противоположность степени интеграции этот эффект называют степенью дезинтеграции, которая оценивается отношением плотности микроэлементов, отнесенной к монтажной площади на плате, с их плотностью размещения на кристалле. Например, если кристалл процессора имеет размер 10×10 мм, а монтажное поле его корпуса на плате занимает площадь 4000 мм, такое конструктивное исполнение системы межсоединений характеризуется дезинтеграцией с числом 40. Каким значением оценивается матрица из 800 выводов? Периферийное расположение такого количества выводов с шагом 0,4 мм занимает монтажное поле площадью 8000 мм, значит, степень дезинтеграции такого конструктивного исполнения — 100.

Нужно заметить, что степень дезинтеграции растет по мере возрастания иерархического уровня конструкции: кристалл — микросхема — печатный узел — модуль — блок… Например, дезинтеграция в блоке может достигать 100 тыс.

В таблице 2. приведены данные грубой оценки дезинтеграции при использовании различных методов корпусирования и установки кристаллов микросхем процессора на монтажное основание (плату).

Таблица 2. Оценка дезинтеграции при переходе на следующий уровень межсоединений

Очевидно, что степени интеграции и дезинтеграции должны соответствовать техническому уровню развития производства. При стремлении выполнить конструкцию на предельных возможностях производства стоимость изделия станет неоправданно высокой из-за большого объема отходов на брак. Надежность таких конструкций тоже не будет гарантирована. Если же в производство поступит изделие, спроектированное по низким проектным нормам, то есть с большой степенью дезинтеграции (микросхема больших габаритов), его большая материалоемкость, низкая фондоотдача («из пушки по воробьям») также пагубно скажется на его себестоимости.

SOIC корпус

Самым большим представителем этого класса микросхем являются микросхемы в корпусе SOIC (Small-Outline Integrated Circuit) — маленькая микросхема с выводами по длинным сторонам. Она очень напоминает DIP, но обратите внимание на ее выводы. Они параллельны поверхности самого корпуса:

Вот так они запаиваются на плате:

Ну и как обычно, цифра после «SOIC» обозначает количество выводов этой микросхемы. На фото выше микросхемы в корпусе SOIC16.

Корпуса импортных интегральных микросхем для поверхностного монтажа

При сборке радиоэлектронного оборудования часто используется технология поверхностного монтажа SMT (Surface Mount Technology). Электронные компоненты, которые изготовлены для поверхностного монтажа, называют SMD-компонентами (Surface Mounted Device). Ниже приведены наиболее распространенные серии корпусов импортных интегральных микросхем, предназначенные для поверхностного монтажа.

Корпус микросхемы SOIC или SO (Small-Outline Integrated Circuit), он же SOP (Small-Outline Package)

Корпус микросхем имеет достаточно тонкую прямоугольную форму, напоминающую корпус DIP, но предназначен для поверхностного монтажа. Выводы, изогнутые наружу, расположены по двум длинным сторонам и припаиваются с той же стороны печатной платы, где располагается корпус. В обозначении корпуса указывается число выводов.

• SSOP — сжатый малогабаритный корпус микросхемы (Shrink SOP);
• TSOP — тонкий малогабаритный корпус (Thin SOP);
• TSSOP — сверхтонкий корпус микросхемы (Thin Shrink SOP);
• QSOP — корпус квадратной формы (Quarter SOP);
• MSOP — корпус SOP уменьшенного размера (Mini SOP);
• CSOP — керамический корпус микросхемы (Ceramic SOP);
• HSOP — корпус с теплоотводом (Heat Sink SOP);
• HSSOP — малогабаритный корпус с теплоотводом (Heat Sink Shrink SOP);
• HTSSOP — тонкий корпус микросхемы с теплоотводом (Heat Sink Thin Shrink SOP);
• VSOP — миниатюрный корпус (Very Small Outline Package);
• QSOP — корпус квадратной формы (Quarter Size SOP).

Корпус микросхемы QFP (Quad Flat Package)

Квадратный плоский корпус микросхемы с четырьмя рядами выводов по узким сторонам, они изогнуты наружу.

Существуют и другие варианты этого корпуса:

• TQFP — тонкий корпус микросхемы (Thin QFP);
• LQFP — низкопрофильный корпус микросхемы (Low-profile QFP);
• SQFP — сжатый корпус QFP (Shrink QFP);
• VTQFP — сверх тонкий корпус (Very Thin QFP);
• HQFP — корпус микросхемы с теплоотводом (Heat Sink QFP).

Корпус микросхемы LCC (Leadless Chip Carrier)

Низкопрофильный квадратный керамический корпус с расположенными на его нижней части контактами, предназначенный для поверхностного монтажа. В обозначении корпуса указывают количество контактов, например: LCC16, LCC32 и т.д.

В данной статье для ознакомления мы привели лишь некоторые корпуса импортных микросхем без детальных чертежей.

Внимание! При заказе и покупке микросхем необходимо обращать внимание на тип корпуса, так как производители зачастую выпускают одну и ту же микросхему в различных типах корпусов.

Максим Шаколин

SOP корпус

SOP (Small Outline Package) — то же самое, что и SOIC.

Модификации корпуса SOP:

PSOP — пластиковый корпус SOP. Чаще всего именно он и используется.

HSOP — теплорассеивающий SOP. Маленькие радиаторы посередине служат для отвода тепла.

SSOP(Shrink Small Outline Package) — » сморщенный» SOP. То есть еще меньше, чем SOP корпус

TSSOP(Thin Shrink Small Outline Package) — тонкий SSOP. Тот же самый SSOP, но «размазанный» скалкой. Его толщина меньше, чем у SSOP. В основном в корпусе TSSOP делают микросхемы, которые прилично нагреваются. Поэтому, площадь у таких микросхем больше, чем у обычных. Короче говоря, корпус-радиатор).

SOJ — тот же SOP, но ножки загнуты в форме буквы «J» под саму микросхему. В честь таких ножек и назвали корпус SOJ:

Ну и как обычно, количество выводов обозначается после типа корпуса, например SOIC16, SSOP28, TSSOP48 и тд.

Краткая историческая справка

Первые опыты по созданию полупроводниковых интегральных схем были осуществлены в 1953 г., а промышленное производство интегральных схем началось в 1959 г. В 1966 г. был начат выпуск интегральных схем средней степени интеграции (число элементов в одном кристалле до 1000). В 1969 г. были созданы интегральные схемы большей степени интеграции (большие интегральные схемы, БИС), содержащие до 10000 элементов в одном кристалле.

В 1971 г. были разработаны микропроцессоры, а в 1975 г. — интегральные схемы сверхбольшой степени интеграции (сверхбольшие интегральные схемы, СБИС), содержащие более 10000 элементов в одном кристалле. Полезно отметить, что предельная частота биполярных транзисторов в полупроводниковых интегральных схемах достигает 15 ГГц и более.

К 2000 г. ожидается появление интегральных схем, содержащих до 100 млн МОП транзисторов в одном кристалле (речь идет о цифровых схемах). Система обозначений. Условное обозначение интегральных микросхем включает в себя основные классификационные признаки.

• Первый элемент — цифра, соответствующая конструктивно-технологической группе. Цифрами 1, 5, 6 и 7 в первом элементе обозначаются полупроводниковые интегральные микросхемы. Гибридным микросхемам присвоены цифры 2, 4 и 8. Пленочные, вакуумные и керамические интегральные микросхемы обозначаются цифрой 3.
• Второй элемент, определяющий порядковый номер разработки серии, состоит из двух (от 00 до 99) или трех (от 000 до 999) цифр.
• Третий элемент, обозначающий подгруппу и вид микросхемы, состоит из двух букв.
• Четвертый элемент, обозначающий порядковый номер разработки микросхемы данной серии, состоит из одной или нескольких цифр.

Будет интересно➡ Все о блоках питания — схема устройства, изготовление своими руками

К этим основным элементам обозначений микросхем могут добавляться и другие классификационные признаки.

Дополнительная буква в начале четырехэлементного обозначения указывает на особенность конструктивного исполнения:

• Р — пластмассовый корпус типа ДИП;
• А — пластмассовый планарный корпус;
• Е — металлополимерный корпус типа ДИП;
• С — стеклокерамический корпус типа ДИП;
• И — стеклокерамический планарный корпус;
• Н — керамический «безвыводной» корпус.

В начале обозначения для микросхем, используемых в условиях широкого применения, приводится буква К.

Серии бескорпусных полупроводниковых микросхем начинаются с цифры 7, а бескорпусные аналоги корпусных микросхем обозначаются буквой Б перед указанием серии.

Через дефис после обозначения указывается цифра, характеризующая модификацию конструктивного исполнения:

• 1 — с гибкими выводами;
• 2 — с ленточными (паучковыми) выводами, в том числе на полиамидном носителе;
• 3 — с жесткими выводами;
• 4 — на общей пластине (неразделенные);
• 5 — разделенные без потери ориентировки (наклеенные на пленку);
• 6 — с контактными площадками без выводов.

Как создаются интегральные схемы?

Как изготовить чип памяти или процессор компьютера? Процесс производства начинается с химического элемента — кремния, который химически обрабатывается (легируется) для придания различных электрических свойств.

Современное исполнение интегральной схемы (одна из многочисленных форм), установленной на электронной плате устройства. Это далеко не самый продвинутый вариант, а лишь один из многих

Традиционно для нужд электроники используются материалы двух категорий:

1. Проводники.
2. Изоляторы.

Но технически всё сложнее, особенно когда дело касается определенных элементов середины таблицы Менделеева (группы 14 и 15), в частности, кремния и германия. Что примечательно — материалы изоляторы способны переходить в разряд проводников, если к этим материалам добавить некоторое количество примесей. Процесс, известный как легирование.

Принцип легирования химических элементов

Если добавить некоторое количество сурьмы кремнию, структура этого химического элемента насыщается большей массой электронов, чем обычно. Обеспечивается проводимость электричества. Кремний, «легированный» подобным образом, приобретает характеристику N-типа. В другом случае, когда вместо сурьмы добавляется бор, масса электронов кремния уменьшается, оставляя своеобразные «дыры», которые функционируют подобно «отрицательно заряженным электронам».

Благодаря «дырам» положительный электрический ток пропускается в противоположном направлении. Такая разновидность кремния характеризуется P-типом. Расположение областей кремния N-типа и P-типа рядом одна с другой, способствует созданию соединения, где отмечается поведение электронов, характерное для электронных компонентов на основе полупроводников:

• диодов,
• транзисторов,
• запоминающих устройств и других.

QFP корпус

QFP (Quad Flat Package) — четырехугольный плоский корпус. Главное отличие от собрата SOIC в том, что выводы размещены на всех сторонах такой микросхемы

Модификации:

PQFP — пластиковый корпус QFP. CQFP — керамический корпус QFP. HQFP — теплорассеивающий корпус QFP.

TQFP (Thin Quad Flat Pack) — тонкий корпус QFP. Его толщина намного меньше, чем у его собрата QFP

PLCC корпус

PLCC (Plastic Leaded Chip Carrier) и СLCC (Ceramic Leaded Chip Carrier) — соответственно пластиковый и керамический корпус с расположенными по краям контактами, предназначенными для установки в специальную панельку, в народе называемую «кроваткой». Типичным представителем является микросхема BIOS в ваших компьютерах.

Вот так примерно выглядит «кроватка» для таких микросхем

А вот так микросхема «лежит» в кроватке.

Иногда такие микросхемы называют QFJ, как вы уже догадались, из-за выводов в форме буквы «J»

Ну и количество выводов ставится после названия корпуса, например PLCC32.

Разнообразие корпусов интегральных микросхем

На сегодняшний день интегральные микросхемы выпускаются в двух вариантах исполнения — корпусном и бескорпусном. Бескорпусная микросхема представляет собой открытый кристалл, предназначенный для монтажа в гибридную микросхему или микросборку. Для защиты от внешних воздействий интегральные микросхемы помещают в пластиковый или керамический корпус. Корпуса микросхем стандартизованы. Инженеры часто сталкиваются с англоязычными документами, в них корпус интегральной микросхемы называется «chip package», «chip container» или «chip carrier».

PGA корпус

PGA (Pin Grid Array) — матрица из штырьковых выводов. Представляет из себя прямоугольный или квадратный корпус, в нижней части которого расположены выводы-штырьки

Такие микросхемы устанавливаются также в специальные кроватки, которые зажимают выводы микросхемы с помощью специального рычажка.

В корпусе PGA в основном делают процессоры на ваши персональные компьютеры.

Параметры цифровых микросхем

Прежде чем говорить о параметрах цифровых логических микросхем, необходимо сказать о том, что не все они учитываются и не всегда. Как это можете задать вопрос. Но тут очень просто, при разработке и моделировании цифровых устройств исходят из различных моделях логических микросхем. Всего таких модели три:

1. Логическая модель.

2. Модель с временными задержками.

3. Электрическая модель.

Для логической модели

всё очень просто, здесь главным параметром является таблица истинности или описание алгоритма работы логического элемента. Примерно 20% всех схем строят на основе логической модели. В данной модели можно считать, что логический элемент срабатывает мгновенно.

Для модели с временными задержками

необходимо учитывать то, что выходной сигнал изменяется с некоторой задержкой относительно входного сигнала. Данная модель позволяет разрабатывать около 80% всех устройств. Данная модель учитывает параметры задержки при переходе сигнала из единицы в нуль (tPHL) и переход сигнала из нуля в единицу (tPLH).

Для электрической модели

логической микросхемы уже учитывают входной и выходной токи, а также входные и выходные напряжения. Данная модель говорит о том что уровни напряжений и токов устанавливаются не мгновенно, а с учётом переходных процессов внутри микросхем. С учётом этой модели разрабатываются все остальные цифровые устройства. Приведу некоторые из них: входной ток нуля (IIL)и входной ток единицы (IIH); входное напряжение нуля (UIL) и входное напряжение единицы (UIH); выходной ток нуля (IOL) и выходной ток единицы (IOH); выходное напряжение нуля (UOL) и выходное напряжение единицы (UOH).

Также для цифровых логических микросхем имеются общие электрические параметры: допустимое напряжение питания (UCC) и максимальный ток потребляемой микросхемой (ICC).

Корпус LGA

LGA (Land Grid Array) — тип корпусов микросхем с матрицей контактных площадок. Чаще всего используются в компьютерной технике для процессоров.

Кроватка для LGA микросхем выглядит примерно вот так:

Если присмотреться, то можно увидеть подпружиненные контакты.

Сам микросхема, в данном случае процессор ПК, имеет просто металлизированные площадки:

Для того, чтобы все работало, должно выполняться условие: микропроцессор должен быть плотно прижат к кроватке. Для этого используются разного рода защелки.

Структурная интегральная схема внутри чипа

Итак, процесс создания интегральной схемы начинается от монокристалла кремния, напоминающего по форме длинную сплошную трубу, «нарезанную» тонкими дисками — пластинами. Такие пластины размечаются на множество одинаковых квадратных или прямоугольных областей, каждая из которых представляет один кремниевый чип (микрочип). Пример внутренней структуры интегральной схемы, демонстрирующий возможности такой уникальной технологии интеграции полноценных электронных схемотехнических решений.

Будет интересно➡ Все о блоках питания — схема устройства, изготовление своими руками

Затем на каждом таком чипе создаются тысячи, миллионы или даже миллиарды компонентов путём легирования различных участков поверхности — превращения в кремний N-типа или P-типа. Легирование осуществляется различными способами. Один из вариантов — распыление, когда ионами легирующего материала «бомбардируют» кремниевую пластину.

Другой вариант — осаждение из паровой фазы, включающий введение легирующего материала газовой фазой с последующей конденсацией. В результате такого ввода примесные атомы образуют тонкую пленку на поверхности кремниевой пластины. Самым точным вариантом осаждения считается молекулярно-лучевая эпитаксия.

Конечно, создание интегральных микросхем, когда упаковываются сотни, миллионы или миллиарды компонентов в кремниевый чип размером с ноготь, видится сложнейшим процессом. Можно представить, какой хаос принесёт даже небольшая крупинка в условиях работы в микроскопическом (наноскопическом) масштабе. Вот почему полупроводники производятся в лабораторных условиях безупречно чистых. Воздух лабораторных помещений тщательно фильтруется, а рабочие обязательно проходят защитные шлюзы и облачаются в защитную одежду.

Интересно почитать: что такое клистроны.

Кто создал интегральную схему?

Разработка интегральной схемы приписывается двум физикам — Джеку Килби и Роберту Нойсу, как совместное изобретение. Однако фактически Килби и Нойс вынашивали идею интегральной схемы независимо друг от друга. Между учёными даже существовала своего рода конкуренция за права на изобретение.

Джек Килби трудился в «Texas Instruments», когда учёному удалось реализовать идею монолитного принципа размещения различных частей электронной схемы на кремниевом чипе. Учёный вручную создал первую в мире интегральную микросхему (1958 год), использовав чип на основе германия. спустя год подала заявку на патент.

Тем временем представитель другой — Роберт Нойс, проводил эксперименты с миниатюрными цепями своего устройства. Благодаря серии фотографических и химических методов (планарный процесс), учёный всего лишь на год позже Килби создал практичную интегральную схему. Методика получения также была оформлена заявкой на патент.