4 Корпуса интегральных микросхем

Корпус защищает элементы и компоненты микросхемы от влияния внешних механических и климатических факторов (пыль, влажность, свет, газ) и обеспечивает надежное электрическое соединение с внешними цепями. Конструкция корпуса должна обеспечить подержание чистоты и стабильности атмосферы, окружающей микросхему, удобства и надежность монтажа кристаллов и плат, надежное электрическое соединение контактных площадок микросхемы с выводами корпуса, отвод тепла от микросхемы, размещенной внутри корпуса, надежное крепление корпуса при монтаже. Кроме этого, конструкция корпуса должна иметь высокую надежность, коррозийную и радиационную стойкость, а также быть простой в изготовлении и дешевой.

Для обеспечения автоматизированной сборки и герметизации микросхем, автоматизированного их монтажа в радиоэлектронную аппаратуру и взаимозаменяемости, корпуса микросхем имеют стандартные конструкции.

Корпуса микросхем классифицируют по форме и расположению выводов и по материалу, из которого изготовлен корпус.

Установлено шесть основных типов корпусов, которые отличаются расположением внешних выводов (выводных площадок) относительно плоскости основания корпуса. Типы и подтипы корпусов приведены в табл..2, а упрощенное изображение корпусов разных типов — на рис..1.

Таблица 8.2 Типы корпусов микросхем

Корпус		Расположение выводов (выводных площадок)
Тип	Подтип	относительно плоскости основания
	11	Перпендикулярное, в один ряд
	12	Перпендикулярное, в два ряда
1	13	Перпендикулярное, в три ряда
	14	Перпендикулярное, по контуру прямоугольника
	15	Перпендикулярное, в один ряд или в отформованном виде в два ряда
2	21	Перпендикулярное, в два ряда
	22	Перпендикулярное, в четыре ряда в шахматном порядке
3	31	Перпендикулярное, по одной окружности
	32	Перпендикулярное, по одной окружности, корпус овальный
	41	Параллельное, по двух противоположным сторонам
4	42	Параллельное, по четырем сторонам
	43	Параллельное, отформованные по двум сторонам
	44	Параллельное, отформованные по четырем сторонам
	45	Параллельное, отформованные под корпус по четырем сторонам
5	51	Перпендикулярное, для боковых выводных площадок из четверых сторон
	52	Перпендикулярное, для боковых площадок по двух сторонам
6	61	Перпендикулярное, в четыре ряда и более
	62	Перпендикулярное, в два ряда и более со стороны крышки корпуса

Корпуса типа 1 прямоугольной формы с выводами расположенными по периметру и перпендикулярно основанию и расположенные в пределах проекции тела корпуса на плоскость основания. В зависимости от расположения рядов выводов, различают пять подтипов корпусов первого типа.

Рис. 8.1 — Типы корпусов микросхем

Корпуса типа 2 имеют прямоугольную форму и выводы, которые расположены перпендикулярно плоскости основания корпуса, но выходят за пределы проекции тела корпуса.

Круглый корпус типа 3 имеет выводы, перпендикулярные плоскости основания и расположенные полупроводников окружности в границах проекции тела корпуса на плоскость. Корпус подтипа 3.1 - круглый, подтипа 3.2 - овальный.

Корпуса типа 4 (планарные) имеют выводы, которые расположенные параллельно плоскости основания и выходящие за пределы проекции тела микросхемы. Перед монтажом микросхемы выводы формируются, чтобы обеспечить плотное прилегание их к плоскости контактных площадок.

Корпуса типа 5 - прямоугольные, плоские, “безвыводные” (их иногда называют “кристаллоносителями”) или с малыми размерами выводов. Электрические соединения микросхемы осуществляют с помощью металлизированных контактных площадок, которые расположенные по периметру корпуса.

Корпуса типа 6 — квадратные корпуса с выводами, размещенными перпендикулярно плоскости основания. Эти корпусы предназначены для БИС и СБИС.

В зависимости от расположения выводов и их формы корпуса делятся на подтипы (12, 21, 31, 43, и т.д.) Корпуса микросхем одного подтипа могут иметь различные габаритные размеры, количество выводов и шаг выводов. По габаритным и присоединительным размерам конструкции корпусов подразделяются на типоразмеры. Обозначение типоразмера состоит из четырех цифр. Первые две цифры указывают тип и подтип, следующее двухзначное число (01…99) означает порядковый номер типоразмера.

Например, условное обозначение корпуса типа 4 с 14 выводами, которые расположены с двух противоположных сторон планарного корпуса второго типоразмера (подтипа) с регистрационным номером 3, представлено на рис. 8.2.

4 1 02. 14-3

Регистрационный номер

Число выводов

Порядковый номер типоразмера

Подтип

Тип

Рис. 8.2 — Система условных обозначений корпусов микросхем

Выводы корпусов микросхем в поперечном сечении могут быть круглой, квадратной или прямоугольной формы. Шаг выводов прямоугольных корпусов составляет 0,625; 1; 1,7 и 2,5мм. Для круглых корпусов угловой шаг равняется 360/n градусов, где n - число выводов микросхемы.

Каждому выводу присваивается позиционное обозначение, которое указывает местоположение вывода в конструкции корпуса.

Выводы нумеруются слева направо или по часовой стрелке со стороны расположения выводов.

Для правильного монтажа микросхем корпус имеет ключ (метку), который указывает первый вывод. Это может быть острый угол, точка на корпусе, более широкий, чем другие вывод или какие-то другие метки или особенности корпуса (например, скос корпуса) (рис.8.3).

Применение корпусов 6 типа с матричным расположением выводов, позволяет значительно повысить быстродействие и снизить массу и габаритные размеры радиоэлектронных устройств за счет повышения плотности размещения БИС на печатной плате. Отличительной чертой матричных корпусов являются независимость плотности расположения выводов корпуса от их количества. Для корпусов с шагом 2,5мм плотность расположения выводов равна 16 выв/см² , а для корпусов с шагом 1,25мм – 50 выв/см². Такой плотности не удается получить даже при уменьшении шага контактных площадок расположенных по периметру микрокорпуса до 0,3мм, в которых при количестве выводов 320 достигается плотность расположения выводов немногим более 40 выв/см².

Для поверхностного монтажа разработаны специальные конструкции миниатюрных корпусов. Они имеют укороченные выводы. Это значительно уменьшает значение паразитных индуктивностей, емкостей и сопротивлений. Миниатюрные корпуса различаются размерами, конфигурацией, расположением и формой выводов. К ним относятся микрокорпус подтипов 43, плоские корпуса подтипа 44, 45, безвыводные кристаллоносители типа 51.

Согласно рекомендациям Международного электротехнического комитета МЭК 191-6-90 шаг выводов корпусов для микросхем поверхностного монтажа должен выбираться из ряда: 1, 27 (как у зарубежных элементов); 1,0; 0,8; 0,65; 0,5; 0,4; 0,3мм.

Особенностью корпусов подтипа 45 являются согнутые под корпус выводы, имеющие L — образную форму, а шаг выводов в них составляет 1,27, 1,0 и 0,63мм. Корпуса этих подтипов пригодны для автоматизированного монтажа.

Рост функциональной сложности радиоэлектронных устройств при требованиях высокого быстродействия, снижения массы и габаритных размеров возможен только за счет повышения плотности компоновки БИС на коммутационных платах. Это достигается использованием поверхностного монтажа микросхем в корпусах с малым шагом выводов.

Корпуса микросхем зарубежных фирм имеют шаг выводов, кратный размеру 1,27 мм. При числе выводов с одной стороны корпуса до 8 (для корпусов с шагом 2,5 мм) разность не заметна даже при автоматической установке микросхем на плату. При большем количестве выводов с одной стороны, автоматическая установка невозможна. А при количестве выводов с одной стороны больше чем 14, нужна переработка печатной платы. Это необходимо учитывать при замене микросхем производства стран СНГ на микросхемы производства фирм стран дальнего зарубежья или при разработке аппаратуры с их применением.

По конструктивно-технологическому выполнению различают четыре основных разновидности корпусов.

Р ис. 8.3 — Конструкция пластмассового корпуса 4303 для поверхностного монтажа

Металлостекляный корпус имеет металлическую крышку и стеклянное (или металлическое) основание с изоляцией и креплением выводов стеклом. Крышка герметично присоединяется к основанию сваркой или пайкой.

В металлостекляном исполнении выпускаются корпуса первого, третьего и четвертого типов. Для защиты гибридных интегральных микросхем широко применяется металлостекляный корпус первого типа. Например, корпус 1203 (рис. 8.4,а) состоит из металлического основания, в которое помещаются выводы, и металлической крышки. Выводы изолированы и герметизированы стеклом.

Рис. 8.4 — Конструкция металлостеклянных корпусов: а — подтипа 1203; б — подтипа 3104

После монтажа микросхемы выполняется соединение основания с крышкой контактной сваркой. Подобную конструкцию имеют корпусы третьего типа, которые используются в основном для защиты полупроводниковых микросхем (рис.8.4,б). Корпус состоит из баллона (крышки) и основания. Выводы вплавлены в стеклянную таблетку, которая в свою очередь сплавлена с металлическим фланцем. Соединение крышки с фланцем осуществляется холодной или электроконтактной сваркой.

Металлокерамические корпуса состоят из металлического или керамического основания, металлической крышки и керамических деталей, в которые впрессованы или впаяны металлические выводы. Конструкция металлокерамического корпуса четвертого типа представлена на рис. 8.5. Монтажная площадка, контактные площадки и выводы подобных корпусов имеют золотое покрытие толщиной 2...5 мкм для обеспечения пайки, сварки выводов и улучшения пайки при сборке. В производстве металлокерамических корпусов используют драгоценные и дефицитные материалы: золото, никель, никель-кобальтовые сплавы (ковар). Вследствие этого, их используют для герметизации ИС специального назначения, БИС и СБИС с большим количеством выводов.

В металлокерамическом исполнении выпускают корпусы второго, пятого и шестого типов, которые используются для герметизации полупроводниковых ИС. Металлокерамические корпуса обеспечивают хороший отвод тепла от кристалла.

Рис. 8.5 Конструкция металлокерамического корпуса 4118

Керамические корпуса используются для второго и пятого типов корпусов. Эти корпусы имеют меньшие защитные свойства и надежность вследствие большей хрупкости керамического основания и крышки. Керамические корпуса изготовляют из нескольких слоев керамики, на которые методами толстопленочной технологии наносят токопроводящие дорожки и контактные площадки внутренние и внешние. Внутренние контактные площадки нужны для соединения с контактными площадками кристалла, а к внешним контактным площадкам приваривают выводы. Керамические корпусы пятого типа имеют короткие выводы. Благодаря этому приблизительно в три раза повышается верхняя рабочая частота ИС, которая помещена в нее, в сравнении с тем, если бы ИС была размещена в другом корпусе. Стеклокерамический корпус имеет керамические крышку и основания, крышка соединяется с основанием стеклом. Выводы также герметизируются низкотемпературным стеклом. Детали керамических корпусов изготовляют из алюмооксидной керамики или керамики на основе оксида бериллия.

Пластмассовый корпус изготовляется опрессовкой пластмассой кристалла, помещенного на штампованную рамку выводов. Конструкции пластмассовых корпусов являются наиболее дешевыми (рис.8.6). Это связано с меньшей стоимостью материалов и технологией изготовление корпусов. Операции формирования монолитного корпуса и герметизации ИС совмещены. Пластмассовые корпуса обеспечивают наилучшую защиту от механических воздействий. Тем не менее, пластмасса имеет низкие влагозащитные свойства. В процессе эксплуатации ИС понижается герметичность соединения металла с пластмассой. При циклическом изменении температуры из-за различия температурных коэффициентов линейного расширения металла и пластмассы возникают микротрещины. Сквозь эти микротрещины влага проникает внутрь корпуса. Пластмассовые корпусы плохо отводят тепло от микросхем. Они используются в аппаратуре, которая эксплуатируется в помещении, или имеет общую герметизацию, или в аппаратуре, к которой не предъявляются высокие требования по надежности.

Рис. 8.6 — Конструкция пластмассового корпуса 2102

Корпуса микросхем, производства зарубежных фирм, обозначаются буквами, которые указывают тип корпуса и используемые материалы. Приведем несколько примеров обозначения наиболее распространенных корпусов.

Корпуса с двухрядным расположением выводов, аналогичные корпусам второго типа:

DIP (Dual In Line Package, Plastic) — пластмассовый с двурядным расположением выводов;

DІС (Dual In Line Package, Metall Ceramic) — металлокерамический с двухрядным расположением выводов;

CERD (Ceramic Dual In Line Package) — керамический с двухрядным расположением выводов.

Эти корпуса получили большое распространение в аппаратуре широкого применения.

Корпуса, аналогичным корпусам первого типа:

SIP (Single In Line Package, Plastic) — пластмассовый с однорядным расположением выводов.

HSIP, Multivatt, ТО-220 (подобный к корпусу транзистора) — применяют для мощных микросхем.

Микросхемы в корпусах типа SIP используют преимущественно для бытовой аппаратуры. Их недостатком является ограниченное количество выводов и невысокая механическая прочность.

Значительное распространение имеют корпусы для поверхностного монтажа. Это корпусы типа SOP (Small Outline Package, Plastic) — пластмассовые малогабаритные. Они имеют еще такие обозначения SO, SOIP, SOIC, SOT. Цифра, которая стоит после букв указывает количество выводов.

Для микросхем высокой степени интеграции используют корпуса типа QFP (Quad Flat Package – пластмассовый корпус с четырехсторонним расположением выводов) и его разновидности: CQFP – керамический QFP, TQFP – Thin QFP – тонкий, толщиной не более 1,27мм. Эти корпуса аналогичны корпусам подтипов 43 и 44. Для повышения быстродействия и снижения массы и габаритов радиоэлектронных устройств микросхемы выпускаются в корпусах BGA (Ball Grid Array - корпус с матричным расположением шариковых выводов) в микрокорпусах (CSP – Chip Scale Package – корпус размером с кристалл) LCC(Leadless Chip Carrier – керамический безвыводной кристаллоноситель). В корпусах BGA корпус является промежуточным элементом, соединяющим прецизионный рисунок металлизации кристалла БИС с более крупным рисунком печатной платы.

Рисунок Компоновка матрицы шариковых выводов: а — вид на шариковые выводы

С увеличением функциональной сложности микросхем увеличивается число выводов и сложность конструкции корпусов. Стоимость корпуса СБИС может равняться стоимости кристалла, который в нем помещается.

Вопросы и задачи для самопроверки

1. Какое назначение корпуса и какие требования предъявляются к конструкции корпуса микросхемы?

2. Сколько типов корпусов существует соответственно стандарту?

3. По каким признаками определяется тип и подтип корпусов?

4. Какой шаг выводов имеют корпуса?

5. Как определить первый вывод корпуса микросхемы?

6. Какие типы корпусов предназначены для поверхностного монтажа?

7. Какой шаг выводов имеют корпуса микросхем зарубежных фирм?

8. При каком количестве выводов с одного стороны микросхемы нужно учитывать различный шаг выводов при ее замене на заграничный аналог?

9. Объясните систему условных обозначений корпусов ИМС.

10. Как различают корпуса по конструктивно-технологическу выполнению?

11. Приведите эскиз и охарактеризуйте особенности металостеклянного корпуса.

12. Охарактеризуйте свойства металлокерамических корпусов?

13. Чем отличаются керамический и стеклокерамический корпус?

14. Какие преимущества недостатки имеет пластмассовый корпус?

15. Как обозначаются корпуса микросхем производства зарубежных фирм?