Pakowanie układów scalonych polega na umieszczeniu struktury półprzewodnikowej w obudowie, która ją chroni i umożliwia połączenie z płytką drukowaną. Dobór obudowy zależy od wymaganych połączeń, miejsca na PCB, odprowadzania ciepła oraz możliwości montażu i kontroli. Sam mały rozmiar nie przesądza więc o tym, czy dana obudowa będzie odpowiednia do projektu.
Co zapewnia obudowa układu scalonego?
Obudowa stanowi mechaniczną osłonę delikatnej struktury i jej wewnętrznych połączeń. Chroni przed uszkodzeniami fizycznymi, korozją, wnikaniem wilgoci i światłem. W zastosowaniach radiowych odpowiednia konstrukcja może również zapewniać ochronę przed zakłóceniami elektromagnetycznymi. Zakres tej ochrony zależy od wykonania obudowy; nie należy przypisywać każdemu układowi identycznej odporności na warunki otoczenia.
Wyprowadzenia przenoszą sygnały i zasilanie między strukturą a resztą urządzenia. Obudowa uczestniczy też w odprowadzaniu ciepła. Jej wybór łączy zatem wymagania elektryczne, cieplne i mechaniczne, a nie sprowadza się do dopasowania zewnętrznego kształtu elementu.
Obudowywanie jest jednym z końcowych etapów wytwarzania elementu półprzewodnikowego. Trzeba odróżnić je od późniejszego montażu na PCB: najpierw powstaje gotowy komponent, a następnie jego wyprowadzenia są łączone z płytką urządzenia.
Z czego składa się obudowa?
W klasycznej konstrukcji struktura półprzewodnikowa jest zamocowana do podłoża lub ramki wyprowadzeń. Cienkie druciki tworzą połączenia elektryczne między strukturą a wyprowadzeniami. Takie rozwiązanie występuje między innymi w obudowach DIP. Materiał otaczający strukturę zabezpiecza ją oraz delikatne połączenia przed oddziaływaniem otoczenia.
Materiał mocujący strukturę pełni funkcję mechaniczną i uczestniczy w przewodzeniu ciepła. W zależności od konstrukcji może również przewodzić prąd. Jakość tego połączenia ma znaczenie dla pracy układu, dlatego nie należy traktować go wyłącznie jako warstwy kleju utrzymującej element na miejscu.
Obudowy mogą wykorzystywać tworzywa sztuczne, ceramikę oraz podłoża laminowane. DIP początkowo wykonywano w wersjach ceramicznych, a później upowszechniły się wersje z tworzywa. Podłoże laminowane może przejmować funkcję rozprowadzania połączeń, którą w innych konstrukcjach pełni ramka wyprowadzeń.
Do zabezpieczania struktur stosuje się między innymi materiały epoksydowe i silikonowe. Ich właściwości trzeba rozpatrywać w odniesieniu do konkretnego zastosowania, bez przypisywania całej grupie materiałów jednej dopuszczalnej temperatury pracy. Poliimid, wspomniany także w kontekście obudowywania, jest materiałem wykorzystywanym w elastycznych PCB. To jednak inna funkcja niż osłanianie struktury układu.
Osobną techniką jest łączenie płytek półprzewodnikowych, stosowane między innymi przy wytwarzaniu układów mikroelektromechanicznych MEMS. Pozwala tworzyć osłony wrażliwych struktur już na poziomie płytki półprzewodnikowej. Nie jest to to samo co lutowanie gotowego elementu do PCB.
Montaż przewlekany, powierzchniowy i obudowy CSP
W montażu przewlekanym wyprowadzenia komponentu przechodzą przez otwory w płytce i są lutowane do pól miedzianych. Przykładem jest DIP. W montażu powierzchniowym połączenie powstaje bezpośrednio na powierzchni PCB. Do tej grupy należą SOIC, QFP, QFN i BGA. Określenie SMT oznacza technologię montażu powierzchniowego, natomiast SMD odnosi się do elementu przeznaczonego do takiego montażu.
Różnice dotyczą również kształtu połączeń. SOIC i QFP mają wyprowadzenia wystające poza korpus. W QFN pola kontaktowe znajdują się przy krawędziach obudowy, bez wystających nóżek. BGA wykorzystuje kulki lutownicze rozmieszczone na spodzie, dzięki czemu połączenia zajmują powierzchnię obudowy, a nie tylko jej obwód.
CSP oznacza obudowę o wymiarach zbliżonych do samej struktury półprzewodnikowej. Dostępne są także warianty wykonywane na poziomie płytki półprzewodnikowej. Określenie CSP opisuje zatem stopień miniaturyzacji; nie zastępuje dokumentacji konkretnego elementu ani informacji o jego polach kontaktowych.
Porównanie rodzin obudów i rozmieszczenia wyprowadzeń
Poniższe zestawienie pomaga rozpoznać podstawowe rozwiązania. Nie podaje jednej liczby wyprowadzeń dla całej rodziny, ponieważ trzeba ją sprawdzić dla wybranego układu.
| Rodzina | Sposób montażu | Cechy połączenia z PCB |
|---|---|---|
| DIP | Przewlekany | Wyprowadzenia przechodzą przez otwory w płytce. |
| SOIC | Powierzchniowy | Krótkie, uformowane wyprowadzenia wystają poza korpus. |
| QFP | Powierzchniowy | Wyprowadzenia rozmieszczono na czterech bokach. |
| QFN | Powierzchniowy | Pola kontaktowe znajdują się przy czterech bokach; brak wystających wyprowadzeń. |
| BGA | Powierzchniowy | Kulki lutownicze tworzą siatkę na spodzie obudowy. |
| CSP | Powierzchniowy | Obudowa ma rozmiar zbliżony do struktury; układ styków zależy od wykonania. |
SOIC zajmuje powierzchnię o około 30–50% mniejszą niż równoważna obudowa DIP, a jej typowa grubość jest mniejsza o około 70%. To ogólne porównanie rodzin, nie zestaw wymiarów do projektowania pól lutowniczych. Rysunek obudowy konkretnego układu pozostaje podstawą doboru miejsca na płytce.
Raster BGA: przykład obliczeniowy
Raster określa odległość między środkami sąsiednich połączeń w siatce. W przykładzie obliczeniowym przyjmijmy raster 1,27 mm, podany dla obudowy Micro-FCBGA firmy Intel. Przeliczenie odległości jednego cala, czyli 25,4 mm, na liczbę odstępów rastra ma postać:
N = L / p = 25,4 mm / 1,27 mm = 20, gdzie L jest rozpatrywaną długością, a p — rastrem.
Wynik oznacza 20 odstępów rastra na cal długości. Nie jest to całkowita liczba kulek obudowy ani informacja o ich średnicy. Nie określa też automatycznie liczby kulek w konkretnym rzędzie. Do ustalenia rozmieszczenia wszystkich połączeń potrzebny jest rysunek danego komponentu. Nie należy przenosić tego przykładowego rastra na każdą obudowę BGA.
BGA: odprowadzanie ciepła i naprężenia połączeń
Rozmieszczenie kulek na powierzchni pozwala uzyskać dużą gęstość połączeń, nawet przy setkach wyprowadzeń. Krótka droga między obudową a PCB sprzyja niskiej indukcyjności wyprowadzeń. Do zalet BGA należy również niska rezystancja cieplna między obudową a płytką, ułatwiająca przekazywanie ciepła.
Korzyści te trzeba zestawić z zachowaniem mechanicznym połączeń. Kulki lutownicze nie uginają się tak jak długie wyprowadzenia. Naprężenia cieplne i mechaniczne mogą więc prowadzić do pęknięć połączeń. Przy doborze BGA należy rozpatrywać wspólnie obudowę, płytkę i warunki pracy urządzenia.
Nie warto wybierać obudowy wyłącznie na podstawie ogólnego porównania tworzywa z ceramiką. Istotne jest to, jak ciepło przepływa przez konkretną konstrukcję i jak połączenia zachowują się podczas eksploatacji. Mniejszy korpus lub większa liczba wyprowadzeń nie stanowią samodzielnego potwierdzenia, że układ spełni wymagania cieplne projektu.
Montaż i kontrola połączeń BGA
Podczas lutowania rozpływowego napięcie powierzchniowe stopionego lutowia pomaga samoczynnie wycentrować obudowę BGA. Nie oznacza to jednak, że każda kulka utworzy poprawne połączenie. Po zakończeniu montażu złącza są ukryte pod korpusem, co utrudnia ocenę ich stanu.
Ręczne lutowanie BGA jest trudne i zawodne, a właściwy montaż wymaga odpowiedniego wyposażenia. W pracach rozwojowych stosuje się również podstawki, lecz one także mogą być źródłem problemów z połączeniami. Sposób uruchamiania prototypu warto zatem ustalić przed wyborem tej obudowy.
| Metoda kontroli lub diagnostyki | Znaczenie przy BGA |
|---|---|
| Kontrola rentgenowska | Służy do oceny połączeń ukrytych pod obudową. |
| Tomografia przemysłowa CT | Jest metodą badania wewnętrznej struktury połączeń. |
| Próba z barwnikiem i oderwaniem obudowy | To niszcząca metoda analizy połączeń. |
| Test połączeń przez JTAG | Stanowi narzędzie diagnostyki elektrycznej połączeń. |
Wybór metody powinien odpowiadać pytaniu diagnostycznemu. Ocena obrazu połączenia i sprawdzenie jego działania elektrycznego dostarczają różnych informacji. W planie kontroli trzeba również uwzględnić, czy badany zespół ma pozostać dostępny do dalszego użytkowania.
Lista kontrolna przed wyborem obudowy
Dobór obudowy najlepiej połączyć z planowaniem płytki i montażu. Przed zatwierdzeniem komponentu sprawdź następujące kwestie:
- Połączenia: ustal wymaganą liczbę wyprowadzeń i sprawdź ich rozmieszczenie w dokumentacji układu. Sama nazwa rodziny nie wystarcza.
- Miejsce na PCB: porównaj wymiary konkretnej obudowy. Ogólne zalety miniaturyzacji SOIC lub CSP nie zastępują rysunku wymiarowego.
- Montaż: określ, czy projekt przewiduje elementy przewlekane, powierzchniowe czy oba rodzaje. Dla BGA potwierdź dostępność odpowiedniego wyposażenia.
- Ciepło: uwzględnij drogę odprowadzania ciepła ze struktury przez obudowę i płytkę. Nie oceniaj jej wyłącznie na podstawie materiału korpusu.
- Naprężenia: rozważ warunki mechaniczne i cieplne pracy urządzenia, zwłaszcza gdy połączenia wykonano w postaci kulek BGA.
- Kontrola: uzgodnij metodę oceny połączeń ukrytych pod obudową oraz możliwość diagnostyki elektrycznej.
- Prototyp: zaplanuj montaż i uruchomienie. Jeśli przewidziano podstawkę, uwzględnij jej niezawodność połączeniową.
Tak przygotowany wybór uwzględnia zarówno działanie układu, jak i możliwości jego wykonania oraz sprawdzenia. Pozwala też wskazać wymagania, które trzeba uzgodnić z wykonawcą montażu przed przygotowaniem płytki.
FAQ — pytania o obudowy układów scalonych
Czy obudowa służy tylko do ochrony struktury?
Nie. Zapewnia również połączenia elektryczne z PCB i uczestniczy w odprowadzaniu ciepła. Jej konstrukcja wpływa na sposób montażu i kontroli gotowego zespołu.
Czym różni się QFN od QFP?
QFP ma wyprowadzenia wystające z czterech boków korpusu. QFN nie ma wystających nóżek; połączenie z płytką zapewniają pola kontaktowe przy krawędziach obudowy.
Czy raster wystarcza do zaprojektowania montażu BGA?
Nie. Raster opisuje odstęp między sąsiednimi połączeniami. Do projektu potrzebne są także rozmieszczenie połączeń i wymiary konkretnego komponentu, odczytane z jego dokumentacji.
Dlaczego oględziny BGA po lutowaniu są niewystarczające?
Kulki znajdują się pod obudową, więc nie można ocenić wszystkich połączeń z zewnątrz. Stosuje się kontrolę rentgenowską oraz inne metody diagnostyczne dobrane do rodzaju poszukiwanej wady.
Podsumowanie
Obudowa układu scalonego łączy ochronę struktury, połączenia elektryczne i odprowadzanie ciepła. DIP, SOIC, QFP, QFN, BGA i CSP odpowiadają na różne potrzeby montażowe i przestrzenne. Wybierając konkretny wariant, sprawdź dokumentację komponentu, warunki pracy oraz dostępne metody montażu i kontroli. W przypadku BGA szczególnego znaczenia nabierają naprężenia oraz ocena ukrytych połączeń lutowanych.
