Съвременни корпуси на интегрални схеми и мощни транзистори

ЕлектроникаСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 6, 2009

Параметрите на полупроводниковите прибори в значителна степен зависят от техните корпуси, което обяснява усилията през последното десетилетие за създаване на много нови техни конструкции и постигнатите действително впечатляващи резултати. От голямото разнообразие на съвременни корпуси в статията се разглеждат най-съществените за цифрови и аналогови интегрални схеми в реда на тяхната историческа поява, както и тези на мощни MOS транзистори.

Основни изисквания към съвременните корпуси
Стремежът за намаляване на размерите и теглото на електронните устройства логично изисква малки градивни елементи. Същото се отнася и за всякакви управляващи електронни блокове, вграждани в индустриални машини, електрически инструменти и битови електроуреди. В първите десетилетия от съществуването на ИС размерите на техните корпуси имаха площ няколко десетки пъти по-голяма от тази на чипа им, докато днес преобладават тези с разлика под 2 пъти.
Идея за намаляването на размерите през последните години е дадена на фиг. 1, най-отдолу на която е заеманата площ от корпуса върху печатната платка. Съществуват международни норми с препоръчителни размери на корпусите, например JEDEC MO220 и JEDEC MO229.
Второто изискване е за намаляване на топлинните съпротивления, като за ИС сравнително рядко се използва това чип-корпус (qJС), но то е важно за приборите, монтирани върху радиатор. При определяне на топлинното съпротивление чип-околна среда (qJA) производителите обикновено взимат предвид всички пътища за предаване на топлината от чипа в околното пространство, а експериментално го измерват с тестова печатна платка, определена от стандарта JETEC 51. От всички пътища два са най-важни – през корпуса и през изводите, като qJA расте с намаляване на размерите на корпуса, а при даден корпус намалява с увеличаване на броя на изводите. Материалът на изводите също влияе на  qJA - при равни други условия то е най-малко при медни изводи. От друга страна намаляването на дължината на изводите увеличава qJA. Този ефект е особено подчертан при корпусите с изводи за платки с отвори - изрязването на част от тях след запояване увеличава qJA. В случаите, когато ИС се поставя върху цокъл вместо обикновеното запояване върху печатната платка, стойността на qJA намалява с 5-10%. Реално размерите на печатната платка, видът на елементите върху нея и работният им режим, както и начинът на монтирането й също имат принос за температурата на чипа. Например сбитият монтаж на елементите върху платката може да обуслови допълнително нагряване на чипа. В такива случаи е полезно да се използва еквивалентната схема на фиг. 2, която показва двата основни пътя на предаване на топлината от чипа на монтиран върху платка прибор към околната среда. В нея RC e споменатото qJС, RCA е топлинното съпротивление корпус-околна среда (Thermal Resistance Case-to-Ambiant) qСA  на прибора, RB e топлинното съпротивление между корпуса на прибора и платката, ТВ е нейната температура и RBA е топлинното съпротивление платка-околна среда. В някои каталози се дава топлинното съпротивление чип-платка (Thermal Resistance Junction-to-Board) qJB, което позволява определянето на стойността на RB.
Всички тези особености показват, че реално qJA може да се окаже по-голямо или по-малко от даденото в каталога, поради което те трябва да се имат предвид при използване на qJA за изчисляване на максималната разсейвана мощност от даден корпус.
Значително намаляване на qJA се постига при корпусите с вградена охлаждаща пластинка. Тя се свързва към чипа чрез подходяща епоксидна смола и отнема основната част от топлината му, което често се оценява чрез параметъра топлинно съпротивление корпус-пластинка (Thermal Resistance Junction-to-Pad) qJP. При запояването на пластинката върху подходящо островче на печатната платка може да се получи qJР до десетина пъти по-малко от qJA на същия корпус без пластинката.
Трето изискване към корпусите е да способстват за увеличаване на бързодействието на цифровите прибори и максималната работна честота на аналоговите прибори. Върху тези параметри на ИС влияние оказва собствената паразитна индуктивност на входните и изходните изводи, към която се прибавя и взаимната индуктивност, когато те са диференциални. По принцип намаляването на тези индуктивности става чрез скъсяване на изводите, но те практически не зависят от дебелината им. Влияние имат и паразитните капацитети на входните и изходните изводи, които са право пропорционални на дължината им и обратно пропорционални на разстоянието между тях. Това е принципен недостатък на съвременния стремеж за сближаване на изводите с цел по-малки размери на корпуса. Данни за паразитните индуктивности и капацитети, както и за съпротивлението на изводите обикновено не се дават в каталозите, но някои производители ги публикуват отделно в сайтовете си.
Не на последно място е повишаването на надеждността на приборите, оценявана чрез параметъра време до първата повреда (MTBF). Неговото увеличаване изисква по-стабилни в електрически и механичен аспект връзки между чипа и изводите и на изводите с печатната платка, както и на тези в самия чип. Особено съществено е, че MTBF намалява по експонента с увеличаване на температурата на чипа, което допълнително подчертава необходимостта от малки топлинни съпротивления на корпуса. Някои производители дават формули и графики за определянето на MTBF в зависимост от температурата.
За апаратури, предназначени за работа в опасна среда, съществуват херметизирани корпуси (Hermetic Package) за ИС и транзистори, които не позволяват проникването на газове и течности до чипа и най-често са с изводи за платки с отвори или за повърхнинен монтаж. Три са основните разновидности на херметизирани корпуси. Исторически най-стари са металните корпуси (Metal Can Package) с уплътнение на изводите чрез стъкло. Те са сравнително евтини, а броят на изводите е до 24. С подобна цена, но практически без ограничение на броя на изводите са корпусите от пресована керамика (Pressed Ceramic Package). В съответствие с наименованието им те се изработват чрез пресоване и изпичане на прахообразна керамика, а херметизацията на изводите се осъществява подобно на предния вид.
Многослойните керамични корпуси (Multilayer Ceramic Package) се изработват от няколко керамични ленти, метализирани от едната страна и съединявани чрез изпичане. Слоевете метализация могат да се използват като екрани, захранваща шина или шина на масата, както и за предавателна линия с точно определен импеданс. Херметизацията се осъществява чрез запояване на подходящи метални пръстени. Два примера за външния вид на такива корпуси са дадени на фиг. 3, като тези на фиг. 3б са известни като Ceramic Pin Grid Array (CPGA).
Корпуси с изводи за платки с отвори (Through Hole Package)
Независимо че двуредови разновидности (Dual Inline Package) DIP съществуват много отдавна, те продължават да се използват в съвременните апаратури. Класическите пластмасови корпуси (Plastic DIP) PDIP са с 4 до 40 извода, като в зависимост от широчината съществуват тесни (7,62 mm) и широки корпуси (15,2 mm). Разновидност са MDIP (Molded DIP), чийто корпус се оформя чрез заливане на носещото дъно с монтирания върху него чип и изводите (фиг. 4). Сред предимствата на корпуса са голямата надеждност и безпроблемното автоматично монтиране върху платки. Специфичен вид са корпусите с липсващи средни изводи, например при тези с 14 извода не е поставен 4-тият. Произвеждат се и херметизирани корпуси с голяма надеждност. Най-важната им особеност е връзката между чипа и изводите на ИС без проводници (Leadless Chip Carrier) CIC. Значително е приложението на керамичните корпуси (Ceramic DIP) CerDIP с 8-40 извода и на керамичните с покрита с бронз долна част (Bottom-Brazed CerDIP) или горна част (Side-Brazed CerDIP), които са с 8-48 извода. Външният вид на корпус от последния вид е даден на фиг. 5. Използват се, макар и твърде рядко, метални корпуси (Metal DIP), например с 24 извода.
Някои мощни ИС използват други видове двуредови корпуси с изводи от тясната им страна, позволяващи вертикално монтиране с цел подобряване на охлаждането. Обикновено те са с вградена метална пластинка за свързване към радиатор. На фиг. 6 е даден външният вид на корпуса ТО-247 от този тип.

Корпуси с изводи за повърхнинен монтаж (SMD)
Техните предимства са доказани отдавна - няколко пъти по-малка площ, над 10 пъти по-малко тегло, обуславящо по-добра издръжливост на удари и вибрации, по-малки разходи при автоматичен монтаж, намалени паразитни индуктивности и капацитети на изводите. Поради малките размери се използват и наименованията SO (Small Outline), SOP (SO Package) и SOIC (SO Integrated Circuit). Изводите на корпусите са два вида, като дадените на фиг. 7 са Gullwing, а тези на фиг. 3а – J Leaded.
В зависимост от това колко от страните на корпуса са с изводи съществуват три разновидности. Със сравнително ограничено приложение са едноредовите корпуси, които обикновено имат 3 до 9 извода (фиг. 7).
Двуредовите корпуси са само с изводи Gullwing и имат много разновидности. Сред първите появили са корпусите SO, които са тесни (3,81 mm) и широки (7,62 mm). Първите обикновено са с 8, 14 и 16 извода, а вторите с 16 до 28 извода. Подобни са корпусите SOIC с разстояние между изводите 1,27 mm, брой 8-28 и същите тясна и широка разновидност. Други видове са миниатюрните корпуси (Micro SOP) MSOP с разстояние между изводите 0,65 или 0,5 mm и техен брой от 8 до 16. Също с широчина 3,81 mm са корпусите SSOP (от ShrinkSOP) с 16-44 извода и разстояние между тях 0,635 mm, както и подобните им QSOP с разстояние между изводите 0,635 mm и брой 16-28. Създадени са и по-тънки корпуси от изброените. Първият е TSSOP (Thin SSOP) с дебелина 1,2 mm, площ с около 30% по-малка от тази на SSOP и брой на изводите между 14 и 56. Означението TSSOP-EP (ЕР от Exposed Pad) е за корпуси с вградена охлаждаща пластинка, чийто брой на изводите обикновено е между 16 и 28. Същата дебелина имат и корпусите TVSOP (Twin Very SOP), но площта им е с около 50% по-малка от тази на SSOP. Освен това те са с намалено до 0,4 mm разстояние между изводите, което позволява увеличаване на броя им (между 14 и 100).
Корпусите с изводи от четирите страни като правило са квадратни и се означават с QFP (от Quad Flat Pack). Една от съвременните им разновидности с 240 извода и кръгла охлаждаща пластинка е дадена на фиг. 8. С точка е отбелязан извод 1, а номерацията им е в посока обратна на часовниковата стрелка. Няколко са основните им разновидности. С MQFP (Metric QFP) се отбeлязва корпусът с типично разстояние между изводите 0,2 mm и техен брой между 44 и 304. Дебелината му може да е  2, 2,7 и 3,5 mm. С намалена до 1,4 mm дебелина е корпусът LPQFP (Low Profile QFP), разстоянието между чиито изводи е 0,65 mm, а броят им е от 52 до 208. С дебелина 1 mm е TQPF (Thin QFP), който е с разстояние между изводите 0,5 mm и брой от 32 до 100. И накрая е керамичният корпус CQFP (Ceramic QFP) с 240 и 308 извода. Четирите вида корпуси имат разновидност с вградена охлаждаща пластинка в долната си част.
Важна особеност на разгледаните дотук корпуси е връзката на чипа с изводите на ИС чрез проводници (фиг. 9) с дължина 1 – 5 mm и дебелина около 30 um. Показаното на фигурата разположение на чипа е за корпуси без охлаждаща пластинка, докато при тези с пластинка той е монтиран върху нея в долната страна.

Корпуси без изводи (Leadless Leadframe Package) LLP
Това не особено правилно наименование означава, че изводите представляват метализирани островчета от долната страна на корпуса (вдясно на фиг. 10), които не излизат извън него и съответно площта, заемана от ИС върху печатната платка, е равна на тази на корпуса. Същевременно последната е малко по-голяма от тази на самия чип, поради което корпусите са в категорията Chip Scale Package (CSP). По определение тяхната дължина и широчина са с не повече от 20% по-големи от тези на чипа. Някои производители наричат корпусите Lead Frame CSP (LFCSP). Островчетата на корпуса на фиг. 10а достигат до края му и затова той е от вида no Pullback configuration, докато в Pullback configuration те са на 0,1 mm от края. Тези особености трябва да се взимат предвид при изработването на печатната платка. Разрез на типичен корпус е даден вляво на фиг. 10, където се вижда класическата връзка със златни проводници между чипа и изводите на корпуса. Често в долната част на излятия пластмасов корпус се поставя охлаждаща медна пластинка, към която се прикрепва чипът с топлопроводяща смола. Запояването на пластинката към печатната платка подобрява охлаждането. Освен малката заемана площ предимство на LLP са увеличеното бързодействие поради по-малките индуктивности на изводите (около 1 nH) и малките паразитни капацитети между тях (няколко десети от pF), намаленото тегло, както и възможността монтажът върху платки да се извършва с технологичното оборудване за SMD. Очевидно е, че основните приложения на тези корпуси са в малки електронни устройства - така например обемът на електрониката, необходим за работа на акумулатора на GSM апарат е около 8 пъти по-малък при реализацията й с прибори без корпус в сравнение с използването на такива за повърхнинен монтаж.
Формата на корпусите може да е правоъгълна или квадратна. При двуредовите (Dual Flat No Lead, DFN) броят на изводите е 3 - 32, а при тези с изводи от четирите страни (Quad Flat No Lead, QFN) - между 8 и 100. И при двата вида дължината на страна на корпуса е между 1,3 и 12 mm, а типичната дебелина е 0,6 - 0,9 mm, докато при свърхтънките корпуси (Ultra Thin QFN) тя е 0,4 mm. Разновидност са керамичните корпуси (Ceramic Leadless) LCC с 8 – 44 извода. Друг вид са корпусите с ламинирана основа (Laminate Substrate CSP), част от които с 80-176 извода имат по два реда на всяка страна (Dual Row CSP).
Спецификата на изводите налага внимателно изработване на печатната платка, за което в каталозите на ИС или в Application Notes обикновено се дават подробни сведения. Същото се отнася и за разглежданите по-нататък корпуси.

Корпуси със сачмени изводи (Ball Grid Array) BGA
Наименованието им показва вида на изводите, които са сачми с типичен диаметър 0,5 mm и височина 0,4 mm (не са сфери), а структурата е показана на фиг. 11а. Вижда се, че основата на корпуса има отвори (типичен диаметър 0,375 mm), през които сачмите са свързани с медни лентички (широчина 0,1 mm и разстояние между тях 0,2 mm), а чрез златни проводници последните се съединяват с чипа. Сачмите могат да заемат цялата площ на корпуса или част от нея с разстояние между тях 0,5; 0,65; 0,75; 0,8; 1 или 1,27 mm, като първите три са известни като микрокорпуси (mBGA), а последните два - като Easy BGA поради лесната и евтина изработка на печатната платка за монтирането им. Корпусът обикновено е пластмасов, което определя наименованието Plastic BGA (PBGA) и има дебелина между 1,56 и 2,38 mm. И тук за подобряване на охлаждането  съществуват разновидности с медна пластинка отдолу (в средата на фиг. 11б) или отгоре с наименования Enhanced BGA (EBGA) и Thermally Enhanced BGA (TSBGA). Mаксималната разсейвана мощност от корпусите е няколко десетки mW на всеки квадратен mm от площта на пластинката, а общата зависи от познатите за други ИС причини. Например корпусът 96LFBGA с 96 извода има qJA = 40°С/W и при околна температура 25°С може да разсейва мощност до 3,2 W. Корпусите са квадратни или правоъгълни с дължина на страната до 27 mm и дебелина обикновено 1,2 – 1,5 mm. Броят на изводите е между няколко десетки и 700, средната индуктивност на всеки от тях е 2-3 nH, а капацитетът им спрямо маса – няколко десети от pF. Съществуват и херметични корпуси със сачмени изводи, направени чрез пресоване на прахообразна керамика, като херметизацията на изводите се осъществява чрез заливане със стъкло на местата на преминаване през корпуса.
Основното предимство на тези корпуси е възможността за голям брой изводи без прекомерно увеличаване на размерите на корпуса и съответно площта на печатната платка. Към него се прибавят споменатите неголеми паразитни индуктивности и капацитети и използването на класическата технология за повърхнинен монтаж.
По същия начин са разположени изводите на корпусите LGA (от Land Grid Array), но те са метални островчета, а не сачми. Поради това височината на монтираната върху печатната платка ИС намалява с 0,8-1 mm. Размерите и формата им са подобни на BGA, а броят на изводите е между 10 и 200. И в случая за монтаж върху печатната платка се използва SMD технология.

Корпуси с "обърнат" монтаж на чипа (Flip Chip in Package) FсiP
Появата на технологията е в далечната 1960 г. и е използвана за печатни платки. Съвременното й приложение при монтирането на чиповете в корпуса означава поставянето им с елементите към основата на корпуса (те са “отдолу” – flipped). Структурата на корпус от този  тип е дадена на фиг. 12, която показва основната особеност на този вид монтаж. По време на производството на чипа се правят метални островчета, на които се запояват метални сачми (диаметър 0,09-0,125 mm) за изводите му с разстояние между тях до няколко десети от mm. При монтажа върху основата на корпуса те се запояват към изводите на ИС, а пространството между чипа и основата се запълва с епоксидна смола. Самият корпус се оформя чрез отливане, има дебелина между 0,8 и 1,2 mm, винаги е квадратен тип BGA, LGA или SCI с размери между 3 и 52 mm и брой на изводите 49-1900 при тяхна стъпка от 0,5 до 1 mm. Основните предимства на FciP са малките размерите и малката собствена индуктивност на изводите на ИС (дължината им е около 0,1 mm), което дава възможност за по-голямо бързодействие на ИС.
За намаляване на паразитните капацитети вече се предлагат корпуси от пластмаса с малка относителна диелектрична проницаемост (Low-k Package), чиито стойности засега са около 2,7.

Корпуси с размер, равен на подложката (Wafer Level Рackage, Wafer Level Chip Scale Package) WLCSP
Те са подобни на корпусите с “обърнат” монтаж на чипа, но безоловните сачми тук са по-големи, което осигурява възможност за запояване на корпусите върху печатната платка чрез оборудване за SMD. По тази причина някои производители означават корпусите като MicroSMD. Един от начините за поставяне на сачмите върху чипа е показан на фиг. 13а. Алуминиевото “островче” върху чипа е по-малко от диаметъра на сачмата, който от своя страна е между 0,18 mm и 0,35 mm. Предназначението на полимер 1 е да изолира сачмата от азотния пасивиращ слой, а чрез полимер 2 се определя метализираното място за поставянето й. Профилът на последното е така подбран, че при монтажа върху печатната платка да няма опасност от разливане на припоя.
Характерна особеност е средно големият брой изводи на корпусите (обикновено между 4 и 100), което определя малките им размери (типично между 0,838x0,935 mm и 3x3 mm) и другото наименование MicroCSP. Например корпус с 8 извода заема върху печатната платка 8% от площта, необходима за корпус SOIC със същия брой изводи. Дебелината на корпусите не зависи от другите им размери и е 0,46 mm при малки сачми и 0,575 mm при големи сачми. Представа за реалната големина на корпусите може да се получи от фиг. 13б, която показва, че много от тях не съдържат максимално възможният брой изводи.
Сред специфичните особености при изработката на печатната платка са двата възможни начина за оформяне на местата за запояване. Този вляво на фиг. 13в се нарича Nonsolder mask defined (NSMD) и е предпочитан, тъй като осигурява по-стабилни спойки. Даденият вдясно е Solder mask defined (SMD). И в двата случая дебелината на медните островчета на платката е 30 микрометра.

Многочипови корпуси (Stacked CSP, S-CSP, 3D Package, System-in-a-Package, SiP)
Те съдържат 2 до 9 чипа в корпус, като за осигуряване на малка площ част от тях или всичките се поставят един  върху друг. Структурата на корпус с 2 чипа е дадена на фиг. 14а, като по подобен начин се поставят и повече чипове. Пример за смесено поставяне е даден на фиг. 14б. Размерите на многочиповите корпуси са между 4 и 21 mm при минимална дебелина 0,8 mm, като самите чипове са с дебелина 50 или 75 микрометра. Разстоянието на изводите между корпусите обикновено е в границите между 0,4 и 0,8 mm. Основните приложения са за цифрови ИС, например на памети с голям обем и на комбинации на един чип памет с един чип логически схеми.
Специфична разновидност са корпусите Power QFN (PQFN), единият чип в които (Power Die) разсейва значителна мощност, а другият е маломощен. Размерите на тези корпуси са между 5x5 и 12x12 mm, а броят на изводите е 16-36 при разстояние между тях 0,65; 0,8 или 0,9 mm.

Технология корпус върху корпус (Package on Package) PoP
При нея ИС се състои от два корпуса, единият обикновено с един чип от логически схеми и другия с 1-3 чипа на памети. Пример за типична структура е даден на фиг. 15а, която показва използването на сачмени изводи за връзка между двата корпуса и на ИС с печатната платка. Засега минималното разстояние между изводите на долния корпус е 0,3 mm, но се счита за възможно неговото намаляване, докато при горния то е няколко десетки mm. Тъй като изводите между двата корпуса са заляти с пластмаса (т.нар. Through Mold Via Technology или TMV Technology) връзката им е много стабилна, което позволява използването на тънки корпуси с голяма площ. Структурата на ИС от този тип е показана на фиг. 17б, от която се вижда споменатото много малко разстояние между изводите на чипа в ИС. Полезно е да се има предвид, че ИС могат да съдържат и миниатюрни пасивни елементи извън чиповете.

Корпуси за мощни транзистори
Реално нови корпуси се създават само за MOS транзистори поради утвърдените им предимства спрямо биполярните. Появилите се през годините многобройни новости в структурата на транзисторите с резултат голямо подобрение на параметрите доведе в определен момент до странния на пръв поглед факт, че разсейваната мощност върху самия чип стана по-малка от тази в корпуса. Същевременно непрекъснато нарастваше нуждата от все по-големи техни токове и се увеличаваше отделяната мощност върху елементите на корпуса. И не на последно място необходимостта от увеличаване на бързодействието на транзисторите изискваше намаляване на паразитните капацитети и индуктивности на корпусите. Всички тези причини естествено наложиха създаването на нови корпуси.
Корпусите PQFN се използват и за мощни транзистори. Един пример е даден на фиг. 16, като с D са означени изводите на дрейна, с S са тези на сорса и G е изводът на гейта. Съществуват и корпуси, специално създадени за транзистори. На фиг. 17а е дадена структурата на корпуса DirectFET, монтиран върху печатна платка. Тя показва, че отделената върху чипа топлина се разсейва в две посоки – през охлаждащата медна пластинка на дрейна (тя е електрически свързана с него) и през пътечките на печатната платка, към която са запоени трите електрода на транзистора (външният вид на корпуса е на фиг. 17б). Резултатът е получаване на топлинно съпротивление чип-печатна платка около 1°C/W и топлинно съпротивление чип-охлаждаща пластинка около 3°C/W. Възможно е допълнително подобряване на охлаждането чрез поставяне на радиатор върху медната пластинка. Освен това значителното напречно сечение на изводите определя много малкото тяхно съпротивление (0,1 mW на дрейна), което е допълнителен фактор за намаляване на нагряването. Корпусът има още три предимства - монтира се чрез класическа SMD технология, позволява лесно успоредно свързване на транзистори върху печатната платка, например за реализация на мощни многофазни преобразуватели на постоянно в постоянно напрежение и изводи с много малка собствена индуктивност. Например MOS транзистор с максимален дрейнов ток 30 А може да работи с честоти на превключване до 2 MHz.
От типа корпуси с размер, равен на чипа е FlipFET (фиг. 18а), който също се монтира върху печатна платка със стандартнa SMD технология. Диаметърът на сачмите е 0,333 mm, а височината им - 0,256 mm. Охлаждането се осъществява основно през изводите и печатната платка, като типичното топлинно съпротивление чип-платка при площ на фолиото в мястото на запояване 63 mm2 е 10°C/W за размери на корпуса 3,12x3,12 mm и 40°C/W за 1,52x1,52 mm.
Разновидността на корпуса на фиг. 18б е предназначена основно за два последователно и противопосочно свързани MOS транзистора, използвани най-често в схемите за зареждане на литиеви акумулатори. За всеки от сорсовете са предвидени по 7 извода, а за гейтовете – по 1 (дрейновете на транзисторите са свързани, но от тях няма извод). Размерите на корпуса са 3,12x3,12 mm при топлинно съпротивление 10°C/W.




ЕКСКЛУЗИВНО

Top