10.2. Корпуса имс и их конструкции

Корпус служит для защиты полупроводникового кристалла от различных воздействий окружающей среды, включая повы­шенную влажность, механические нагрузки, электромагнитные излучения, воздействие агрессивных химических веществ и т.д. Он должен обеспечивать коммутацию электрических сигналов и подвод электропитания к элементам, расположенным на и в объеме кристалла, отводить выделяемое им тепло, допускать проверку электрических параметров микросхемы и применение высокопроизводительных, в том числе автоматизированных, процессов сборки ИМС и их монтажа в аппаратуру. Корпус ИМС должен сохранять ее работоспособность при повышенна (до 125 °С и более) и пониженных (до -60 °С) температурах. Такие разнообразные функции корпусов довольно жестко регламенти­руют номенклатуру используемых материалов, а также основ­ные конструктивно-технологические решения, которые лежат в основе изготовления корпусов.

В зависимости от требований, предъявляемых к полупровод­никовым приборам, корпуса могут быть герметичными и негер­метичными. Применяют также бескорпусные полупроводнико­вые приборы, представляющие собой кристалл (плату) с элект­родными выводами. Для закрепления выводов и защиты крис­талла (платы) его заливают пластмассой (компаундом). После монтажа в аппаратуре бескорпусные приборы вместе с другими элементами схемы обычно опрессовывают пластмассой.

Корпуса ИМС классифицируют по назначению, свойствам помещаемых в корпус полупроводниковых приборов, конструкции и материалу изоляторов, методу герметизации, тепловому сопро-тивлению.

В зависимости от назначения корпуса бывают для диодов, транзисторов, интегральных микросхем, оптических приборов, модулей и других устройств.

В зависимости от свойств помещаемого полупроводникового прибора и мощности рассеивания корпуса бывают для жало-мощных, средней и большой мощности, а по частотным свойст­вам — для низкочастотных, средней, высокой и сверхвысокой частоты изделий.

В зависимости от конструкции изоляторов корпуса бывают с одиночными и несколькими выводами, проходящими через одну изолирующую деталь, а также чашечного типа, с отдельными проходными, скрытыми внутри изолятора, наружными одно- и многорядными выводами.

В зависимости от того, какой материал в конструкции кор­пуса служит механической опорой для монтируемого кристал­ла и каким осуществляется изоляция выводов, корпуса, приня­то делить на керамические, металлокерамические, металлостек-лянные, стеклокерамические, пластмассовые, стеклянные.

По методу герметизации корпуса подразделяются на герметизируемые контурной контактной электросваркой, холод­ной сваркой, пайкой, стеклом, пластмассой, клеем и т.д.

Загерметизированный корпус образует замкнутый объем, в котором располагается кристалл и соединяющие его с внутрен­ними контактными площадками корпуса (траверсами) прово­лочные проводники. Вместо разварки проволокой применяются также методы электрического соединения кристалла с корпусом с помощью балочных или столбиковых выводов. Корпус любого типа состоит из основания (с выводами) или подложки, вывод­ной рамки (когда поставляется подложка без выводов) и крыш­ки, используемой для герметизации ИМС.

Каждый из перечисленных выше типов корпусов имеет свои достоинства и недостатки (табл. 10.1), однако в целом принято считать, что наиболее надежными являются керамические кор­пуса, несколько уступают им металлостеклянные и стеклокера­мические. Вместе с тем большинство керамических корпусов (особенно многовыводных) имеют недостаточную для получения высокого быстродействия микросхем проводимость выводов вследствие использования в конструкции печатных проводни­ков из тугоплавких высокоомных металлов, а также высокую стоимость обусловленную значительным расходом драгоценных металлов (припои, покрытия).

Под пластмассовыми корпусами понимают такой способ сбор­ки, когда кристалл монтируется на выводную рамку (имеющую в центре не пустое пространство, как в стеклокерамических кор­пусах, а прямоугольную площадку-держатель), а затем гермети­зируется заливкой жидкими компаундами или опрессовкой по­рошкообразными пресс-композициями. При этом корпус обра­зует с кристаллом монолитное (без внутреннего воздушного объе­ма) тело, которое может повторять форму любых корпусов с тем же числом выводов.

Пластмассовые корпуса приобрели большую популярность благодаря низкой стоимости герметизирующих полимерных материалов, простой, легко автоматизируемой технологии груп­повой сборки ИМС, высокой механической прочности и малой массе корпуса. Однако герметизация пластмассой не обеспечи­вает надежной защиты кристалла в условиях эксплуатации ИМС

при повышенных значениях влажности и температуры окружа­ющей среды. Влагопроницаемость полимерных материалов, на­личие в них агрессивных примесей, мигрирующих с влагой к кристаллу, приводят к коррозии металлических покрытий, а низкая теплопроводность пластмассы затрудняет отвод тепла. Поэтому пластмассовые корпуса используются для массовых се­рий микросхем с малой рассеиваемой мощностью, рассчитанных на работу при нормальной и низкой влажности в ограниченном диапазоне температур окружающей среды. Старение полимерных материалов также снижает надежность ИМС при длительных сроках хранения и эксплуатации. Разработаны и применяются более надежные, хотя и более трудоемкие в изготовлении пласт­массовые корпуса с полым внутренним объемом, конструктивно близкие к металлостеклянным и металлокерамическим корпу­сам.

Конструкции корпусов ИМС отличаются большим разнообра­зием, большинство их стандартизировано и разбито по конст­руктивным типам. Отличительными признаками последних, независимо от технологического варианта изготовления, являются форма корпуса и расположение выводов. С этими признаками связан выбор способа монтажа изделий и конструкции печат­ной платы. В настоящее время известны и широко используют­ся семь типов корпусов (табл. 10.2).

Одним из первых для ИМС был применен металлостеклян-ный корпус с круглой крышкой и штырьковыми выводами, расположенными перпендикулярно основанию корпуса, как пра­вило, по окружности. Такие корпуса типов TO-3 (с фланцем в качестве теплоотвода), TO-5, ТО-8, ТО-78 и ТО-99 неудобны для проверки электрических параметров схем и монтажа на печат­ные платы. Гибкие проволочные выводы корпусов типа TO-5 легко перепутать, они часто ломаются при испытаниях или сбор­ке изделий.

Поэтому созданные в 1965 г. фирмой Fairchild (США) DIP-корпуса с жесткими выводами быстро стали популярными и до сих пор остаются самыми массовыми. Габариты корпусов этого типа зависят от числа выводов в ряду и расстояния между их рядами (растра). Растр, как и шаг 2,54 мм между выводами в

ряду, стандартизован и равен 7,62 мм для корпусов с числом выводов от 8 до 20 и 15,24 мм - при числе выводов от 24 до 64. Применяются две разновидности DIP-корпусов: с выводами, припаянными к керамическому телу корпуса, и выступающими за него, последние из которых формируются до или после сбор­ки ИМС под углом 90° к телу корпуса. Такие выводы имеют все DIP-корпуса в стеклокерамическом или пластмассовом вариан­тах изготовления и некоторые конструкции керамических кор­пусов. Естественно, что при одном и том же растре корпуса с припаянными выводами имеют несколько более широкое тело, что допускает монтаж кристалла больших габаритов.

Таблица 10.2

Стремясь уменьшить длину DIР-корпуса с большим числом выводов при сохранении его общей конфигураций и стандарт­ного шага 2,54 мм, изготовители корпусов разработали и вне­дрили его QUIP-модификацию с ленточными выводами, припа­янными к телу корпуса или выходящими из середины боковых

сторон пластмассового или стеклокерамического корпуса с ша­гом 1,27 мм. После сборки ИМС они формуются под прямым углом в четыре ряда и располагаются при этом в каждом со­седнем ряду в шахматном порядке с шагом 2,54 мм.

Другой стандартизированный тип корпуса (плоский) при поставке может ничем не отличаться от корпуса QUIP, он имеет гибкие ленточные выводы, параллельные основанию корпуса с шагом 1,27 мм, но при монтаже ИМС на печатные платы эти выводы S-образыо изгибают или не формуют совсем, если они припаяны под основанием корпуса. В обоих случаях ИМС при­паивают к контактным площадкам печатной платы внахлест. При таком способе сборки РЭА ИМС могут располагаться на поверхности платы (или теплоотвода) без зазора, благодаря чему достигается хороший кондуктивный отвод тепла от кристалла и обеспечивается меньшая, по сравнению с корпусами DIP и QUIP, высота ИМС на плате.

Высоконадежные плоские корпуса, включая керамические и металлостеклянные, пользуются большим спросом изготовите­лей военной и авиакосмической аппаратуры. В последние годы в связи с расширением применения метода поверхностного монта­жа и возрастанием требований к миниатюризации коммерчес­кой аппаратуры внедряются плоские корпуса с четырехсторон­ним расположением выводов и расстоянием между ними 0,635 мм, причем среди которых не только керамические, но и более дешевые стеклокерамические и пластмассовые корпуса.

Наиболее обширное семейство корпусов ИМС - кристалле-носители. Это, вероятно, самый быстроразвивающийся тип корпусов. Авторство в их изобретении принадлежит фирме ЗМ, которая в 1972 г. запатентовала, а с 1975 г. стала применять кристаллоносители в своих разработках.

Однако при сборке СБИС с числом выводов свыше 100 кри­сталлоносители уступают матричным корпусам, которые, начи­ная с конца 60-х годов, выпускает и применяет в производстве ЭВМ фирма IBM (США). Отличные массо-габаритные и элект­рические характеристики этих корпусов обусловлены особенно­стями расположения штырьковых выводов (или контактов), бла­годаря которым при одинаковом числе выводов основание мат-

ричного корпуса по площади меньше кристаллоносителя. Так, 160-выводной корпус с шагом матрицы 2,54 мм занимает ме­нее половины площади, необходимой для монтажа кристалло­носителя с таким же числом контактов и шагом между ними 1,27 мм. Выпускается несколько вариантов корпусов: с матри­цей выводов, занимающей всю нижнюю плоскость основания, с выводами, обращенными в ту же сторону, что и монтажный колодец (неполная матрица выводов); с двумя массивами выво­дов (разделенная матрица).

Матричные корпуса сложнее в изготовлении кристаллоноси-телей в связи с тем, что они выполняются спеканием несколь­ких слоев керамики, и поэтому дороже их примерно в 1,5-2,0 раза. Кроме того, для монтажа ИМС в таких корпусах требуют­ся многослойные печатные платы, стоимость которых высока; недостатком является также невозможность визуальной про­верки качества паяных контактов, расположенных внутри мат­рицы. Наряду с керамическими, созданы конструкции металло-стеклянных корпусов этого типа, не уступающих первым в надежности, но более дешевых и удобных в производстве.

Развитие техники корпусирования осуществляется в направлении увеличения числа выводов, уменьшения расстоя­ния между выводами и снижения общих размеров корпусов. Мировая электронная промышленность около 90 % всех при­боров выпускает в пластмассовых и до 10 % - в керамических корпусах.

Технологические изменения, связанные с поверхностным монтажом, которые начались с пассивных компонентов, все бо­лее распространяются и на ИМС Наблюдается годовой рост объема продаж приборов, выполненных по технологии монтажа на поверхность, по сравнению с приборами для монтажа в от­верстия;

Сохраняется тенденция к увеличению числа выводов, кото­рая наиболее отчетливо проявляется в заказных ИМС, вентиль­ных матрицах и микропроцессорах.

Ведущие ассоциации и организации по стандартизации, та­кие как EIAJ в Японии и JEDEC в США, проводят большие работы в области нормирования параметров корпусов. Ведущее

положение в области разработки новых корпусов, особенно для бытовой аппаратуры, занимает Япония. Основными направле­ниями в стандартизации JEDEC являются переход на метричес­кую, систему, уменьшение расстояния (шага) между выводами, уменьшение длины выводов, снижение зазора корпус - плата и толщины корпусов.

Применение плоских корпусов у изготовителей аппаратуры связано с определенными трудностями, что является результа­том снижения расстояния между выводами и увеличением их числа.

Основной проблемой, сдерживающей широкое применение корпусов с шагом меньше 0,5 мм, является миниатюрность выво­дов и необходимость обеспечения их высокой компланарности. Отклонение от нормального положения хотя бы одного вывода приводит к отказу аппаратуры.

В разных странах проблема решается различными способа­ми. Так, при малом числе выводов такие корпуса поставляются в лентах, а при большом числе выводов - в поддонах. Таким образом фирмы-изготовители корпусов идут по пути совершен­ствования существующей технологии, не меняя системы взаим­ных отношений между изготовителями и потребителями элект-ронных компонентов.

В США существует другой подход к решению проблемы. Эле­ктронные фирмы поставляют ИМС в плоских корпусах с защит­ной рамкой, которая удаляется изготовителем аппаратуры пе­ред монтажом схемы на плату. Таким образом, проблемы, свя­занные о сохранением формы и компланарности выводов, пере­ложены с изготовителей ИМС на разработчиков аппаратуры.

По сравнению с монтажом в отверстия технология монтажа на поверхность создает в компонентах в процессе пайки более высокие термомеханические напряжения. При пайке оп­лавлением в пластмассовых корпусах больших размеров в резуль­тате испарения поглощенной ранее влаги возможно возникнове­ние эффекта «воздушной кукурузы», что может привести к появ­лению трещин как в корпусе, так и в кристалле. По этой при­чине ИМС в больших корпусах обычно поставляются во влаго­непроницаемой упаковке.