Корпуса для микросхем на миллиметровых волнах

Ответ в том, что с корпусными устройствами значительно проще обращаться и они подходят для крупно­серийного производства и монтажа. Бескорпусные кристаллы требуют специального обращения в условиях чистого пространства, а на плату, содержащую такие кристаллы, очень сложно паять другие компоненты. Поэтому чипы, имеющиеся в любом коммерческом продукте, который планируется изготавливать в достаточно больших количествах, скорее всего, должны быть в соответствующем корпусе.

Поскольку 5G создает большой спрос на схемы на миллиметровых волнах (mmWave), это становится причиной дополнительных сложностей упаковки. Физические размеры корпусов становятся значительной частью длины волны, что может вызвать проблемы с резонансом. Всегда нужно принимать во внимание паразитные компоненты проводного соединения, но при более высоких частотах воздействие индуктивных паразитных компонентов может серьезно повлиять на эффективность — следовательно, проводное соединение необходимо считать неотъемлемой частью схемы.

На миллиметровых частотах могут быть использованы некоторые типы корпусов, каждый со своими плюсами и минусами, поэтому их выбор будет зависеть от конкретного устройства. Однако есть общие правила разработки, применимые ко всем видам корпусов.

Во‑первых, необходимо продумать, как корпус будет взаимодействовать и с кристаллом, и с печатной платой. Ключ к успешному корпусированию — совместная разработка схемы и корпуса, чтобы оптимизировать эффективность всего корпусного устройства, а не только самого чипа. Важно начать с того, что размер кристалла должен соответствовать размеру корпуса — это позволит сделать соединительные провода максимально короткими и снизить их индуктивность.

Паразитные компоненты проводного соединения также можно уменьшить за счет использования двух или даже трех соединительных проводов параллельно, что потребует большей соединительной площадки на схеме. Увеличение емкости большей по размеру контактной площадки может помочь улучшить РЧ-производительность корпуса за счет создания фильтра нижних частот в сочетании с индуктивностью проводного соединения. Также полезно оптимизировать емкость на печатной плате, поскольку она образует другой конец фильтра.

Формованные пластиковые корпуса — это рабочая лошадка недорогого крупносерийного производства. Технология основана на выводной рамке: тонкий лист металла с вытравленными на нем контурами множества устройств. Кристаллы обычно присоединяются с помощью проводимого эпоксида, затем на контактные площадки добавляют соединительные провода, и все устройство помещается в пластиковый формовочный компаунд. Добавление формовочного компаунда также увеличивает потери и диэлектрическую нагрузку, что необходимо учитывать в процессе проектирования.

Многие процессы предполагают пассивацию чипа, что позволяет смягчить влияние формовочного компаунда. При проектировании миллиметровых микросхем всегда применяется электромагнитное моделирование (ЭМ), и эта оптимизация должна включать в себя формовочный состав.

Упакованное в корпус устройство должно быть установлено на печатную плату, что требует тщательной разработки. Подложка печатной платы не должна быть слишком толстой, так как это делает ее дисперсионной при более высоких частотах — характеристики распространения волн зависят от частоты. Кроме того, применение тонкой подложки помогает снизить индуктивность заземления и улучшает теплопроизводительность. Для присоединения кристалла большинство миллиметровых микросхем в пластиковых корпусах имеют открытую контактную площадку, которая должна быть соединена с заземлением печатной платы. Для этого используется массив переходных отверстий, а тонкая подложка помогает сохранить низкую эффективную индуктивность заземления. Если индуктивность заземления окажется слишком высокой, вокруг микросхемы может возникнуть ответная реакция, которая ухудшит производительность и в итоге создаст проблемы со стабильностью.

Поскольку индуктивность увеличивается и с частотой, и с коэффициентом усиления, эффект от этого особенно выражен на миллиметровых частотах, что делает необходимым заземление с низкой индуктивностью. Большинство доступных на рынке усилителей миллиметрового диапазона в корпусах для поверхностного монтажа имеют коэффициент усиления около 20–25 дБ; при использовании миллиметровых усилителей с более высоким коэффициентом усиления вероятны проблемы при заключении в корпус для поверхностного монтажа.

Для некоторых устройств можно применять настраиваемую выводную рамку, предлагающую функции, упрощающие эксплуатацию при более высоких частотах. За счет заземления некоторых неиспользуемых выводов непосредственно на контактную площадку кристалла можно улучшить целостность заземляющего соединения и таким образом снизить индуктивность заземления и улучшить переход от радиочастотных портов к микросхеме. Формованные корпуса обычно предназначаются на 30–35 ГГц, но в зависимости от функциональности микросхемы они могут отлично работать и на более высоких частотах.

Пластиковые корпуса с воздушными полостями кажутся похожими на формованные, но у них есть воздушная полость над чипом, которая снижает воздействие формовочной смеси на производительность устройства. Хотя этот вид корпуса требует определенных затрат на инструменты, он предлагает лучшую радиочастотную характеристику на более высоких миллиметровых частотах и успешно используется в Plextek RFI для создания усилителей мощности на частотах до 43 ГГц. На рис. 1 показано сравнение формованного пластикового корпуса и корпуса с воздушной полостью. Оба корпуса имеют плоскую четырехугольную конфигурацию без выводов (QFN) размером 5×5 мм.

Рис. 1.
а) Формованный пластиковый QFN-корпус 5×5 мм, содержащий 28 ГГц FEM;
б) QFN-корпус с воздушной полостью 5×5 мм, содержащий 39 ГГц

На рынке также существуют керамические корпуса с открытым корпусом, демонстрирующие отличную работу до 40 ГГц. Имеющая твердое металлическое основание и воздушную полость микросхема может быть спроектирована в соответствии с размерами корпуса, что обеспечивает оптимальную РЧ-эффективность корпусированной детали. Хотя они значительно дороже пластиковых корпусов, особенно при низких объемах, но при увеличении количества издержки заметно снижаются.

Преимущество керамических корпусов в том, что они более устойчивы к окружающей среде и потенциально более герметичны. Можно разработать версии под заказ, но самой популярной версией является стандартный корпус с подтвержденной радиочастотной эффективностью. Многие открытые керамические корпуса выпускаются в формате QFN — это самый распространенный подход для миллиметровых волн.

Корпуса из слоистого материала (Laminate packages) также могут быть выполнены в формате QFN. Потенциальное преимущество данного типа корпусов состоит в том, что их можно настраивать изнутри в соответствии с размером кристалла. Кристалл устанавливается во внутреннее углубление, верхняя поверхность которого находится практически на той же высоте, что и место присоединения кристалла, это позволяет сократить длину проводов.

Такие корпуса оптимальны и для монтажа нескольких кристаллов в один корпус (рис. 2), поскольку в них можно прокладывать маршруты между микросхемами и даже устанавливать дискретную фильтрацию, не требующую дополнительных затрат. Корпуса из многослойного материала для поверхностного монтажа использовались для коммерческих продуктов на частотах до 45 ГГц.

Рис. 2. QFN-корпус из слоистого материала 10×10 мм с тремя чипами 25 ГГц FEM с дискретной фильтрацией

Корпусирование на уровне пластины в масштабе кристалла (Wafer Level Chip Scale Packaging — WL/CSP) в большей степени распространено для кремниевых микросхем, чем для GaAs. На заключительном этапе обработки добавляется «уровень перераспределения», который обеспечивает возможность маршрутизации на верхней части чипа, как на основании корпуса в масштабе кристалла. Затем микросхема переворачивается (монтаж методом перевернутого кристалла) в соответствии с формой корпуса — это снижает индуктивность не только РЧ-соединения, но и соединений от верхней части микросхемы к заземлению. В отличие от GaAs-чипов кремниевые микросхемы изначально не обладают низкой индуктивностью на панель заземления, поэтому метод перевернутого кристалла практически всегда используется в качестве средства соединения кремниевой РЧ-микросхемы с корпусом с низкими паразитными характеристиками.

И наконец, антенна в корпусе (AiP) может стать полезным решением, так как этот метод избавляет от необходимости в РЧ-порте для печатной платы, а значит, конструкцию удается сделать очень компактной. Она может содержать матрицу антенн, совмещенную с фазированной решеткой. В результате на компактном пространстве увеличивается функциональность, что весьма привлекательно для миллиметровых 5G потребительских продуктов. К недостаткам метода относится его специфичность для продукта и отсутствие возможности добавить дополнительную фильтрацию вне корпуса, то есть все требования по фильтрам должны быть предусмотрены внутри корпуса.

Нельзя недооценивать и важность проблемы проведения тестирования продуктов с миллиметровыми микросхемами. Для этих типов корпусов нужен специальный крепежный блок для проведения испытаний, минимизирующий паразитные характеристики и позволяющий выполнять калибровку по эталонным панелям корпуса. Также необходимо разработать подходящую плату нагрузок, чтобы создать реалистичные условия работы для испытания.

В заключение отметим, что корпусирование микросхем на миллиметровых волнах создает для MMIC-проектировщика ряд уникальных задач. Связанные с ними паразитные характеристики могут привести к серьезному ухудшению качества на данных частотах, но при внимательном проектировании этого можно избежать и производить корпусированные устройства для поверхностного монтажа с превосходной эффективностью и в таких объемах, которые требуются для устройств 5G.

---

Сергей Шихов,
технический директор «А-КОНТРАКТ»

Сам факт перечисления нескольких видов корпусирования показывает, как развивалась эта область электроники, находясь между требованиями потребителей, с одной стороны, и возможностями производств — с другой. Это непрерывный процесс улучшений.

С точки зрения объемной топологии элементов разработчики обладают многолетним опытом расчетов. А проверка готового элемента в действии позволяет оценить эффективность модели, что является базой для расчетов в других диапазонах частот.

Иные типы корпусов и формовочные компаунды являются новой целью для производителей, которые стремятся сохранить лидирующие позиции на современном рынке.

4. Типы корпусов микросхем

Большинство микросхем имеют корпус, т.е. прямоугольный контейнер (пластмассовый, керамический, металлокерамический) с металлическими выводами (ножками). Предложено множество различных типов корпусов, но наибольшее распространение получили два основных типа (рис. 1.5):

1. Корпус с двухрядным вертикальным расположением выводов, например: DIP (Dual In Line Package, Plastic) – пластмассовый корпус, DIC (Dual In Line Package, Ceramic) – керамический корпус. Общее название для таких корпусов – DIL. Расстояние между выводами составляет 0,1 дюйма (2,54 мм). Расстояние между рядами выводов зависит от количества выводов.

2. Корпус с двухрядным плоскостным расположением выводов, например: FP (Flat-Package, Plastic) – пластмассовый плоский корпус, FPC (Flat-Package, Ceramic) – керамический плоский корпус. Общее название для таких корпусов – Flat. Расстояние между выводами составляет 0,05 дюйма (1,27 мм) или 0,025 дюйма (0,0628 мм).

Рис. 1.5. Примеры корпусов DIL и Flat

Номера выводов всех корпусов считаются, начиная с вывода, помеченного ключом, по направлению против часовой стрелки (если смотреть на микросхему сверху). Ключом может служить вырез на одной из сторон корпуса микросхемы, точка около первого вывода или утолщение первого вывода. Первый вывод может находиться в левом нижнем углу или в правом верхнем углу (в зависимости от того, как повернут корпус). Микросхемы обычно имеют стандартное число выводов из ряда: 4, 8, 14, 16, 20, 24, 28, … Для микросхем стандартных цифровых серий используются корпуса с количеством выводов, начиная с 14.

При изображении микросхем используются сокращенные названия входных и выходных сигналов, отражающие их функцию. Эти названия располагаются на рисунке рядом с соответствующим выводом. Также на изображении микросхем указывается выполняемая ими функция (обычно в центре вверху).

Изображение микросхем иногда делят на три вертикальных поля. Левое поле относится к входным сигналам, правое – к выходным сигналам. В центральном поле помещаются название микросхемы и символы ее особенностей. Неинформационные выводы могут указываться как на левом, так и на правом поле, иногда их показывают на верхней или нижней стороне прямоугольника, изображающего микросхему.

Рис. 1.6. Обозначения входов и выходов

Инверсия сигнала обозначается кружочком на месте входа или выхода. Существуют инверсные входы и инверсные выходы (рис. 1.6). Если какая-то микросхема выполняет функцию по фронту входного сигнала, то на месте входа ставится косая черта (под углом 45°), причем наклон вправо или влево определяется тем, какой фронт – положительный или отрицательный – используется в данном случае.

Тип выхода микросхемы помечается специальным значком: выход 3С (выход с тремя состояниями или возможностью отключения) – перечеркнутым ромбом, а выход ОК (выход с открытым коллектором) – подчеркнутым ромбом.

Стандартный выход (2С) никак не помечается.

В таблице 1.4 приведены некоторые наиболее часто встречающиеся обозначения сигналов и функций микросхем. Микросхема в целом обозначается на схемах буквами DD (от английского Digital – цифровой) с соответствующим номером, например DD1, DD20.1, DD38.2 (после точки указывается номер элемента или узла внутри микросхемы).

Таблица 1.4

Обозначение	Название	Назначение
&	And	Элемент И
=1	Exclusive Or	Элемент Исключающее ИЛИ
1	Or	Элемент ИЛИ
A	Address	Адресные разряды
BF	Buffer	Буфер
C	Clock	Тактовый сигнал (строб)
CE	Clock Enable	Разрешение тактового сигнала
CT	Counter	Счетчик
CS	Chip Select	Выбор микросхемы
D	Data	Разряды данных, данные
DC	Decoder	Дешифратор
EZ	Enable Z-state	Разрешение третьего состояния
G	Generator	Генератор
I	Input	Вход
I/O	Input/Output	Вход/Выход
OE	Output Enable	Разрешение выхода
MS	Multiplexer	Мультиплексор
Q	Quit	Выход
R	Reset	Сброс (установка в нуль)
RG	Register	Регистр
S	Set	Установка в единицу
SM	Summator	Сумматор
T	Trigger	Триггер
TC	Terminal Count	Окончание счета
Z	Z-state	Третье состояние выхода

45.

Типы корпусов ИС｜Chip One Stop

Направление клемм	Тип крепления	Форма клеммы	Типичное изображение	Аббревиатура	Официальное название	Резюме
1 направление	Тип крепления вставки	Линейный		СИП	Одинарный встроенный пакет	Плотность упаковки можно увеличить, хотя она становится высокий профиль, так как поводок расположен вертикально в длинная граница упаковки. Это не только для IC, но также используется для сетевого резистора.
				SSIP	Термоусадочная одиночная поточная упаковка
				HSIP	Однорядный пакет с радиатором
		Взаимное складывание		Почтовый индекс	Пакет «зигзаг»	Он называется ZIP, потому что лид, который вышел вертикально с одной стороны устроен взаимным складыванием в форме зигзага. Хотя это напоминает SIP, шаг можно сузить, обработав лид в зигзагообразной формы, а ширина (длинная граница) может быть сужается по сравнению с SIP. Хотя он был разработан как замена DIP для повышения плотности упаковки для DRAM, а позже он был сделан для замены комплект для поверхностного монтажа TSOP. В настоящее время используется для некоторые аналоговые микросхемы.
				SZIP	Термоусадочная зигзагообразная линейная упаковка
2 направления	Тип крепления вставки	Линейный		ДИП	Двухрядный комплект	DIP был изобретен в 1965 году и был очень популярен в ИС. упаковка до 1980-х годов, так как она подходит для установки ИС. Позже он теряет свою полярность и переходит к PLCC. и SOIC, которые были изобретены как пакет для поверхностный монтаж, однако он по-прежнему широко используется для такие как логика общего назначения, EPROM. растягивается с обеих сторон границы длины упаковки по направлению вниз. Керамический DIP называется CerDIP. (CER-DIP), а пластиковый называется PDIP (ПДИП).
				СДИП	Термоусадочная двухрядная упаковка
				КРИС	Керамический двухрядный пакет
				ВДИП	DIP с оконным пакетом
	Устройство для поверхностного монтажа	Г-образная форма		СОП	Малый контурный пакет	Это широко используемый типичный элемент поверхностного монтажа. СОП уменьшает опережающий интервал DIP вдвое и расширяет поводок для поверхностного монтажа к внешнему Форма крыла чайки (крыло чайки). Далее, ведущий штифт выходящий из 4-х сторон упаковки называется КФП. ССОП, ТСОП разрабатываются как производные СОП. Другое название СОП называется SOIC, JEDEC. стандарт называются SOIC в Соединенных Штатах, и Стандарт JEITA в Японии называется SOP. ширина тела первого больше последний.
				СОП	Уменьшить небольшой контурный пакет
				ТСОП	Пакет Thin-Small Outline
				ТССОП	Тонкая термоусадочная упаковка с малым контуром
				MSOP	Мини (Микро) Небольшой контурный пакет
				QSOP	Четверть малый план пакета
				СОИК	Интегральная схема малого контура
				СОИКВ	Интегральная схема малого размера, широкая
		J-образная форма		СЯ	Пакет Small Outline с J-образным выводом	Он был разработан для уменьшения занимаемого места на субстрат больше, чем DIP. Свинец выходит из обоих стороны по длине упаковки и намотка к внутренней стороне так, чтобы наконечники удерживали корпус пакета. Если смотреть с поперечной стороны, свинец имеет форму буквы «J», поэтому он называется SOJ. поверхность крепится припоем к гибочному участку. Используется популярный пакет от 256 Кбит. продукт в DRAM, позже он был заменен на TSOP. объем памяти сравнительно невелик. Это все еще используется в разделе оперативной памяти.
		Наконечник электрода		СОН	Пакет Small Outline без содержания свинца	Свинца нет, вместо него электродная пластина. подготовлен в качестве терминала для подключения. QFN это расположены в 4 направлениях, тогда как SON является пакет для низкого штифта, и это 2-сторонний тип направления.
				ВСОН	Очень тонкая упаковка Small Outline без свинца
	Тип монтажа контактов	Лента в форме пленки		ДТП	Двойной ленточный носитель	Это пакет с полимерным покрытием, в котором находится микросхема. подключен TAB (автоматическое соединение ленты) технология с монтажным рисунком, сформированным лентой. Обычно это называется TAB. Этот пакет подходит для многоштырькового пакета высокой плотности.
4 направления	Устройство для поверхностного монтажа	Г-образная форма		QFP	Четырехплоский пакет	Внешняя форма имеет квадратную форму и форму крыла чайки. ведут выступают из 4 границ. Материал загерметизированный с керамическим пакетом эпоксидной смолой, инъекцией литье из расплавленного пластика.
				ТКП	Тонкий четырехъядерный плоский корпус
				STQFP	Маленькая тонкая четырехъядерная пластиковая плоская упаковка
				FQFP	Плоский четырехъядерный пакет с мелким шагом
				HQFP	Quad Flat Package с радиатором
				LQFP	Низкопрофильный Quad Flat Package
				ВКФП	Очень маленький Quad Flat Package
				МКФП	Метрическая четверная плоская упаковка
		J-образная форма		QFJ	Пакет Quad Flat с J-образными выводами	Поводок расширился от 4-х границ в сторону пакетов, аналогичных QFP. Конечная точка свинец изогнут внутри, как форма J, похожая на СОЖ. PLCC — это QFJ из пластика, а код упаковки JEITA сравнима с PQFJ. необходимо отметить что это совсем другое, хотя имя похоже на ЖК.
		Наконечник электрода		QFN	Пакет Quad Flat без свинца	Электродная площадка лежит вдоль 4 границ днища. Подушечка электрода обращена сбоку дно, если электродная площадка находится только на нижний. Площадь монтажа меньше, чем у QFP, поэтому плоская панель, возможен рост плотности. LCC это пакет, в котором подводящий провод не удлинён, в какая электродная площадка установлена ​​на керамической поверхность. Он сопоставим с CQFN в коде пакета. JEITA.
				ТКП	Пластиковый корпус Thin-Quad Flat No-Lead
				LCC	Освинцованный держатель для стружки
				CLCC	керамический носитель чипа
				ДФН	Двойная плоская упаковка
				QFI	Пакет Quad Flat I с выводами
	Тип монтажа контактов	Лента в форме пленки		QTP	Четырехъядерный ленточный носитель	Это упаковка с полимерным покрытием, такая же, как DTP, где Чип IC подключен TAB (автоматическое соединение ленты) технология, чтобы рисунок проводки формировался лентой. Обычно это называется TAB. Этот пакет подходит для многоштырькового пакета высокой плотности.
Матрица	Тип крепления вставки	Игольчатый		ПГА	Массив контактов	Штифт выстроен в виде массива на упаковке. В зависимости от материала упаковки керамический называется CPGA (Ceramic-PGA), а пластик называется PPGA (пластик-PGA). Он был принят для ЦП в персональный компьютер, и он лидировал в высоких эффективный многоконтактный корпус до тех пор, пока не будет описан BGA позже появилось. В настоящее время пластик PGA почти не используется, а керамический PGA используется как часть высококлассного использования. В SPGA штифт расположен в форме ржанки.
				СПГА	Ступенчатый массив контактов
	Устройство для поверхностного монтажа	Шарик припоя		БГА	Решетка с шариками	Шарик припоя сферической формы выстроен в ряд форма в виде терминала на дне упаковки. Соединение проводов и флип-чип соединяется между несколькими ядрами и интерпозер, залитый смолой. BGA может обеспечить больше соединительные контакты, а также высокая плотность контактов. Есть производитель, который заявляет как «FCBGA» для флип-чип сустав. По сравнению с QFP он имеет преимущество качества пайки и высокой эффективности упаковка на печатную плату. Однако, поскольку это требует продвинутого технология упаковки, ее трудно модифицировать, заменить, проверить и обслуживать.
				ЭБГА	Расширенный BGA
				ФТБГА	Гибкая лента BGA
				ТФБГА	Тонкая и мелкошаговая решетчатая решетка
		Наконечник электрода		LGA	Массив наземной сети	Электродная площадка, такая как медь, внизу в пакет выровнен в массиве и делает терминал. Это идеальный пакет для высокой скорости и высокого частота работы из-за паразитной индуктивности терминал меньше. Более того, LGA не имеет шарик припоя, и можно уменьшить высоту упаковки по сравнению с BGA. Классифицируется как LGA. даже если шарик припоя используется, когда размер припоя шарики размером 0,1 мм или меньше по стандарту JEITA.

Типы корпусов ИС или контуры

Полупроводниковая промышленность производит очень большое разнообразие интегральные схемы, которые имеют различные требования к корпусу. Атрибуты упаковки, которые учитываются при выборе тип упаковки для конкретного полупроводникового устройства включает в себя: размер, вывод количество, рассеиваемая мощность, условия эксплуатации в полевых условиях и, конечно же, расходы.