Анализ и характеристика элементной базы

Анализ элементной базы

При анализе элементной базы изучают:

•  совместимость ИМС, ЭРЭ и поверхностно монтируемых компонентов (ПМК) по электрическим, конструктивным, электромагнитным, тепловым и другим параметрам, а также по условиям эксплуатации;

•  совместимость ЭРИ и ПМК по надежности;

•  соответствие ЭРИ и ПМК условиям эксплуатации, хранения, транс­портировки, указанным в ТЗ на ЭА.

Электрические, конструктивные и другие параметры и условия экс­плуатации ЭРИ приводятся в справочной литературе.

По результатам анализа элементной базы заполняют табл. 3.5 и делают выводы, указанные выше.

Таблица 3.5 Характеристика элементной базы

Определяют также конструкторскую сложность ФУ (малая, средняя и высокая насыщенность поверхности ПП), которую оценивают числом схемных или активных элементов, числом выводов ПМК и связывают с выбором типа, конструкции и класса точности ПП.

Шаг координатной сетки является основной конструктивной характеристикой ПП, которая характеризует плотность печатного монтажа; к нему привязаны все элементы конструкции ПП (контактные площадки, проводники, отверстия и т. д.), а также ЭРИ и ПМК. Шаг координатной сетки выбирают таким образом, чтобы он соответствовал шагу расположе­ния выводов большинства ЭРИ и ПМК, устанавливаемых на ПП.

Форма и размеры монтажных отверстий и контактных площадок зави­сят от геометрии выводов ЭРИ: круглые отверстия и контактные площадки применяются для штыревых, прямоугольные или квадратные контактные площадки — для пленарных выводов или ПМК.

По конструктивному оформлению ИЭТ, ЭРЭ и ПМК различают [16]:

•  корпусные с планарными выводами, лежащими в плоскости основа­ния корпуса, с осевыми (отформованными) и штыревыми, перпен­дикулярными ему (традиционная элементная база);

•  корпусные без выводов, с укороченными планарными или J-образными выводами, уходящими под корпус; в виде матрицы шариковых выводов из припоя и пр.; их называют микрокорпуса или поверхностно-монтируемые компоненты (ПМК);

•  бескорпусные ИЭТ.

Корпусные ИЭТ. Корпуса ИЭТ выполняют следующие функции:

•  защита от климатических и механических воздействий;

•  экранирование от помех;

•  унификация микросхемы по габаритам и установочным размерам;

•  облегчение процессов сборки ячейки и др.

Корпуса с планарными выводами занимают в два раза больше площади на ПП по сравнению с корпусами со штыревыми выводами, но установка последних возможна лишь с одной стороны, а корпуса с планарными выводами - с двух сторон. При установке ИЭТ со штыревыми выводами требуется дополнительного крепления даже при незначительных вибрациях, ударах, однако применение, например, DIP-корпуса ограничивается частой 500 кГц.

Планарные выводы имеют прямоугольное сечение, штыревые - круглое или прямоугольное.

По конструктивно-технологическому признаку различают корпуса:

•  металлостеклянные - стеклянное или металлическое основание, сединенное с металлической крышкой с помощью сварки; выводы изолированы стеклом;

•  металлокерамические - керамическое основание, соединенное с металлической крышкой с помощью сварки или пайки;

•  керамические - керамическое основание и крышка, соединенные между собой пайкой;

•  пластмассовые - пластмассовое основание и крышка, соединенные опрессовкой;

•  металлополимерные - подложка с компонентами и выводами помещается в металлическую крышку (пенал) и герметизируется заливкой компандом.

Металлическая крышка обеспечивает эффективную влагозащиту, отвод тепла от кристалла ИЭТ, снижает уровень помех.

При выборе серии интегральной микросхемы (ИМС) и ИМС в серии необходимо использовать минимальное количество типоразмеров корпус для реализации электрической принципиальной схемы ФУ.

Использование корпусных ИМС приводит к большим затратам полного объема и массы изделия, уменьшает на один-два порядка плотность компоновки компонентов по сравнению с плотностью их размещения на кристалле или на подложке.

           Микрокорпуса или ПМК позволяют увеличить плотность компоновки, улучшить электрические параметры за счет получения более коротких связей между внешними выводами и кристаллом, снижения сопротивления, уменьшения межвыводной емкости, индуктивности, что повышает быстродействие. Эти корпуса обеспечивают работоспособность ИЭТ на часто до 4 ГГц и выше.

Бескорпусные ИЭТ широко применяются в бортовой ЭА, компьютерах, калькуляторах и другой аппаратуре, так как позволяют эффектов использовать объем и сократить массу микроэлектронных цифровых устройств. Однако при этом в значительной степени увеличивается трудоеимкость изготовления за счет введения дополнительной защиты и герметизации и, следовательно, стоимость.

Поверхностно монтируемые компоненты (ПМК,SMC или SMD), к которым относятся:

1)  пассивные чип-компоненты в корпусах, различающихся по раз­меру, например, 0805, 0605, MELF;

2)   ИМС в базовых технологических корпусах SO, PLCC, OFP, BGA и т. д.;

3)  бескорпусные ИМС, для монтажа которых применяют специализированные технологии, которые еще не являются стандартом (tape automated bonding — TAB, flip chip-FC, COB, DCA и др.);

4)  нестандартные компоненты (odd form components — OFC), такие как соединители, разъемы, трансформаторы, колодки, держатели, экраны и пр.

Рост функциональности на единицу площади требует от конструкто­ров-технологов ЭА увеличения количества соединений на единицу площа­ди ПП. Для реализации высокого уровня плотности соединений разработа­но много новых упаковочных технологий (корпусов) ЭРИ и ПМК в мик­рокорпусах с большим числом выводов (1000 и более) и малым шагом расположения выводов 0,25...0,5 мм [45]. К таким упаковочным технологи­ям относятся следующие технологии:

•  СОВ (chip on board) — чип на плате или технология «открытой матрицы»;

•  FP (flip chip) — перевернутый кристалл;

•  CSP (chip scale packaging или chip size packages) — кристалло-соразмерный корпус или микрокорпус в размер кристалла;

•  BGA (ball grid arrays) — матрица шариковых выводов;

•  МСМ (multichip modults) — многочиповый модуль;

•  DCA (direct chip attach) — прямое присоединение чипа;

•  СОС (chip on chip) — чип на чипе и др.

Основной тенденцией производства ЭА является переход от технологии сквозных отверстий (through — hole technology — ТНТ) к технологии по­верхностного монтажа (surface mounted technology — SMT) и внутри нее — к fine pitch technology (FPT), BGA, CSP, МСМ и др. Использование техноло­гии поверхностного монтажа (SMT-технологии) существенно увеличивает плотность монтажа, что наглядно демонстрирует приведенное в табл. 4.34 сравнение некоторых конструктивных параметров ПП и ЭРИ для техноло­гии монтажа в отверстия, поверхностного монтажа и технологии перевернутого кристалла (FPT).

Сравнительная  характеристика некоторых корпусов  представлена в табл. 4.35 [46].

Поскольку конструкция корпуса ЭРИ и ПМК непосредственно влияет на конструкцию и технологию изготовления ПП, рассмотрим особенности наи­более широко применяемых в настоящее время в ЭА корпусов микросхем подробнее.