Учебник по Технологии

В то же время появление компонентов для ПМ способствовало осуществлению и развитию процесса автоматизированной сборки. Но по мере перехода от простых чипов резисторов и конденсаторов к сложным корпусам ИС проблемы установки компонентов, пайки, проверки, испытаний и ремонта вылились в сложную систему технологических ограничений.

При этом появляется возможность уменьшить количество плат в проектируемом изделии, а выход годных в случае ПМ даже в первом приближении не уступает выходу годных изделий с монтажом в отверстия. Применение корпусов с короткими выводами или внешними контактными площадками способствует также уменьшению величины паразитных индуктивностей, что особенно важно в СВЧ-устройствах.

Кроме того, не требуются формовка и обрезка выводов, хотя обеспечение их компланарности все еще остается проблемой для PLCC с J-образными выводами и выводами в виде крыла чайки. Надежность электронных узлов с ПМ довольно высока, например, за счет того, что корпуса для ПМ более устойчивы к воздействию вибрации.

ПМ допускает высокоскоростную автоматическую установку компонентов с частотой появления дефектов (100–1000) ×10−6 в зависимости от сложности конструкции корпуса. Недостаток коммутационных плат (КП) для ПМ заключается в том, что они менее удобны, чем традиционные, для проверки, испытаний и ремонта. Многовыводные корпуса требуют проектирования узких коммутационных дорожек с малым шагом между ними, и если не оптимизированы условия пайки, могут возникнуть проблемы, связанные с образованием перемычек припоя между соседними проводящими дорожками и выводами. В любом случае существуют некоторые ограничения, налагаемые, например, в отдельных случаях на пайку компонентов волной припоя или погружением либо на методы пайки расплавлением дозированного припоя; для большинства коммутационных плат весьма трудно осуществить эффективную визуальную проверку качества пайки, поскольку выводы компонентов могут быть частично или полностью скрыты телом самого компонента; в то же время использование топологии платы, обеспечивающей осмотр каждого соединительного узла за пределами периметра корпуса компонента, неизбежно привело бы к неэффективному использованию рабочего поля платы. Таким образом, необходимо тщательно прорабатывать вопросы испытания изготовленных плат.

350

Проблема теплоотвода − по-видимому, одна из наиболее распространенных и трудных в количественной оценке для изделий с применением ПМ. Вследствие малого расстояния между компонентами количество тепла, выделяемого компонентами на единицу площади платы, существенно увеличивается. При разработке конструкции платы отвод тепла должен обязательно учитываться. Для улучшения теплоотвода можно использовать, например, платы на основе инвара (инвар – магнитный сплав, обладающий малым температурным коэффициентом линейного расширения), плакированного (плакирование – нанесение на металл методом горячей прокатки или прессования на поверхность тонкого слоя другого металла) медью, хотя они дороже и массивнее обычных стеклоэпоксидных плат, которые также используются в ПМ.

Несогласованность коэффициента теплового расширения контактирующих материалов платы и компонентов приводит реально к усталостным напряжениям и развитию дефектов в местах пайки вследствие постоянного термоциклирования. По этой причине на традиционных платах нецелесообразно монтировать компоненты в керамических корпусах с габаритами, превышающими 6 мм, а в процессе проектирования плат приходится принимать альтернативные решения.

Преимущества техники ПМ не могут быть оценены только прямым сопоставлением с экономическими показателями техники монтажа в отверстии. Стимулами развития и доказательством прав на существование ПМ являются уменьшение массо-габаритных показателей и увеличение функциональных возможностей аппаратуры. Успех внедрения техники ПМ зависит от рыночной конъюнктуры, краткосрочный экономический анализ не может служить надежной основой для принятия решения.

Чип-конденсаторы и чип-резисторы имеют огромные преимущества перед их аналогами для монтажа в отверстия:

∙компоненты всех номиналов размещаются в корпусах только трех типоразмеров, чем обеспечивается эффективная стандартизация;

∙стандартизация корпусов позволяет использовать быстродействующие автоматы с реальной производительностью более 10 000 компонентов в час;

351

∙ пайка волной припоя (хорошо известная и давно освоенная технология) может быть эффективно использована для технологии ПМ.

Сложные корпуса требуют нетрадиционных процессов монтажа на коммутационные платы с использованием припойной пасты, наносимой методом трафаретной печати, и пайки расплавлением дозированного припоя. Процессы, лежащие в основе этих технологических операций, еще до конца не изучены, и при их реализации не всегда достигается высокий уровень качества при высоком выходе годных изделий, что, в общем-то, уже достигнуто на этапе размещения компонентов.

4.4.2.Компоненты и корпуса

В80-х гг. прошлого века появились БИС в новых корпусах типа SOIC (Small Outline Integrated Circuit) и в пластмассовых кристаллоносителях PLCC (Plastic Leaded Chip Corrier), которые благо-

даря субмикронной технологии их изготовления обеспечивали небывалые функциональные возможности и быстродействие. Потенциальные возможности БИС в таком конструктивном исполнении вызвали повышенный интерес у разработчиков цифровых устройств, что послужило толчком к массовому внедрению ПМ в про-

изводство электронных изделий для вычислительной техники. По тем же причинам перспективными компонентами являются кристаллодержатели на гибкой ленте-носителе типа ТАВ (Tape Automatic Bonding).

Подразделяют следующие виды корпусов для ПМ:

1. Простые корпуса для пассивных компонентов:

∙безвыводные корпуса прямоугольной формы, например: резисторов и конденсаторов;

∙корпуса типа MELF (Metal Electrode Face Bonded);

∙с монтированными электродами в виде металлизированных

торцов.

2. Сложные корпуса для многовыводных полупроводниковых приборов:

∙ малогабаритный транзисторный корпус (Small Outline Transistor – SOT);

352

∙малогабаритный корпус (Small Outline – SO) для интегральных схем;

∙увеличенный малогабаритный корпус (Small Outline Lage – SOL) для интегральных схем;

∙пластмассовые кристаллоносители с выводами (Plastic Leaded Chip Carrier – PLCC);

∙безвыводные керамические кристаллоносители (Lidless Ceramic Chip Carrier – LCCC);

∙керамические кристаллоносители с выводами (Leacfed Ceramic Chip Carrier – LDCC).

3. Различные нестандартные корпуса для компонентов неправильной формы, например, индуктивностей и переключателей.

Существуют также другие типы конструкций корпусов.

Рассмотрим более подробно простые корпуса.

Безвыводный корпус прямоугольной формы, или чипы (рис. 76), является наиболее распространенным типом корпусов для поверхностного монтажа пассивных компонентов, например, резисторов и конденсаторов. Они различаются стоимостью, габаритными размерами, рабочим напряжением и материалом диэлектрика (у чип-конденсаторов). Для указания геометрических размеров таких корпусов используется краткая форма обозначения, например,1206 означает, что компонент имеет длину 0,12 дюйма (3,048 мм) и ширину 0,06 дюйма (1,524 мм). При монтаже прямоугольных чипов особое внимание следует уделять решению проблемы их пайки на коммутационные платы. Очень важно выбрать правильную топологию контактных площадок, которая зависит от метода пайки, т.е. применяется ли пайка расплавлением дозированного припоя. Необходимо также учитывать в разработках материалы выводных контактных площадок чипов, что связано с решением серьезных проблем, например, для предотвращения выщелачивания серебра контактных площадок чипа в процессе пайки рекомендуется предварительно покрыть их никелем, выполняющим роль защитного барьера при пайке. Слои материалов на контактных площадках чипов в этом случае должны располагаться (начиная изнутри) в последовательности: серебро, никель, припой (например, 60/40, 63/37) или олово, палладий, серебро (62/36/2); следует отдавать предпочтение луженым контактам перед нелужеными.

353

			В
Защитное покрытие		С	А	С
	Резистивный слой
0,6 ± 015	Контактная
	поверхность
0,5	Керамическое основание
			б)

1,6 ± 015
С	А	С
3,2 ± 0,15	В
а)	в)
(Размеры в мм)

Рис. 76. Конструкция простого корпуса чипа для ПМ:

а– конструкция и габаритные размеры прямоугольных чипов;

б– знакоместо резисторов и многослойных керамических конденсаторов для ПМ в случае пайки методами расплавления дозированного припоя;

в – знакоместо резисторов и многослойных керамических конденсаторов для ПМ в случае пайки волной припоя

Большая часть чип-резисторов изготавливается методами толстопленочной технологии, которая включает отжиг смесей оксидов металлов и керамики (или стекла), нанесенные на керамические подложки с применением, например, шелкографии. Аналогично изготавливаются контактные площадки резисторов. Тело резисторов нередко покрывается пассивирующим слоем стекла. После лазерной подгонки (для получения требуемой величины сопротивления) и покрытия эпоксидным составом подложки разрезаются на отдельные чип-резисторы. Некоторые компании производят для специальных применений чип-резисторы на основе тонких пленок никеля и хрома.

Другой разновидностью элементов для поверхностного монтажа являются компоненты в корпусе типа MELF (Metal Electrode Face Bonded), который напоминает слегка измененный, безвыводный вариант стандартного резистора или конденсатора с выводами. В корпусах типа MELF изготавливают кремниевые диоды, высокочастотные катушки индуктивности с постоянной индуктивностью, танталовые конденсаторы и устройства защиты от перенапряжений,

354

но в наибольших объемах производятся керамические конденсаторы и графитовые пленочные резисторы.

Корпус MELF имеет несколько преимуществ, основным из них является низкая стоимость, по меньшей мере сравнимая со стоимостью эквивалентных компонентов с проволочными выводами. Стандартные типоразмеры MELF обычно рассчитаны на такую же топологию контактных площадок, что и компоненты с выводами. По электрическим характеристикам они могут превосходить компоненты с выводами (нет паразитной емкости, индуктивности) (рис. 77).

Д3

Д1 Д2

С

L

		а)
	В
С	А	С
		Д
		б)

Рис. 77. Конструкция корпусов MELF:

а – размеры резисторов в корпусе MELF; б – знакоместа корпуса SO-80 диода

Установка многих корпусов типа MELF может быть затруднена в случае, если компонент не контактирует с адгезивом в своей средней точке. Конструкция корпуса MELF имеет весьма незначительную контактную зону с каплей адгезива, имеющей в основном форму полусферы. При использовании корпуса типа SOD-80 (корпус цилиндрической формы, подобной MELF) погрешность позиционирования 0,5 мм приводит к уменьшению эффективной поса-

355

дочной длины компонента до 4,064 мм, что по мнению специалистов неприемлемо.

Уменьшение контактной зоны компонента с адгезивом увеличивает вероятность смещения корпуса MELF с места установки до отверждения адгезива, особенно если плата со сборкой в момент отверждения не находится точно в горизонтальном положении.

Сложные корпуса имеют следующие конструкции.

На рис. 78 представлена конструкция транзисторного миникорпуса, применяемого для корпусирования дискретных полупроводниковых приборов. Имеется два стандартных корпуса, которые можно использовать для герметизации простых полупроводниковых приборов – транзисторов, диодов, стабилитронов и др. Это корпуса ТО-236 (SOT-23) и ТО-243 (SOT-89). Выбор типа корпуса зависит от мощности, рассеиваемой прибором, и реального размера полупроводникового кристалла. ТО-236 применяется для кристаллов площадью до 0,030 дюйм2 (19,35 мм2) с помощью 200 мВТ при 25 оС. Второй корпус – ТО-243 – рассчитан на кристалл площадью 0,060 дюйм2 (38,70мм2) с рассеиваемой мощностью до 500 мВТ при 25 оС.

8	0,9398	SOT-23
4	1,0404
	2
	1,1938	1,2954
		0,508
3
2,8448		1,5494

SOT-89

4,5974

а)

б)

(Размеры даны в мм)

Рис. 78. Конструкция корпусов SOT:

а – размеры корпуса SOT-23; б – размеры корпуса SOT-89

356

Оба корпуса имеют очень простую конструкцию с тремя выводами: у ТО-236 выводы поочередно отходят от каждой из сторон, в то время как у ТО-236 они расположены по одну и ту же сторону корпуса, а центральный вывод имеет увеличенный размер для лучшего отвода тепла.

В разработке подобных корпусов для одиночных приборов прослеживается тенденция к повышению уровня рассеиваемой мощности, с тем чтобы в конечном счете можно было непосредственно помещать в такие корпуса для поверхностного монтажа мощные приборы, как, например, переключающие транзисторы и выпрямители, без каких-либо особых изменений конструкции платы с целью улучшения ее теплоотвода.

Интегральная схема в мини-корпусе SO/SOL (SO – Small Outline; SOL – Small Outline Large) напоминает уменьшенный вариант традиционного корпуса с двухрядным расположением ленточных выводов (типа DIP). Обычно мини-корпуса поставляются в 8-, 14- и 16-выводном исполнении, при этом выводы имеют форму крыла чайки и расположены с шагом 1,27 мм (рис. 79). Большим преимуществом этого хорошо освоенного корпуса являются улучшенные значения основных массогабаритных характеристик по сравнению с его аналогом DIP (обычный корпус 155 серии): он на 70 % меньше по объему, на 30 % меньше по высоте, а масса такого корпуса составляет всего лишь 10 % массы его более крупного аналога, если сравнить 14-выводные корпуса. Кроме того, мини-корпус имеет лучшие электрические характеристики, определяющие скорость прохождения сигнала. К тому же для переработки топологии обычной схемы на DIP-корпусах в вариант с использованием SO/SOLкорпусов нужно ввести лишь небольшие изменения, так как разводка выводов одинакова, но общий размер платы может быть уменьшен.

В настоящее время в этом корпусе выпускается большинство типов ИС как малой, так и средней степени интеграции, включая стандартные промышленные аналоговые и цифровые схемы, выполненные по ТТЛ-технологии и КМОП-технологии.

Стандартный мини-корпус типа SO имеет ширину 3,81 мм. Существует также совершенно аналогичный корпус, называемый «увеличенным вариантом» – SOL, который имеет ширину 7,62 мм. Количество выводов у этих корпусов колеблется от 16 до 28.

357

				14			8
6,20																3,81
				1			7

5,207

4,5974

8,7

Рис. 79. Корпуса интегральных схем типа SO

Рассмотрим пластмассовый кристаллоноситель с выводами

PLCC (Plastic Leaded Chip Carrier), который имеет выводы, разме-

щенные по всем четырем сторонам корпуса, и обеспечивает непревзойденные функциональные возможности в пересчете на один квадратный сантиметр площади коммутационной платы, чем, собственно, и объясняется его возрастная популярность у потребителя. PLCC (рис. 80) – наглядный представитель следующего, более высокого уровня конструктивной сложности компонента по сравнению с корпусом типа SO, который, как правило, не используется для кристаллов с количеством выводов более 28. Проекция PLCC представляет собой почти правильный квадрат и имеет обычно от 18 до 84 выводов, хотя в ряде исполнения 18-выводный вариант имеет форму прямоугольника. Шаг выводов у PLCC обычно составляет 0,050 или 0,025 дюйма (1,27 или 0,635 мм), однако для некоторых сложных СБИС употребляется также шаг 0,020 (0,508 мм).

Варианты конструкции PLCC с числом выводов до 52 имеют, как, правило, гибкие выводы, загибаемые под корпус при монтаже; такая конфигурация выводов весьма удобна для массового производства, поскольку тем самым исключается повреждение корпуса при обращении с ним и обеспечивается возможность автоматизации монтажа, так как компоненты поставляются упакованными на гибкой ленте. Однако не полностью решенной остается проблема компланарности выводов, которая очень важна для обеспечения надежности изделия.

358

	18		17			16	15		14			13	12
	19												11
													10
	20
	21												9
	22												8
													7
	23
													6
	24
	25		27			28							5
	26						1		2			3	4

11,89

Рис. 80. Корпус PLCC

Безвыводные керамические кристаллоносители являются наиболее распространенными типами керамических корпусов (рис. 81)

для поверхностного монтажа – LCCC (Leadless Ceramic Chip Carrier). Варианты конструкции LCCC содержат 18 и более выводов контактных площадок (существуют варианты с 20, 28, 44, 52, 68 и 84 выводами контактных площадок).

11,43

11,43

Рис. 81. Квадратные безвыводные керамические кристаллоносители

359