Министерство образования и науки РФ

Московский государственный горный университет

Кафедра электротехники и информационных систем

Реферат

Аппаратные средства микроконтроллеров

по дисциплине:

«Технические программные средства»

Выполнил:

ст. гр. ИС-08

Иванов В. С.

Принял:

Бекаревич А. А.

Москва

2012г.

Микроконтроллер — микросхема, предназначенная для управления электронными устройствами. Типичный микроконтроллер сочетает в себе функции процессора и периферийных устройств, содержит ОЗУ или ПЗУ. По сути, это однокристальный компьютер, способный выполнять простые задачи.

Корпуса устройств

Для защиты кристаллов используются два основных материала: пластмасса и керамика.

Наиболее распространенными являются пластмассовые корпуса. Кристалл, помещенный в такой корпус, соединяется с внешними выводами при помощи тонких алюминиевых проволочек, которые привариваются к кристаллу с использованием ультразвука. Для заливки пластиковых корпусов используется эпоксидный герметик. Когда герметик затвердеет, кристалл становится защищенным от света, влаги и механического воздействия.

Микроконтроллеры с памятью EPROM, помещенные в пластмассовый корпус, обычно называются однократно программируемыми. Такой микроконтроллер может быть запрограммирован только один раз, так как пластиковый корпус не позволяет производить стирание содержимого памяти программ типа EPROM путем освещения кристалла ультрафиолетом.

Рис. 1 – Пластмассовый корпус для однократно программируемых приборов

Одна из основных причин размещения микроконтроллера в керамическом корпусе – это возможность создания в нем кварцевого окошка для стирания EPROM (рис 2). Когда используется керамический корпус, кристалл приклеивается к его нижней половине и соединяется проводниками с рамкой, на которой расположены внешние выводы. Для пластмассовых корпусов возможен более широкий выбор вариантов монтажа на плате. Керамический корпус может значительно увеличить стоимость отдельной микросхемы, так он более чем в 10 раз дороже пластмассового. Поэтому микроконтроллеры в керамических корпусах используются обычно во время отладки разрабатываемых систем, когда дополнительные расходы из-за применения корпусов с кварцевым окошком являются оправданными.

Рис. 2 – Керамический корпус с кварцевым окошком

Технология установки микросхемы на печатную плату существенно изменилась за последние годы. В 80-х годах практически все микросхемы выпускались со штыревыми выводами, которые запаивались в отверстия на печатной плате (рис 3). Преимуществом этой технологии монтажа (РНТ-технология) является ее простота – для производства таких плат не требуется сложное оборудование и специальная подготовка. Недостатком является то, что отверстие занимает на плате значительную площадь, и расстояние между соседними выводами микросхемы должно быть существенно больше, чем при использовании технологии поверхностного монтажа (SMT – Surface Mount Technology), когда выводы микросхемы припаиваются к поверхности платы (рис. 4).

Рис. 3 – Сквозное соединение.

Рис. 4 – Сравнительные размеры ТН и SMT корпусов

Для SMT-монтажа используются корпуса с двумя основными типами выводов (рис. 5): типа «gull wing» и типа «J». Оба типа выводов имеют свои преимущества. Корпуса с выводами типа «gull wing» позволяют производить ручную пайку и обеспечивают более простой контроль паянных соединений. Применение корпусов с выводами типа «J» уменьшает площадь печатной платы. В настоящее время корпуса с выводами «gull wing» значительно более популярны, так как их использование позволяет применять более простое производственное оборудование и обеспечить переход к сверхплотному монтажу, когда расстояния между центрами выводов уменьшаются до 0,41 мм.

Рис. 5 – Планарная технология корпусов

Уменьшение размера корпуса и шага расположения выводов позволяет значительно увеличить плотность упаковки компонентов на плате, которая определяется количеством корпусов, размещаемых на единице площади.

В технологии BGA для присоединения микросхемы к плате используется двумерная матрица шариков припоя, расположенных на нижней стороне корпуса (рис. 6). Для микросхем с большим числом выводов BGA-корпуса дают значительное преимущество по сравнению с традиционными SMT-корпусами.

Рис. 6 – Корпус типа BGA

Выводы QFP-корпуса очень хрупкие, так как при шаге 0,52 мм их диаметр составляет всего около 0,3 мм. Шариковые выводы BGA-корпуса значительно более твердые. Из-за хрупкости выводов установка и пайка SMT-корпусов обычно осуществляется полностью автоматически, без участия человека. При монтаже BGA-корпусов нет необходимости соблюдать такие предосторожности.

При использовании технологии СОВ (Chip On Board) кристалл непосредственно монтируется на плату. В настоящее время применяются два способа крепления кристаллов.

При первом способе кристалл размещается на плате, и контактные площадки на кристалле и плате соединяются таким же образом, как внутри корпуса микросхемы – с помощью тонких алюминиевых проволочек, которые привариваются ультразвуком (рис. 7). Сам кристалл может быть приклеен или припаян к плате. Припаивание кристалла используется тогда, когда плата служит в качестве теплоотвода.

Рис. 7 – Корпус типа СОВ.

Второй способ известен под названием «технология С4» и фактически очень похож на BGA-процесс, описанный ранее. Шариковые выводы, используемые в этом процессе, называются «выпуклостями» (bumps), потому что они намного меньше BGA-шариков (рис 8). Первоначально эта технология была разработана IBM для монтажа кристаллов в керамических корпусах без использования соединительных проволочек.

Рис. 8 – Монтаж на плату с использованием технологии С4

Технология С4 требует существенных инвестиций в создание оборудования для монтажа и разработку специальных технологических процессов. Из-за малого расстояния между кристаллом и платой там может остаться вода, используемая при промывке платы, что приводит к снижению надежности изделий. В настоящее время технология С4 находится на экспериментальной стадии. Причинами этого являются трудности в обеспечении надежной установки кристалла на плату и возможность отказов из-за усталости шариковых выводов, возникающей вследствие разности коэффициентов температурного расширения кристалла и платы.

Технология СОВ является наилучшей для создания аппаратуры с высокой плотностью монтажа, когда имеется мало места для размещения микросхем (например, телефонная смарт-карта) или требуется специальный теплоотвод.

Имеется еще одна технология монтажа, которая представляет собой комбинацию SMT и СОВ. Это автоматический монтаж на ленту – TAB (Tape Automated Bonding). В данном случае контактные площадки кристалла привариваются к медной ленте с изолирующим покрытием, на которой путем штамповки создана рамка с выводами. Эти выводы затем припаиваются к металлическим проводникам на печатной плате (рис. 9.)

Рис. 9 – Корпус типа ТАВ

Впервые ТАВ-технология появились в середине 1980 года, как способ сборки микросхем с большим числа выводов. С усовершенствованием SMT-корпусов и изобретением BGA технология TAB в значительной степени устарела, хотя еще используется некоторыми производителями. Сложность ТАВ-технологии заключается в необходимости применения специализированного автоматического оборудовании для установки и пайки припаивания ТАВ-компонентов, а также в трудности контроля паяных соединений.