От DIP до CSP: какие бывают корпуса микросхем

Тенденция к миниатюризации в электронике появилась со дня ее возникновения. Сначала разработчики старались уменьшить габариты ламп, потом – транзисторов, а прорывной оказалась идея изготавливать несколько транзисторов (вместе с пассивными элементами) на одной заготовке из полупроводника — так появились микросхемы.

Роль корпусов в защите и подключении микросхемы

Использовать полупроводниковую пластину без корпуса неудобно. Отсутствует защита от пыли, влаги, попадания посторонних предметов. Кроме того, необходимо куда-то крепить выводы (кристалл смонтировать непосредственно на плату трудно и нетехнологично) и предусматривать место для установки теплоотводящих конструкций. Кроме того, наличие герметичной оболочки резко снижает требования к окружающей среде во время монтажа и эксплуатации микросхем (по давлению, влажности, запыленности и т.п.).

Обзор основных типов корпусов для микросхем

Выбор кейса при разработке микросхемы производится по многим параметрам. В первую очередь, это количество выводов. Также учитывается необходимость отвода тепла, возможность снижения массогабаритных характеристик и т.п.

Существует большое количество стандартных кейсов для микросхем, но их можно разделить на два больших класса:

1. Для «дырочного» монтажа (through hole) – установки в отверстия в печатной плате.
2. Для поверхностного монтажа (SMD) – установки непосредственно на печатные проводники.

Вторая категория постепенно вытесняет первую из-за большей технологичности производства радиоэлектронной аппаратуры и уменьшения габаритов готового устройства.

Корпуса для монтажа through hole

У этих кейсов выводы выступают за пределы плоскости оболочки микросхемы. Это сделано для возможности установки в отверстия печатной платы.

DIP/ DIL и их модификации

Самый известный корпус для монтажа в отверстия – DIP (Dual-in-line Package, «упаковка два-в-линию»), или DIL (Dual-in-line). Прямоугольный кейс с двумя рядами выводов вдоль длинных сторон. Количество выводов может быть от 4 (2+2) до 64 (22+22) с шагом 2,54 мм (1 линия или 0,1 дюйма).

Корпуса DIP отечественного производства имели шаг выводов 2,5 мм, что создает проблемы при замене отечественных микросхем на импортные, особенно при наличии большого количества выводов.

Собственно микросхемы в большинстве случаев «упаковываются» в DIP от 8 выводов и выше, корпуса DIP-4 и DIP-6 используются, в основном, для других типов электронных компонентов (оптронов и т.п.).

В семействе DIP имеются модификации, не имеющие принципиальных отличий, но в некоторых случаях определяющие сферу применения микросхемы:

• PDIP – пластиковый кейс;
• CDIP – керамическая «упаковка» повышенной твердости;
• HDIP – с посадочным местом для подключения теплоотвода.

Обычно радиаторами оснащают микросхемы оконечных каскадов звуковоспроизводящей аппаратуры. Например, отечественные К147УН7 и т.п.

Несколько выбивается из общего ряда DIP кейс SDIP (Small DIP). Имея общую концепцию – выводы в два ряда – расстояние между ножками у этой «упаковки» уменьшено до 1,78 мм. Это позволяет уменьшить размеры многовыводных микросхем.

«Транзисторные» корпуса

Для некоторых радиоэлементов даже 4 вывода – излишество. Это относится, например, к интегральным стабилизаторам напряжения серии 78XX, «программируемым стабилитронам» TL431 или микросхемам-датчикам, имеющим всего три вывода. Для таких микросхем применяют «транзисторные» кейсы. Для маломощных элементов пригодны корпуса TO-92 (по отечественной классификации – КТ26).

Для более мощных компонентов, требующих отведения тепла, более пригодна оболочка TO-220 (КТ-28). У него также три вывода, но он больше по габаритам и у него есть площадка для крепления к радиатору.

Другие корпуса для монтажа в отверстия

Существуют и другие виды корпусов микросхем для монтажа в отверстия. Например, это SIP (HSIP) – single in line package. У этого корпуса выводы расположены в одну линию. Кейс HSIP дает возможность крепления микросхемы к радиатору. Есть оболочки ZIP, у которых выводы расположены в один ряд зигзагообразно – Zigzag in line. Соответственно, существует разновидность HZIP для крепления к теплоотводу.

До сих пор можно встретить отечественные микросхемы в круглых корпусах с 12 выводами серии 301.12 или 3107.12. Чаще всего, это операционные усилители серии К140.

Корпуса для поверхностной установки

По мере развития микроэлектроники стали очевидны недостатки оболочек DIP. Один из них – необходимость сверления большого количества отверстий в плате, что повышает стоимость и сроки ее изготовления. Поэтому несколько десятилетий назад начался переход на элементы в планарных корпусах, предназначенных для поверхностного монтажа.

Корпус SOIC/SO/SOP

Первым шагом к уходу от DIP стало создание корпуса SOIC (он же SOP или SO). В нем, подобно DIP, выводы расположены в два ряда, но не выходят за пределы нижней плоскости корпуса. Это позволяет припаивать ножки непосредственно к проводникам платы без сверления отверстий.

Оболочка SOIC дополнительно маркируется по количеству выводов (SOP-8 и т.п.) и имеет несколько разновидностей:

• PSOP – изготовлен из пластика;
• HSOP – с возможностью установки на радиатор;
• SSOP – Shrink SOP, сокращенный SOP – с уменьшенными размерами;
• TSSOP – Thin Shrink SOP – тонкий Shrink SOP.
• SOJ – SOP с ножками, изогнутыми под корпус в виде букв J.

Обычно кейс имеет дополнительную маркировку по количеству выводов – SOP-8, SSOP-16 и т.п.

Для оболочек для планарного монтажа существует та же проблема, что и в варианте DIP. Некоторым видам микросхем даже 4 вывода – много. Для этих случаев разработан кейс DPACK (варианты — D²PACK, LFPACK).

Создание подобных планарных корпусов позволило уменьшить габариты, но не решило второй проблемы оболочек DIP — ограничение по количеству выводов.

Корпуса для микросхем с большим количеством выводов

С развитием микроэлектроники 64 выводов, составляющих максимум для DIP и SOP (больше делать нецелесообразно, размеры корпуса начинают значительно превышать размер кристалла), стало не хватать, например, для микроконтроллеров и процессоров. Для них разработаны другие корпуса с большим количеством ножек. Один из популярных кейсов – QFP, Quad Flat Package. Из названия следует, что выводы расположены по сторонам квадрата. Имеются модификации:

• TQFP – Thin QFP, тонкий QFP;
• LQFP – Low Profile QFP – QFP с низким профилем.

Обе модификации имеют уменьшенные габариты.

Иной вариант квадратного корпуса – PLCC и CLCC. Отличаются материалом оболочки – первый пластиковый, второй керамический. Выводы поджаты под корпус в виде той же буквы J (из-за чего этот кейс известен и под названием QFJ). Подобные микросхемы не предназначены для пайки, а устанавливаются в специальную панель («кроватку»).

Но и эти оболочки имеют ограничения по количеству выводов по отношению к размеру. Например, для современных процессоров требуются корпуса, в которых выводы образуют матрицу, и кейс называется PGA (Pin Grid Array) – массив штырьков. Устанавливаются подобные микросхемы в специальную панель.

Более перспективными выглядят кейсы LGA – Land Grid Array, массив из площадок. В отличие от предыдущего варианта у таких оболочек вместо штырьков имеются металлические площадки, которыми процессор устанавливается на посадочное место. Для его фиксации применяют различные защелки и зажимы.

Еще большей степени миниатюризации позволяет достичь вариант BGA – Ball Grid Array, массив из шариков. Выводами служат шарики из припоя, микросхема припаивается к плате, и устройства фиксации не требуются.

Такие микросхемы можно отпаивать и припаивать во время ремонта, но этот процесс требует специальных навыков и оборудования.

Прогресс не стоит на месте. Степень интеграции достигает теоретических пределов, возникают новые требования к микросхемам и к их корпусам. Но даже старый DIP используется еще широко, не говоря уж о планарных корпусах. Наверное, их время не закончится еще долго.