Moderné návrhy púzdier integrovaných obvodov sú dobrou cestou na dosiahnutie funkčnej hustoty, integrácie a škálovania kremíka. Okrem toho sú ideálne na zníženie všeobecnej veľkosti púzdier mnohých elektronických aplikácií.

Čo je to púzdro integrovaného obvodu?

Púzdro integrovaného obvodu je komponent alebo materiál, v ktorom je obsiahnutý polovodičový prvok. To znamená, že púzdro uzatvára alebo obklopuje zariadenie s obvodom, a tým ho chráni pred fyzickým poškodením alebo koróziou.

Na zapúzdrenie integrovaných obvodov sa bežne používajú plasty alebo keramika, pretože majú lepšiu elektrickú vodivosť. Táto vlastnosť je veľmi dôležitá, pretože púzdro integrovaného obvodu slúži aj na uľahčenie montáže elektrických kontaktov, ktoré sú pripojené k doske plošných spojov (PCB) elektronického zariadenia. Organizácia spojov na integrovanom obvode a spôsob ich usporiadania pomocou štandardného púzdra integrovaného obvodu musia byť v súlade s prípadmi použitia a aplikáciami konkrétnych integrovaných obvodov.

Púzdro integrovaného obvodu je poslednou fázou výroby polovodičového komponentu, po ktorej sa integrovaný obvod posiela na testovanie, aby sa zistilo, či spĺňa priemyselné normy.

Prečo je púzdro integrovaného obvodu dôležité?

Integrované obvody sú zvyčajne krehké a nemajú svoje konektory alebo vývody, ktoré by sa dali pripojiť k doske plošných spojov. Zavedením púzdier obvodov sa nosiče čipov použijú na ochranu jemnej štruktúry integrovaných obvodov a poskytnú aj konektory na vývody. Uvedená ochrana je možná vďaka plastovému, sklenenému, kovovému alebo keramickému materiálu, z ktorého môžu byť púzdra vyrobené a ktorý poskytuje fyzickú bariéru proti vonkajším nárazom a korózii. Púzdra integrovaných obvodov majú aj ďalšiu výhodu v podobe tepelnej regulácie zariadení, pre ktoré sa používajú.

Okrem toho sa púzdra skladajú z jednotlivých častí, ktoré uľahčujú celkový výkon integrovaného obvodu a zabezpečujú spoľahlivosť. Vývody sú zvyčajne vyrobené z medi a tenkého pokovovania cínom s jemnejšími vodičmi pripojenými k púzdru. Tie sú užitočné na vytvorenie pevného spojenia medzi vodičmi a integrovaným obvodom. Potom sa vývody spoja s vodivými podložkami na polovodičovej matrici a potom sa pomocou spájkovania spoja s plošným spojom na vonkajšej časti púzdra. Dokonca aj diskrétne komponenty, ako sú kondenzátory, tranzistory alebo diódy, majú širokú škálu púzdier s malým počtom vývodov, ktoré sa pre ne využívajú.

Typy integrovaných obvodov

Existuje mnoho integrovaných obvodov a rôzne spôsoby ich klasifikácie. V súvislosti s púzdrami integrovaných obvodov sa bežne stretávame s technickými skratkami, ako sú DIP, SIP, SOP, SSOP, TSOP, MSOP, QSOP, SOIC, QFP, TQFP, BGA atď. To všetko sú názvy rôznych púzdier integrovaných obvodov a možno ich rozdeliť do rôznych kategórií.

Typy púzdier pre integrované obvody možno rozlíšiť podľa spôsobu montáže, pretože sa delia do dvoch širokých kategórií, a to na priechodné a povrchové (SMT). Priechodné balíky majú svoje vývody vložené cez otvory na doske plošných spojov a potom spájkované, zatiaľ čo púzdra pre povrchovú montáž majú komponenty namontované priamo na vonkajšej strane dosky. Komponenty pre povrchovú montáž sa nazývajú komponenty pre povrchovú montáž (SMD).

Ďalším spôsobom klasifikácie púzdier integrovaných obvodov je ich usporiadanie vývodov. Integrované obvody majú zvyčajne lineárny, štvorcový alebo obdĺžnikový tvar, takže rozloženie vývodov môže byť lineárne, v dvoch paralelných smeroch, na štyroch stranách alebo vo forme matice. Ďalšiu klasifikáciu možno vykonať podľa tvaru vývodov alebo svoriek. Tvary môžu byť okrem iného lineárne, v tvare písmena L, v tvare písmena J, v tvare ihly, vo vzájomnom skladaní a v tvare pásky/fólie. Nakoniec, obaly integrovaných obvodov sa môžu rozlišovať podľa počtu svoriek alebo vývodov. Existujú dvojstranné, trojstranné, štvorstranné, päťstranné, šesťstranné a viac ako šesťstranné púzdra. Rozmery svoriek môžu tiež slúžiť ako rozlišovací faktor pre podobné typy puzdier.

Niektoré bežné typy púzdier integrovaných obvodov sú uvedené v nasledujúcich častiach.

Nosič čipov

Nosič čipov je typ SMT púzdra pre integrované obvody. Nosič čipov, známy aj ako púzdro čipu, umožňuje umiestniť polovodičové čipy do dosky s plošnými spojmi (PCB) alebo ich na ňu prispájkovať, pričom chráni krehké komponenty vo vnútri púzdra. Nosič čipov môže byť v závislosti od konštrukcie pripojený k doske plošných spojov tak, že sa zasunie, spájkuje alebo drží pomocou pružného ukotvenia. Nosiče so zástrčkami, známe aj ako zásuvkové držiaky, majú kovové kolíky v tvare písmena J alebo vývody, ktoré sa môžu použiť na pripojenie na doske pomocou spájky alebo zásuvky. Ak je nosič pripájaný priamo na dosku, nazýva sa povrchová montáž.

Metóda pružinovej montáže sa zavádza v prípadoch, keď by sila spájkovania alebo vývody poškodili jemné komponenty. Zvyčajne sa vykonáva inštaláciou pružinového mechanizmu v oblasti, kde bude komponent pripevnený, potom sa pružiny opatrne zatlačia do strany natoľko, aby sa dielik zaistil na mieste. Nosiče čipov môžu byť aj bez vývodov s kovovými podložkami na pripojenie. Ak vývody presahujú púzdro, nazýva sa ploché púzdro "flat package". Existuje niekoľko rôznych typov nosičov čipov, ktoré sú vyrobené z rôznych materiálov, ako je keramika, silikón, kov a plast. Nosiče čipov majú zvyčajne štvorcový alebo obdĺžnikový tvar a spoje sú vytvorené na všetkých štyroch stranách obalu. Dodávajú sa aj v rôznych veľkostiach a hrúbkach.

Typy púzdier s nosičmi čipov sa zvyčajne označujú skratkami a patria medzi ne:

• BCC: Bump chip carrier
• CLCC: Ceramic leadless chip carrier
• LCC: Leaded chip carrier
• LCCC: Leaded ceramic chip carrier
• DLCC: Dual lead-less chip carrier
• PLCC: Plastic-leaded chip carrier
• PoP: Package on Package.

Priechodné THT púzdra

Komponenty s priechodnými otvormi majú vývody, ktoré sú prestrčené cez jednu stranu dosky plošných spojov a pripájané na podložky na druhej strane dosky, aby sa mechanicky a elektricky spojili s doskou plošných spojov. Tieto púzdra sa vyrábajú z keramiky a plastu a sú zaradené do týchto kategórií:

• Single in-line Pin Package (SIP alebo SIPP): Tento typ má jeden rad vývodov, ktoré sú vertikálne usporiadané pozdĺž hraničnej čiary púzdra. Nepoužíva sa tak často ako DIP (Dual In-line Package), ale hodí sa na púdra rezistorových sietí a čipov RAM. Medzi bežné single in-line púzdra patria SIP (Single In-line Package), SSIP (Shrink Single In-Line Package) a HSIP (Single In-line Package with Heat Sink).
• Dvojité radové púzdra (DIP): DIPP (Dual In-line Package) má dva paralelné rady vývodov v obdĺžnikovom plastovom puzdre. Môže byť priechodne namontovaný na doske plošných spojov alebo vložený do zásuvky. Tiež sa líši veľkosťou v dôsledku rozdielu v počte pinov v rôznych púzdrach, ktoré sa zvyčajne pohybujú od 4 do 64. Medzi bežné dvojriadkové obaly patria DIP (Dual In-line Package), SDIP (Shrink Dual In-line), CDIP (Ceramic Dual In-line), CER-DIP (Glass-sealed Ceramic DIP), PDIP (Plastic DIP), SKDIP (Skinny DIP), WDIP (Dual In-line with Window Package) a MDIP (Molded DIP).
• Zig-Zag in-Line Packages (ZIP) - toto PTH púzdro je podobné púzdru SIP s vývodmi vyvedenými na hraničnú líniu púzdra, ale má cik-cakové skladanie. Medzi bežné cik-cak in-line púzdra patria ZIP (Zigzag In-line Package) a SZIP (Shrink Zigzag In-line Package).

Povrchová montáž

Technológia povrchovej montáže sa vykonáva montážou alebo umiestnením elektronických komponentov priamo na povrch dosky s plošnými spojmi. Komponenty pre povrchovú montáž sú zvyčajne menšie ako ich priechodné náprotivky, pretože môžu mať menšie prívody alebo vôbec žiadne prívody. Môže mať krátke vývody alebo vývody rôznych štýlov a používa sa aj keramické alebo plastové tvarovanie.

Existuje päť hlavných typov obalov pre integrované obvody s povrchovou montážou:

• Small outline integrated circuit (SOIC)
• Small outline package (SOP)
• Quad flat pack (QFP)
• Plastic leaded chip carrier (PLCC)
• Ball grid array (BGA).

Pin Grid Array

Púzdra integrovaných obvodov Pin Grid Array (PGA) usporiadajú svoje vývody do štvorcovej alebo obdĺžnikovej mriežky, ktorá obsahuje riadky a stĺpce, a vývody sú usporiadané v pravidelnom poli na spodnej strane obalu. Na vytvorenie spojov používajú malé kolíky, ktoré sú usporiadané v pravidelnom poli na spodnej strane púzdra. PGA má mnoho variantov, ktoré sú určené usporiadaním poľa a počtom spojov. Môžu sa montovať na dosky plošných spojov metódou priechodných otvorov alebo vkladať do pätice a používajú sa najmä na výrobu procesorov.

Medzi varianty Pin Grid Array patria:

• Ceramic Pin Grid Array (CPGA) 
• Plastic Pin Grid Array (PPGA)
• Staggered Pin Grid Array (SPGA) 
• Flip Chip Pin Grid Arrays (FCPGA) 
• Organic Pin Grid Array

Plošné púzdra

Plošné púzdra integrovaných obvodov majú dva alebo štyri rady vývodov usporiadaných pozdĺž okrajov integrovaného obvodu. Spôsob montáže týchto puzdier je zvyčajne povrchová montáž s vývodmi v tvare písmena L, J alebo úplne chýbajúcimi, v takom prípade sa nazývajú bezvývodové svorky. Medzi bežné ploché obaly integrovaných obvodov patria: QFP (Quad Flat Package), TQFP (Thin Quad Flat Package), STQFP (Small Thin Quad Plastic Flat Package), FQFP (Fine-pitch Quad Flat Package), (Low profile Quad Flat Package), VQFP (Very-small Quad Flat Package), ETQFP (Exposed thin quad flat-package), PQFN (Power quad flat-pack), PQFP (Plastic quad flat-package), QFJ (Quad Flat J-leaded package), QFN (Quad Flat Non-leaded package) atď.

Small Outline Integrated Circuit

"Small Outline Integrated Circuit" alebo SOIC, je malé obdĺžnikové puzdro na povrchovú montáž s vývodmi a plastovým alebo keramickým výliskom. Vývody sú vytiahnuté v tvare písmena L z oboch strán tela, pričom vývody vychádzajú z dlhšieho okraja puzdra.

Small Outline Integrated Circuit má niekoľko variantov púzdier, medzi ktoré patrí napr:

• SOJ (Small Out-Line J-Leaded Package)
• TSOP (Thin Small Outline Package) 
• SSOP (Shrink Small Outline Package)
• TSSOP (Thin Shrink Small Outline Package) 
• QSOP (Quarter-size Small Outline Package) VSOP (Very Small Outline Package)

Púzdra na úrovni čipov

Púzdro v tvare čipu (CSP) je púzdro integrovaného obvodu s povrchovou montážou, ktorého plocha nie je väčšia ako 1,2-násobok pôvodnej plochy matrice. Pôvodne bol CSP skratkou pre púzdro veľkosti čipu, ale bol upravený na púzdro veľkosti čipu, pretože neexistuje veľa púzdier veľkosti čipu.

V norme IPC (Institute for Interconnecting and Packaging Electronic Circuits) J-STD-012 pre implementáciu technológie Flip Chip a Chip Scale sa uvádza, že čip musí byť jednodielny a musí mať rozstup guľôčok najviac 1 mm, aby sa mohol kvalifikovať ako púzdro v rozsahu čipu.

Čipové púzdra sa klasifikujú ako:

• Customized Leadframe-based CSP (LFCSP)
• Flexible substrate-based CSP
• Flip-chip CSP (FCCSP)
• Rigid substrate-based CSP
• Wafer-level redistribution CSP (WL-CSP).

Guľôčkové mriežkové pole - BGA

BGA je typ púzdra pre povrchovú montáž, ktorý využíva na elektrické prepojenie sústavu kovových guľôčok nazývaných spájkovacie guľôčky. Na pripojenie sa používa spodná strana púzdra, kde sú spájkovacie guľôčky pripevnené k laminovanému substrátu v mriežkovom vzore. Tento substrát má na vnútornej strane vodivé stopy, ktoré spájajú spoje medzi matricou a substrátom a spoje medzi matricou a guľôčkami pomocou technológie lepenia drôtov alebo technológie flip-chip.

Medzi varianty BGA púzdier patria:

• MAPBGA - Moulded Array Process Ball Grid Array 
• PBGA - Plastic Ball Grid Array  
• TEPBGA - Thermally Enhanced Plastic Ball Grid Array 
• TBGA - Tape Ball Grid Array 
• PoP - Package on Package, and  
• MicroBGA.

Záver

Púzdra integrovaných obvodov je neoddeliteľnou súčasťou výroby polovodičov. Stali sa nepostrádateľným v modernej výrobe elektroniky vďaka svojim ochranným výhodám, regulácii tepla a širokému použitiu, ktoré je dôležité pre navrhovanie integrovaných obvodov, ako aj pre navrhovanie dosiek plošných spojov.

Využite možnosť profesionálnej výroby dosiek plošných spojov

Referencie :

1. Ebics. What is Packaged IC and Why is it Important? 2022. [Cited 2022 Sep 20] Dostupné online: https://ebics.net/packaged-ic/
2. Easy Tech Junkie. What is a Chip Carrier? 2022.  [Cited 2022 Sep 20] Dostupné online: https://www.easytechjunkie.com/what-is-a-chip-carrier.htm
3. Semiconductor For You. Types of IC Packages. 2021. [Cited 2022 Sep 21] Dostupné online: https://www.semiconductorforu.com/types-of-ic-packages/
4. Techopedia. What is a Chip-Scale Package (CSP)? 2022. [Cited 2022 Sep 21] Dostupné online: https://www.techopedia.com/definition/18622/chip-scale-package-csp