Rôzne polovodičové komponenty a integrované obvody sa dodávajú v najrôznejších možných tvaroch a veľkostiach. Mätúce však je, že aj ten istý komponent je zvyčajne dostupný vo viacerých typoch púzdrier. Cieľom tohto článku je poskytnúť konštruktérom príručku a púzdrach polovodičov, zaužívanej terminológii a čo je dôležité, vysvetľuje, prečo existuje toľko možností pre jeden komponent s rovnakou funkčnou špecifikáciou. Či už teda vyberáte polovodič alebo nejaký integrovaný obvod pre nový návrh alebo máte za úlohu ich zaobstarať, nájdete v tomto článku užitočné informácie.

Na úvod - viete, aký je rozdiel medzi QFP32 a LQFP144?

Výber správnych polovodičových komponentov pre váš návrh ako sú integrované obvody alebo rôzne diskrétne komponenty, sa môže veľmi jednoducho stať niekoľko hodinovým trápením v podobe hľadania vhodného púzdra.

Púzdro typu QFP32

 Púzdro typu LQFP144

Prečo?

Pretože polovodičový komponent XYZ nie je k dispozícii jednoducho ako jeden typ púzdra a to z viacerých dôvodov a je viac než pravdepodobné, že bude k dispozícii v mnohých rôznych tvaroch púzdra, vyrobených z rôznych materiálov. ktoré sú dimenzované pre rôzne špecifikácie. Existuje mnoho dôvodov, prečo komponent môže byť k dispozícii v mnohých rôznych púzdrach a je preto dôležité, aby sa objednal vždy správny diel, pretože v opačnom prípade môžu byť dôsledky nákladné a môžu mať za následok prestoje vo vývoji, či výrobe. Tento článok sa zaoberá témou púzdier polovodičov a vysvetľuje niektoré dôvody prečo je k dispozícii toľko rôznych variantov jedného komponentu. Pozrieme sa tiež prečo existujú aj iné verzie s odkazom na environmentálne problémy, s ktorými sa stretávame pri automobilovom, priemyselnom, leteckom či vesmírnom použití.

Pre pobavenie - Aj toto sa môže stať, ak sa objedná nesprávny typ púzdra.

Výber a nákup polovodičov môže byť náročný predovšetkým preto, že existujú toľko variantov toho istého komponentu. Môžete napríklad zistiť, že váš dodávateľ komponentov má dostatok zásob konkrétneho komponentu v púzdre QFN (obrázok 1), ale len niektoré požadované komponenty v púzdre QFP. Taktiež výrobné označenia na púzdre môžu vyzerať podobne, avšak fyzicky sa výrazne líšia, čo si vyžaduje značné prepracovanie dosky, aby sa do nej zmestil obvod v púzdre QFN, čo si samozrejme vyžiada čas a dodatočné náklady a tým pádom aj zdržanie.

Obrázok 1 Integrovaný obvod v púzdre QFN

Dôvody, prečo je toľko púzdier pre polovodiče

Pojem polovodič je pomerne veľmi široká klasifikácia. Môže sa vzťahovať na jeden diskrétny komponent ako je napríklad dvojdióda, trojvývodový tranzistor alebo 128-vývodový integrovaný obvod obsahujúci miliardy polovodičových hradiel. Pre niektoré aplikácie, ako je napríklad spínanie energie, sa používa relatívne malá skupina polovodičov, zvyčajne MOSFET. Sú to malé, zapuzdrené komponenty a tvoria jeden kompaktný celok. Každá kategória  polovodičov, tranzistorov, integrovaných obvodov alebo modulov má svoj vlastný súbor terminológie, výrobných materiálov a konštrukčných metód. Takisto niektoré aplikácie, ako napríklad automobilový a vesmírny priemysel, vyžadujú ďalšie certifikácie alebo kvalifikácie, ktoré musí komponent spĺňať. V nasledujúcich častiach upozorňíme na niekoľko dôvodov, prečo existuje toľko rôznych formátov púzdier polovodičov.

16 pinov alebo 80 pinov? Na čo toľko druhov?

Integrované obvody, ako sú mikrokontroléry a mikroprocesory, sú k dispozícii vo viacerých púzdrach a kombinácií pinov. Ten istý komponent môže byť napríklad k dispozícii v kompaktnom púzdre QFP32 (Quad Flat Package 32 pinov) a LQFP144 (Low Profile Quad Flat Package 144 pinov). Takouto ponukou rôznych variantov poskytujú výrobcovia polovodičových integrovaných obvodov inžinierom vyššiu flexibilitu pri navrhovaní a dúfajú, že sa tým koncove zariadenie stane populárnejším. Pretože priestor je pri vývoji  vždy na prvom mieste, dostupnosť menších integrovaných obvodov pomáha maximalizovať rozloženie komponentov na doske plošného spoja. Väčšina procesorových integrovaných obvodov integruje veľký počet pinov rozhrania a možností pripojenia periférií. Príklady zahŕňajú GPIO (General-Purpose Iput Output). Avšak nie každá aplikácia ich vyžaduje toľko, preto výrobcovia poskytujú varianty integrovaných obvodov s prístupom k obmedzenému množstvu funkcií. V žiadnom prípade to však neznamená to, že integrovaný obvod je menej výkonný alebo má nejakým spôsobom obmedzenú svoju funkčnosť.

Teplotný faktor

Všetky polovodiče sú citlivé na extrémne teploty - či už kladné, alebo záporné. Avšak pre väčšinu komerčných a domácich aplikácií je viac než nepravdepodobné, že by akýkoľvek výrobok na polovodičovej báze im bol vystavený. Existujú tri základné prevádzkové teplotné rozsahy, ktoré výrobcovia polovodičov používajú na klasifikáciu svojich výrobkov: Komerčné, automobilové a priemyselné.

• Komerčné - vhodné pre väčšinu všeobecných aplikácií v rozmedzí teplôt od - 0 °C až +60 °C
• Priemyselné - širší rozsah teplôt od -40 °C do +85 °C
• Automobilový priemysel - rozšírenie rozsahu od -40°C do +125°C

Spôsob konštrukcie a vnútorný dizajn polovodiča napríklad integrovaného obvodu, ktorý bude použitý v automobile sa môže líšiť od komerčného variantu tak, aby mohol byť prispôsobený vyššiemu rozsahu teplôt a nezlyhával. Ak je v kusovníku materiálu (BOM) uvedený automobilový diel, je to pre dobrý dôvod a verte, že sa nevypláca experimentovať v podobe použitia jeho komerčnej varianty. Komerčný integrovaný obvod nie je v tomto prípade vhodnou alternatívou a mohol by mať za následok porušenie zmluvných záväzkov so zákazníkom a mohol by významne znížiť konečnú funkčnosť výrobku.

Plastové či keramické púzdro - prečo toľko možností?

Po zložitosti púzdra a počtu pinov môžete nájsť ďalšie možnosti v podobe materiálu použitého na výrobu púzdra integrovaného obvodu. Púzdro poskytuje oporu pre prepojenie od uzavretého polovodičového jadra a zefektívňuje spôsob odvádzania tepla z komponentu. Fyzická ochrana jadra a spoľahlivosť pripojenia integrovaného obvodu k doske plošných spojov je ďalšou funkciou púzdra. Aj v automobilovom priemysle a v mnohých priemyselných prípadoch použitia, napríklad okrem environmentálnych faktorov je potrebné zohľadniť aj možné vibrácie a nárazy. Plast je celkovo najobľúbenejším materiálom nakoľko je ľahký a lacný a po ňom nasleduje keramika, ktorá má lepšiu tepelnú vodivosť a môže byť hermeticky uzavretá. Pre vysokoteplotné aplikácie je keramické púzdro uprednostňované a je tak povediac štandard. Vystavenie rôznym formám žiarenia je ďalším faktorom pre mnohé elektronické konštrukcie ako sú napríklad vojenské a vesmírne aplikácie. Žiarenie s ktorým sa stretávame vo vesmíre a vo vyšších vrstvách našej atmosféry môže spôsobiť nepravidelnú prevádzku polovodičov a potenciálne ich aj môže zničiť. Radiačne odolné integrované obvody sú zvyčajne zapuzdrené v kovovom obale, hoci v súčasnosti sú už k dispozícii aj vylepšené plastové púzdra, ktoré sú vhodné pre takýto typ použitia.

Mechanické namáhanie

Niektoré prípady použitia integrovaných obvodov vystavujú dosky plošných spojov a komponenty na nich silnému mechanickému namáhaniu spôsobenému vibráciami a nárazovými silami. Tieto sily časom spôsobia, že vývody komponentov a prepojovacie vodiče zlyhávajú. Napríklad vnútorné vodiče komponentov od polovodičovúho jadra k vonkajším vývodom, sú tiež náchylné na preručenie. Pre automobilové aplikácie definuje tieto faktory Rada pre automobilovú elektroniku niekoľko záťažových testov elektronických komponentov založených na mechanizmoch porúch. Napríklad sa jedná o normy: AEC-Q100 (Automotive Electronics Council) pre integrované obvody a AEC-Q101 pre diskrétne polovodiče. Konštruktéri však opäť musia nakupovať len varianty vyhovujúce požiadavkám AEC pre takéto aplikácie.

Príklady púzdier polovodičov a terminológia

Integrované obvody a tranzistory, podobne ako všetky elektronické súčiastky, sú k dispozícii buď vo forme komponentov pre povrchovú montáž (SMD) alebo ako priechodné komponenty s vývodom. Hoci sú zvyčajne väčšie ako SMD komponenty, dajú sa oveľa ľahšie spájkovať na dosku plošných spojov. Naproti tomu je spájkovanie povrchovej montáže (SMT) zložitejšie a vyžaduje si iné technologické postupy a vybavenie. Nižšie uvedieme len niekoľko z mnohých termínov a metód používaných na klasifikáciu púzdier integrovaných obvodov. Typy púzdier integrovaných obvodov a tranzistorov sú štandardizované a spravované organizáciou JEDEC (Joint Electron Device Engineering Council), čo je nezávislá organizácia pre elektronické komponenty.

DIL - dual-inline - typ tohoto púzdra je tu už od smotného vzniku prvých integrovaných obvodov a stále je to najpoužívanejší typ púzdra. Pozostáva z dvoch radov priechodných pinov (obrázok 2).

Obrázok 2 Výber puzdier DIL

Púzdra pre povrchovú montáž (SMT) - existuje mnoho rôznych typov, ktoré sú štvorcové, alebo obdĺžnikové, majú štyri strany. Najbežnejšie používané sú QFP (Quad Flat Package), FQFP (Fine-pitch Quad Flat Package), QFNP (Quad Flat Not-leaded Package), TQFN (Thin Quad Flat Package) a VQSP (Very Small Quad Package).

Integrované obvody s mriežkovým usporiadaním (Grid array) - zvyčajne čím zložitejšie a komplexnejšie sú funkcie a požiadavky na výkon integrovaného obvodu tým viac vývodov si púzdro vyžaduje. Akcelerátory strojového učenia novej generácie, grafické procesory (GPU) a programovateľné  polia (FPGA) využívajú celý rad pripojení pod integrovaným obvodom vo forme spájkovacích guličiek. Medzi príklady patria najmä BGA (Ball Grid Array), ako je znázornené na obrázku 3, PGA (Pin Grid Array) a TFBGA (Thin Fine-pitch Ball Grid Array).

Obrázok 3 Púzdro typu BGA

Tranzistorové púzdra -  zahŕňajú prvé typy TO-3, TO-5, a TO-18, obľúbený obrys tranzistora pre malé signály TO-95 až po výkonový TO-220, čo je tranzistor s integrovaným kovovým chladičom. Miniatúrne tranzistory pre bezolovnaté spájkovanie ako SOT-23 (Small Outline Transistor) alebo SOT-523.

A ďalšie nie menej dôležité parametre?

Úroveň citlivosti na vlhkosť (MSL) - Je veľmi dôležitá najmä pre SMT komponenty, ktoré prechádzajú spájkovaním pretavením. V tomto prípade hodnota MSL udáva, ako je komponent citlivý, respektíve odolný na teplotu. Často sa uvádza spolu s maximálnou teplotou pretavovania, ktorú môže v procese spájkovania bezpečne vydržať. Je preto potrebné mať na pamätati, že aj relatívne malé a na prvý pohľad bezvýznamné zachytené množstvo vlhkosti vo vnútri komponentu počas procesu pretavovania, vytvára v púzdre nadmerný tlak vzduchu, čo môže viesť k jeho trvalému poškodeniu, či deštrukcii komponentu.

Záver

Výber a následný nákup elektronických komponentov môže predstavovať mnoho výziev, nakoľko integrované obvody a tranzistory sú dostupné v mnohých tvaroch a veľkostiach púzdier, vývodov a spôsobov montáže. V tomto článku sme sa pokúsili aspoň čiastočne vysvetliť, prečo často existuje viacero variánt púzdra  jedného integrovaného obvodu alebo tranzistora, spolu s niektorými používanými termínmi. S týmito vedomosťami sa vývojárom a manažérom obstarávania bude jednoduchšie porozumieť dôvodom jednotlivých variantov pri návrhu a výrobe svojho projektu.