Элементная база для поверхностного монтажа электронных компонентов

Современная технология поверхностного монтажа предусматривает следующие требования к электрон-
ным компонентам [9]:

• минимальные масса и габариты, плоскостность, низкий профиль выводов, невысокая стоимость, о6еспечение стандартизации;

• пригодность к автоматизированному монтажу, возможность использования существующих методов пайки;

• высокую термостойкость в условиях длительной тепловой нагрузки в процессе пайки
• возможность современного корпусирования.

В настоящее время на рынке ЭК имеется большой
выбор элементов в различных корпусах для поверхно-
стного монтажа. Причем, разработка корпусов для
ЭК приблизилась к такой стадии, кoгда её poль -
становится столь же важной, как и разработка самих компо-
нентов. Основными компонентами для поверхностно-
го монтажа являются большие (БИС) и сверх-большие
(СБИС) интегральные схемы (ИС) и полупроводнико-
вые приборы в малогабаритных корпусах. Существует
большой выбор корпусов для поверхностного
монтажа. Необходимо отметить, что размеры кристалла ИС
продолжают увеличиваться, а размеры элементов в
нем – уменьшаются, поэтому специалисты, занимаю-
щееся вопросами сборки компонентов, столкнулись с
двойной проблемой. Во-первых, необходимо собир-
ать физически большой кристалл,высокая плотность
элементов в котором требует увеличения числа кон
тактных площадок для соединения его с внутренними
выводами корпуса. Во вторых, увеличение размеров и
плотности упаковки элементов в кристаллах БИС и
СБИС требует увеличения числа выводов в корпусах,
в которые они монтируются, что может приводить к
возрастанию их размеров, веса, ухудшению электри-
ческих характеристик и быстродействия микроприбо-
ров.

Поэтому техника корпусирования БИС и СБИС –
динамичная, бурно развивающаяся область микро-
электроники, при этом основной тенденцией является
стремление к минимизации объемов корпуса при -

одновременном росте числа выводов с уменьшением расстояния между ними.

Корпуса классифицируют в зависимости
от конструктивных особенностей и геометрических
pазмеров. Классификация корпусов для поверхност
ного монтажа приведена на рисунке 2.40. B соответствии с
этой классификацией в таблице 2.13 приведены основ-
ные данные о наиболее распространенных и перспективных типах корпусов.

Следует отметить, что некото-
рые изготовители в справочных данных в качестве ос-
новного приводят фирменное обозначение корпуса, а
в комментариях дают сведения о соответствии фирменного
обозначения общепринятому. Кроме того,
часто перед общепринятыми обозначениями корпу-
сов ставят букву, определяющую материал, из которо-
го сделан корпус: P - пластик, С - керамика, М - ме-
таллокерамика.

Рисунок 2.40 - Классификация корпусов микросхем, предназначенных для

поверхностного монтажа

Корпуса с выводами по периметру входят в состав
семейства SOP, SOJ, QFJ, QFP, DIP. Наиболее рас-
пространены корпуса SOP (число выводов от 8 до 100)
и QFP (число выводов от 20 до 304). В корпусах
с большим количеством выводов выпускают цифровые мик-
росхемы средней и высокой степени интеграции, а
корпусах с малым количеством выводов - цифровые
микросхемы малой и средней степени интеграции,
аналоговые микросхемы, диоды и транзисторы.

Микросхемы в исполнении TCP имеют ленточные
выводы из тонкой медной или алюминиевой фольги на
полимерной пленке, прикрепленные к кристаллу пай-
кой или ультразвуковой сваркой. После установки на
плату микросхемы должны герметизироваться в соста-
ве платы. Они поставляются на ленте-носителе и хо-
рошо приспособлены для автоматизированного кон-
троля параметров и монтажа. Этот тип микросхем
применяют в недорогой, не подлежащей ремонту -
аппаратуре с большими объемами выпуска.

Для микросхем высокой и сверхвысокой степени
интеграции в последние годы получили широкое
распространение корпуса BGA, поскольку они от-
носительно недороги и пpи большом количестве вы-
водов занимают мало место на плате. Согласно тех-
нологии ВGА бескорпусные кристаллы (один или не-
сколько) монтируют на поверхность печатной мик-
роплаты и герметизируют полимерным компаундом.

Микросхемы в корпусах BGA паяются на платы с помощью выводов, выполненных в виде массива шариков припоя на контактных площадках микроплаты. Дальнейшее развитие технологии корпусов BGA привело к созданию корпусов типа CSP, в которых отсутствует печатная микроплата, а шариковые выводы размещены непосредственно на контактных площадках в верхнем слое металлизации кристалла. После формирования шариковых выводов кристалл заливают тонким слоем пластмассы и монтируют на печатной плате так же,как корпус BGA. В случае необходимости на верхней стороне микросхемы устанавливают теплоотвод. При эффективности использования площади платы эта технология практически не уступает технологии flip-chip (монтаж на плату перевернутых бескорпусных кристаллов и герметизация их полимерным компаундом в составе платы). Основным тормозом в массовом выпуске микросхем в корпусах типа CSP и широком применении технологии flip-chip является отсутствие надёжного и не
доpогого способа уменьшения напряжений в системе
кристалл-печатная плата, возникающих из-за разли
чия температурных коэффициентов pасширения полупроводникового кристалла (2×10^-6 /°С), меди (16,6×10^-6 /°С)
и диэлектрика типа FR-4 ((15...19)×10^-6 /°С), из которо-
го делают печатные платы.

Поэтому основные усилия
разработчиков направлены на повышение надежнос-
ти таких микросхем путем создания между кристаллом
и платой недорогой переходной структуры, гасящей
температурные напряжения.

Таблица 2.13 - Корпуса микросхем для поверхностного монтажа

Корпус	Краткое описание	Шаг Выво дов, мм	Внешний вид корпуса
Тип	Полное название
1. Kopпycа для микросхем низкой, средней и высокой степени интеграции 1.1.С выводами вдоль двух боковых сторон корпуса 1.1.1. Со стандартным шагом расположения выводов
SO, SOP, SOL, SOIC	Small Outline Package, Small Outline Integrated Circuit	Выводы в виде крыла чайки или в виде буквы «L»	1.27
SOJ	Small Outline J-Lead Package	Выводы в виде буквы «J»	1.27
TSOP, вариант 2	Thin Small Outline Package	Корпус c уменьшенной высотой над платой (не более 1.27 мм), выводы расположены вдоль длинной стороны корпуса	1.27
1.1.2. С уменьшенным шагом расположения выводов
TSOP, вариант 1	Тhin Small Outline Package	Корпус с уменьшенной высотой над платой (не более 1.27 мм), выводы расположены вдоль короткой стороны корпуса	0.5
SSOP, SSOL	Shrink Small Outline Package	Kopпyc SOP c уменьшенным шагом расположения выводов	1.00 0. 80 0.65 0.50
TSSOP	Thin Shrink Small Outline Package	Корпус SSOP с уменьшенной высотой над платой (не более 1.27 мм). Стандартизован EIAJ, JEDEC	0.65 0.50
TVSOP	Thin Very Small Outline Package	Миниатюрный корпус SOP	0,10
uSOIC	microSOIC	Миниатюрный корпус SOIC	0.65
1.2. С выводами вдоль четырех сторон корпуса 1.2.1. Со стандартными размерами корпуса
QFP	Quad Flat Package	Выводы в виде крыла чайки вдоль четырех сторон корпуса	1.00 0.80 0. 65
PLCC	Plastic Leaded Chip Carrier	Кристаллоноситель с выводами в виде буквы Г. Стандартизован EIAJ, JEDEC	1.27 0.636

Продолжение таблицы 2.13 - Корпуса микросхем для поверхностного монтажа

Корпус	Краткое описание	Шаг Выво дов, мм	Внешний вид корпуса
Тип	Полное название
1.2.2. С уменьшенными размерами корпуса
LQFP, NQFP	Low Profile (Thin) Quad Flat Package	Корпус OFP с уменьшенной высотой над платой (не более 1.27 мм)	0.80 0.65
MQFP	Metric Thin Quad Flat Package	Корпус QFP с метрическим шагом выводов и уменьшенной высотой над платой	0.60
FQFP	Fine Pitch Quad Flat Package	Корпус OFP с малым шагом расположения выводов. Стандартизован EIAJ	0.40
1.3. С матрицей выводов на нижней поверхности корпуса
BGA	Ball Grid Array	Микросхема или многокристальный модуль на двухслойной печатной микроплате, снабжен массивом шариковых выводов	1.27, 1.00
CPS	Chip Scale Package	Корпус с размерами, незначительно превышающими размеры кристалла. Снабжен массивом шариковых выводов	1.00, 0.50
2. Корпус а для транзисторов и микросхем низкой степени интеграции 2.1. С низкой рассеиваемой мощностью
SOT-23	Small Outline Transistor	Для диодов, транзисторов, микросхем с малым количеством выводов. SOT-23 выпускается также в варианте исполнения с пятью (SOT-5, SOT-23-5) или шестью (SOT-6,S0T-23-6) выводами	0.95
SOT-143	1.90
SOT-323	0.65
SOT-363	0.65
2.2. Со средней рассеиваемой мощностью
SOT-223	Small Outline Transistor	Для транзисторов и микросхем с малым количеством выводов (DC/ DC преобразователей, стабилизаторов напряжения)	1.95
DPAC	D-package	4.80
2.3. С высокой рассеиваемой мощностью
D2PAC	D-package	Для транзисторов и микросхем с повышенной рассеиваемой мощностью, высокий напряжением питания Как правило это приборы с импульсными токами до 100 А	2.54/ 5.08
D3PAC	D-package	10.9

Для микросхем, имеющих регулярную структуру,
небольшую потребляемую мощность и малое количе
ство выводов (типичные представители подобных микросхем
– микросхемы памяти) начали развивать тех-
нологию изготовления многоуровневых («этажероч-
ных») модулей 3DМ. Согласно одному из вариантов
этой технологии каждый уровень выполняется анало
гично микросхеме BGA, кристалл устанавливается -
методом flip-chip и заливается слоем полимерного ком-
паунда. Затем микроплаты разных уровней собирают
в столбик, шариковые выводы припаивают для созда-
ния вертикальных соединительных проводников, платы
столбика скрепляют полимерным компаундом. Полу-
ченный модуль монтируют на плату с помощью -
шариковых выводов.

Корпуса семейства SOT первоначально были раз-
работаны для транзисторов и имели три вывода (за ис-
ключением SOT-363, который имел 6 выводов). Одна-
ко впоследствии изготовители начали применять эти
корпуса для микросхем, при необходимости увеличи-
вая количество выводов с сохранением прежних габа
ритов. В частности, выпускаются микросхемы в -
корпусах SOT-23 с пятью выводами и D2PAK – с четырьмя.

С точки зрения конструктора, разнообразие типо-
размеров корпусов незначительно усложняет процесс разработки печатных плат, если их размеры заданы в одной измерительной системе. И наоборот, процесс разработки усложняется, если на плате для части корпусов размеры заданы в дюймах, а для остальных – в
миллиметрах. Поэтому разработчику принципиальной электри
ческой схемы следует стремиться к выбору микросхем, размеры которых заданы в единой измерительной системе.

Тонкопленочные чип-резисторы.

В общем количестве электронных компонентов, используемых при производстве аппаратуры, пассивные составля
ют 70%, причем не менее 50 % из них приходится на резисторы.

Конструкция чип-резисторов показана на рисунке 2.41.

Основанием чип-резисторов служит керамическая
подложка на основе оксида алюминия, на которую наносится резистивный слой. Высокая точность вели
чины сопротивления достигается лазерной подгонкой. Электрический кон
такт с печатной платой обеспечивается трехслойной поверхностью, состоящей из внутреннего слоя выводов палладий- серебро, барьерного
слоя никеля и внешнего слоя выводов олово - свинец или олово. Вв
едение в конструкцию дополнительного
слоя никеля при пайке предотвращает миграцию се
ребра из внутреннего выводного слоя в припой.

На
защитное покрытие из боросиликатного стекла наносится несмываемая кодовая маркировка номинала. Благодаря высокому качеству и стабильности параметров, чип-резисторы являются оптимальным выбором для любой аппаратуры.

Основные характеристики тонкопленочных чип-резисторов приведены в таблице 2.14.

Таблица 2.14 - Характеристики чип-резисторов

Таблица 2.15 - Характеристики чип-конденсаторов

Керамические чип-конденсаторы.

Конденсаторы были первыми ЭК, которые стали выпускать в исполнении, рассчитанном для монтажа на поверхность. Это самый распространенный вид конденсаторов в настоящее время. При малых габаритах они обеспечивают реализацию широкой шкалы ёмкости и заданного температурного коэффициента. Простота технологии изготовления делает керамические конденсаторы массовых серий самым дешевым видом этих компонентов. Конструкция керамического чип-конденсатора приведена на рисунке 2.42.

Рисунок 2.41 - Конструкция чип-резистора

Рисунок 2.42 - Конструкция чип-конденсатора

Такие чип-конденсаторы обладают высокой механической прочностью и выдерживают высокие механические нагрузки, возникающие при изготовлении и эксплуатации. Электрический контакт с печатной платой обеспечивается так же, как и при монтаже чип-резисторов.

Основные преимущества керамических чип-конденсаторов :

• трехслойные контактные поверхности с барьерным слоем никеля;

• высококачественные диэлектрические материалы;

• стойкость ко всем видам пайки.

Основные характеристики керамических конденсаторов приведены в таблице 2.15.

Характеристики диэлектрических материалов:

• NPO/SOG – ультрастабильная керамика. Имеет очень малые диэлектрические потери при изменениях температуры и близкие к нулю эффекты старения. Обладает низкой диэлектрической проницаемостью;

• X7R – высокая диэлектрическая проницаемость. Средние значения потерь при изменениях температуры и эффектов старения;

• Z54, Y5V – высокая диэлектрическая проницаемость.

Необходимо отметить, что развитие элементной базы для поверхностного монтажа характеризуется следующими особенностями:

• дальнейшим повышением степени интеграции полупроводниковых БИС, СБИС с расширением их функциональных возможностей;

• возрастающим разнообразием корпусов для поверхностного монтажа активных и пассивных компонентов;

• появлением для БИС и СБИС корпусов с особо малыми расстояниями между выводами или контактами, число которых возрастает, а также конструкций с использованием технологии flip-chip, безвыводных корпусов и с выводами на нижней стороне корпуса;

• разработкой и выпуском конструкций широкого ряда дискретных элементов (индуктивностей, трансформаторов, переключателей) для монтажа на поверхность КП.

Коммутационные платы

Переход от выводного монтажа к технологии поверхностного монтажа обеспечил уменьшение размеров КП. При этом размеры плат определяются характеристиками материалов, из которых они изготавливаются, так как в процессе пайки электронных компонентов одновременно происходит нагрев плат. Кроме того, необходимость уменьшения размеров плат связана с технологической оснасткой и оборудованием для монтажа и пайки.

Конструкция КП для поверхностного монтажа
должна обеспечивать повышенную плотность монта-
жа (в среднем более восьми компонентов на 1 см²),
ширину проводящих дорожек и расстояний между ним-
и менее 0,2 мм, минимальную длину межсоединений,
отсутствие навесных перемычек, монтаж компонентов
с двух сторон, возможность более интенсивного теп-
лоотвода, полную автоматизацию сборки и монтажа компонентов, а также контроль качества сборки.

Применение современных компонентов для по-
верхностного монтажа требует особых подходов к
проектированию КП при выборе конфигурации и раз-
меров контактных площадок и соединительных про-
водников, а также допусков на изготовление КП. Следует подчеркнуть, что изготовители в документации на
пассивные и активные электронные компоненты обыч-
но приводят рекомендации по размерам и расположению контактных площадок, а также способу пайки с указанием температурно-временной характеристики процесса.

Для изготовления КП применяют различные органические и неорганические материалы. При этом совершенствуются известные технологические процес-
сы а также появляются новые, позволяющие -
существенно снизить производственные затраты и улучшить
качество КП: лазерное экспонирование рисунка
на шаблонах или самих КП, покрытых резистом; при-
менение неудаляемых резистов, сухих (например, тер-
момагнитных) резистов, способствующих повышению
производительности при получении рисунка
металлизации на КП.

При создании коммутационных проводников пре-
обладают аддитивная и полуаддитвная технологии, о
днако многие зарубежные фирмы используют и субт-
рактивную технологию, которая, как известно, требу-
ет применения фольгированных диэлектрических мате-
риалов, позволяющих получить минимальную ширину
дорожек 50-100 мкм.

Изготовление КП с повышенной плотностью монта-
жа поставило ряд задач, главными из которых являются:

•
согласование по температурному коэффициенту
расширения платы и монтируемых на ней электрон-
ных компонентов;

• обеспечение теплоотвода при повышенной рассеи-
ваемой мощности;

• оптимизации геометрии элементов коммутации с уче-
том специфики электронных компонентов, а также
свойств применяемых припоев, защитных и клеевых
материалов.

Развитие техники поверхностного монтажа способствовало
появлению новых технических пластмасс, керамических и раз-
личных композиционных материалов, необходимых для опреде-
ленных типов микросборок. При изготовлении простых и отно-
сительно дешевых сборок полностью пригодны традиционные
материалы, такие как слоистые бумажнофенольные и стеклоэпо-
ксидные материалы.

Но поистине вызовом,который бросает технология поверхностного монтажа компонентов (ТПМК) изготовителям
коммутационных плат, являются требования к точности их изготовления:
в ТПМК на всех этапах технологического цикла до
пуски для плат должны составлять от 0,001 до 0,002 дюйма
(0,0254 - 0,0508 мм).

В таблице 2.16 указаны факторы, обусловленные особенностями
ТПМК применительно к изготовлению коммутационных плат.
Они тесно связаны с компромиссом между плотностью монтажа
и эффективным использованием коммутационной платы, а имен-
но: более высокая степень использования плат может служить
как целям уменьшения размеров платы с тем же самым коли-
чеством коммутационных слоев, так и целям повышения функ-
циональной сложности изделий при сохранении размеров плат с одновременным увеличением числа слоев. В обоих случаях в
технологию изготовления плат должны вноситься изменения:
миниатюризация отверстий и коммутационных дорожек, а также
увеличение количества слоев коммутации требуют повышения
точности технологических процессов.