Типы корпусов микросхем: BGA, QFN и QFP, а также как выбрать подходящий для вашей печатной платы.

Корпус интегральной схемы — это оболочка вокруг кремниевого чипа, которая защищает его и соединяет с платой. Выбор корпуса (BGA, QFN, QFP и другие) определяет размер платы, тепловые характеристики, процесс сборки и стоимость. Выбор правильного корпуса — это не только электротехническое, но и производственное решение. В этом руководстве рассматриваются основные типы корпусов интегральных схем, сравниваются популярные варианты, как упаковка влияет на сборку и как компания Highleap Electronics обеспечивает надежную сборку каждого типа корпуса.

1. Что такое корпус интегральной схемы и для чего он нужен?

Корпус интегральной схемы (ИС) — это защитный кожух, который закрывает полупроводниковый кристалл и обеспечивает электрические соединения — выводы, контакты или шарики — от чипа к печатной плате. Он выполняет три функции: защищает хрупкий кремний от физических и внешних повреждений, обеспечивает разводку крошечных контактов кристалла на расстоянии, достаточном для монтажа на плату, и служит каналом для отвода тепла от чипа. Без корпуса обычный кристалл без упаковки невозможно было бы обрабатывать, подключать или охлаждать в процессе обычного производства.

Корпус также определяет способ установки микросхемы на плату — наличие выводов для отверстий, контактов для поверхностного монтажа или массива шариков под ними. Выбор типа корпуса влияет на всю плату: её размер, тепловые характеристики, процесс сборки и требования к контролю качества. Поскольку корпус находится на границе между микросхемой и платой, он тесно связан с технологией подложки современных компонентов, таких как печатные платы с подложкой для интегральных схем и подложки BGA , которые выводят соединения кристалла внутрь самого корпуса.

2. Типы корпусов ИС: для монтажа в отверстия, для поверхностного монтажа с выводами и матричные корпуса.

Корпуса интегральных схем делятся на три основные группы: сквозные (выводы вставляются в отверстия, как в DIP), с выводами для поверхностного монтажа (выводы припаяны к поверхности, как в QFP и SOIC) и матричные корпуса (соединения расположены снизу, как в BGA и QFN). Каждая группа представляет собой шаг к уменьшению размеров и увеличению плотности соединений, и группа в значительной степени определяет метод сборки:

Корпуса для сквозного монтажа являются самыми большими и простыми для ручной пайки, но занимают больше всего места; корпуса для поверхностного монтажа с выводами имеют доступные выводы по краям; а корпуса с матричными выводами размещают соединения под корпусом для достижения максимальной плотности и наименьшей площади. Со временем наблюдается тенденция к использованию корпусов с матричными выводами по мере уменьшения размеров устройств, что повышает требования к сборке и контролю качества — эта область рассматривается в следующих разделах и показана в сравнениях корпусов, таких как BGA и LGA.

3. BGA против QFN против QFP: в чем разница?

В корпусе QFP выводы отходят со всех четырех сторон для удобства осмотра, в корпусе QFN контактные площадки расположены по нижним краям без выступающих выводов, что обеспечивает меньшие габариты, а в корпусе BGA по всей нижней поверхности расположены шарики припоя для максимального количества соединений. Разница заключается в расположении соединений и доступности к ним, что означает компромисс между удобством осмотра и плотностью размещения:

• QFP (четверной плоский пакет) Имеет направляющие в виде крыльев чайки со всех четырех сторон; направляющие видны и их относительно легко осмотреть и подправить, что делает сборку несложной — подробности в этом обзоре. Корпуса QFN и QFP.
• QFN (четверной бемоль без отведения) Имеет прокладки вдоль нижних краев и часто центральную термопрокладку, без удлиненных проводов — меньше по размеру и обеспечивает лучшее теплоотведение, но соединения расположены под корпусом и их сложнее осмотреть, они закрыты. BGA против QFN.
• BGA (шариковая сетка) Используется массив шариков припоя по всей нижней стороне, что обеспечивает максимальное количество соединений на небольшой площади, но каждое соединение скрыто, и для его проверки требуется рентгеновский контроль, как обсуждалось ранее. Пайка BGA.

Закономерность очевидна: по мере перехода от QFP → QFN → BGA, плотность размещения компонентов и соединений увеличивается, в то время как возможности контроля становятся сложнее. Именно эта сложность контроля и является причиной необходимости в описанных далее возможностях верификации для корпусов со скрытыми соединениями.

4. Как тип корпуса микросхемы влияет на сборку печатной платы.

Тип корпуса интегральной схемы определяет процесс сборки и метод контроля: корпуса с выводами можно легко установить и визуально проверить, в то время как корпуса типа BGA и QFN требуют точной установки, контролируемого оплавления и рентгеновского контроля, поскольку их соединения скрыты под корпусом. Таким образом, выбор корпуса — это производственное решение, а не только решение, касающееся электрических характеристик; оно определяет, что должна делать линия и система контроля:

• Свинцовые микросхемы для поверхностного монтажа (QFP, SOIC) легко устанавливается, и его соединения хорошо видны. автоматизированный оптический контрольБлагодаря этому его проще всего построить.
• QFN Требуется тщательная нанесение термопасты и качественное соединение термопрокладкой, при этом скрытые кромочные и нижние стыки часто требуют рентгеновского контроля.
• BGA Для правильного сжатия шариков требуется точное размещение и контролируемый профиль оплавления, а полностью скрытые соединения можно проверить только с помощью Рентгеновское обследование — сердце надежного Сборка BGA.
• Сквозное отверстие Используется волновая или селективная пайка, что делает его самым простым в ручной пайке и проверке.

Главный вывод заключается в том, что выбор плотной упаковки обязывает вас к использованию эффективного процесса сборки с применением рентгеновского излучения, поэтому выбор упаковки и плана производства следует осуществлять одновременно, а не изолированно.

5. Как выбрать подходящий корпус для микросхемы

При выборе корпуса микросхемы учитывайте пространство на плате, требования к теплоотводу, возможности сборки и стоимость, а также доступность компонента — самый маленький корпус не всегда является лучшим вариантом, если он требует более сложной и дорогостоящей сборки, чем необходимо для вашего продукта. Часто одна и та же микросхема предлагается в нескольких корпусах, что делает этот выбор действительно важным. Факторы, которые следует учитывать:

• Место на доске. В компактных и плотных конструкциях всё чаще используются корпуса QFN и BGA; на более просторных платах можно применять корпуса с выводами, которые проще собирать.
• Тепловые потребности. Корпуса с термопрокладками или более крупными элементами лучше рассеивают тепло, что важно для энергоемких компонентов.
• Возможности сборки. Для компонентов BGA и компонентов с малым шагом выводов требуется линия оплавления с рентгеновским контролем; если такая линия доступна, то они подойдут — если нет, то более безопасным будет корпус со свинцовым покрытием.
• Стоимость и доступность. Выбор упаковки влияет как на стоимость детали, так и на стоимость сборки, при этом деталь может поставляться на склад только в определенных упаковках.

Наилучший подход заключается в том, чтобы на раннем этапе убедиться, что упаковка соответствует как конструкции, так и предполагаемому производственному процессу — в идеале, в ходе анализа технологичности производства — чтобы не принимать решение об упаковке, которую ваш процесс сборки не сможет надежно изготовить или проверить.

6. Как компания Highleap собирает все типы корпусов микросхем

Компания Highleap осуществляет сборку всех типов корпусов микросхем — сквозных, выводных, QFN и BGA — с необходимыми для каждого из них процессами установки, оплавления и контроля качества, включая рентгеновский контроль скрытых соединений. Корпуса с выводами устанавливаются и проходят оптический контроль, для компонентов с малым шагом выводов и QFN используется контролируемая паяльная паста и профиль, а BGA-компоненты устанавливаются с высокой точностью и оплавляются до профиля, обеспечивающего надежные шаровые соединения, после чего проверяются с помощью рентгеновского контроля.

Поскольку выбор типа корпуса влияет на сложность сборки, предварительная проверка технологичности изготовления гарантирует возможность сборки посадочных мест, теплоотводящих площадок и шага выводов, а также планирование необходимой проверки — выявляя риски, связанные с корпусом, до начала производства. Компания Highleap предоставляет эту услугу в рамках комплексной сборки , охватывая поиск поставщиков, размещение, пайку и проверку всех типов корпусов, а также поддерживает производство печатных плат . При запросе коммерческого предложения укажите типы корпусов микросхем на плате — особенно BGA или компоненты с малым шагом выводов — и наименьший шаг выводов, чтобы определить необходимый технологический процесс и объем проверки.

7. Часто задаваемые вопросы о корпусах микросхем

В чём разница между корпусом микросхемы и находящимся внутри чипом?

Микросхема (кристалл) — это чистый полупроводник, выполняющий основную работу; корпус — это оболочка, которая защищает микросхему, обеспечивает разводку контактов на расстоянии, достаточном для монтажа на плату, и помогает отводить тепло. Именно корпус делает микросхему удобной для работы и пайки.

Какой корпус микросхемы проще всего паять вручную?

Корпуса для сквозного монтажа, такие как DIP, являются самыми простыми в использовании, за ними следуют корпуса для поверхностного монтажа с выводами, такие как SOIC и QFP, выводы которых легко доступны. Корпуса QFN и BGA, с выводами под корпусом, сложно или невозможно изготавливать вручную, и для их изготовления требуется оплавление припоем.

Зачем компании BGA необходим рентгеновский контроль?

Поскольку шарики припоя в BGA-корпусе полностью скрыты под ним, ни одна камера не может их увидеть. Рентгеновский луч позволяет проверить шаровые соединения и обнаружить пустоты или короткие замыкания, что является единственным неразрушающим способом подтверждения сборки BGA-корпуса.

В чём разница между QFN и термопрокладкой?

QFN — это тип корпуса с контактными площадками вдоль нижних краев; теплоотводящая площадка — это большая металлическая площадка в центре многих QFN (и других корпусов), которая отводит тепло на плату. Теплоотводящая площадка должна быть хорошо припаяна как для отвода тепла, так и для обеспечения механической прочности.

Может ли один и тот же чип выпускаться в разных корпусах?

Да, многие интегральные схемы предлагаются в нескольких вариантах корпусов, что позволяет выбирать между занимаемым на печатной плате пространством, тепловыми характеристиками, сложностью сборки и стоимостью. Это делает выбор корпуса полноценным проектным решением, а не фиксированной характеристикой микросхемы.

Влияет ли выбор корпуса на стоимость печатной платы?

Да — более плотные корпуса, такие как BGA, могут потребовать больше слоев для трассировки платы, более тонких элементов и рентгеновского контроля, что увеличивает стоимость, в то время как корпуса со свинцовым покрытием дешевле в сборке. Выбор корпуса влияет как на стоимость компонента, так и на стоимость сборки.