Пояснення типів корпусів ІС: BGA, QFN, QFP та як вибрати для вашої друкованої плати

Корпус мікросхеми – це корпус навколо кремнієвого чіпа, який захищає його та з'єднує з платою, а обраний вами корпус (BGA, QFN, QFP та інші) визначає розмір плати, теплові характеристики, процес складання та вартість. Вибір правильного варіанту є таким же виробничим рішенням, як і електричним. У цьому посібнику пояснюються основні типи корпусів мікросхем, порівнюються популярні з них, як корпус впливає на складання та як Highleap Electronics надійно збирає кожен тип корпусу.

1. Що таке корпус ІС і які його функції?

Корпус мікросхеми – це захисний корпус, який охоплює напівпровідниковий кристал і забезпечує електричні з'єднання — виводи, контакти або кульки — від кристала до друкованої плати. Він виконує три функції: захищає крихкий кремній від фізичних пошкоджень та пошкоджень навколишнього середовища, розподіляє крихітні з'єднання кристала на відстані, придатні для монтажу на плату, та забезпечує шлях для відведення тепла від кристала. Без корпусу голий кристал не можна було б обробляти, підключати або охолоджувати у звичайному виробництві.

Корпус також визначає, як чіп зібраний на платі — чи має він контакти для отворів, виводи для поверхневого монтажу чи масив кульок знизу. Цей вибір корпусу впливає на всю плату: її розмір, тепловий дизайн, процес складання та потреби перевірки. Оскільки корпус розташований на межі між чіпом та платою, він тісно пов'язаний з технологією підкладок сучасних деталей, таких як друковані плати на основі інтегральних схем та підкладки BGA , які виводять з'єднання кристала всередині самого корпусу.

2. Типи корпусів ІС: наскрізні, з виводами SMT та матричні

Корпуси ІС поділяються на три широкі сімейства: наскрізні (виводи вставляються в отвори, як-от DIP), виводи для поверхневого монтажу (виводи припаяні до поверхні, як-от QFP та SOIC) та матричні корпуси (з'єднання знизу, як-от BGA та QFN). Кожне сімейство являє собою крок до меншого розміру та вищої щільності з'єднань, і сімейство значною мірою визначає метод складання:

Корпуси з наскрізним паянням є найбільшими та найлегшими для ручного паяння, але займають найбільше місця; корпуси SMT з виводами мають доступні виводи по краях; а матричні корпуси розміщують з'єднання під корпусом для найвищої щільності та найменшої площі. З часом спостерігається тенденція до матричних корпусів, оскільки пристрої зменшуються, що підвищує вимоги до складання та перевірки — ця професія буде розглянута в наступних розділах і проявляється в порівняннях корпусів, таких як BGA та LGA.

3. BGA проти QFN проти QFP: у чому різниця?

QFP має виводи, що тягнуться з усіх чотирьох боків для легкого огляду, QFN має контактні площадки на нижніх краях без подовжених виводів для меншої площі, а BGA має масив кульок припою по всій нижній стороні для найбільшої кількості з'єднань. Різниця полягає в тому, де знаходяться з'єднання та наскільки вони доступні, що впливає на зручність огляду та щільність:

• QFP (пакет Quad Flat) має виводи у формі крила чайки з усіх чотирьох боків; виводи видимі та їх відносно легко оглядати та переробляти, що спрощує складання — деталі в цьому огляді на Корпуси QFN проти QFP.
• QFN (Quad Flat No-lead) має прокладки вздовж нижніх країв і часто центральну термопрокладку, без подовжених виводів — менший і кращий з точки зору тепла, але з'єднання знаходяться під корпусом і їх важче оглядати, оскільки вони покриті BGA проти QFN.
• BGA (матриця кулькової сітки) використовує масив кульок припою по всій нижній стороні, забезпечуючи найбільше з'єднань на невеликій площі, але кожне з'єднання приховане, що вимагає рентгенівської перевірки, як обговорювалося в Пайка BGA.

Закономірність зрозуміла: у міру переходу від QFP → QFN → BGA, розмір і щільність з'єднань покращуються, а можливість перевірки стає складнішою. ​​Саме ця проблема перевірки є причиною, чому корпуси з прихованими з'єднаннями потребують можливості перевірки, описаної далі.

4. Як тип корпусу ІС впливає на складання друкованої плати

Тип корпусу ІС визначає процес складання та метод контролю: корпуси з виводами можна легко розмістити та візуально перевірити, тоді як корпуси з матричними виводами, такі як BGA та QFN, потребують точного розміщення, контрольованого оплавлення та рентгенівського контролю, оскільки їхні з'єднання приховані під корпусом. Тому корпусування є виробничим рішенням, а не лише електричним — воно визначає, що повинні робити лінія та контроль:

• Вивідний поверхневий монтаж (QFP, SOIC) легко розміщується, а його стики видно автоматизований оптичний огляд, що робить його найпростішим у будівництві.
• QFN потребує ретельного клею та гарного термопрокладкового з'єднання, з прихованими краями та нижніми з'єднаннями, які часто потребують рентгенівського дослідження.
• BGA вимагає точного розміщення та контрольованого профілю оплавлення, щоб кульки правильно стиснулися, а його повністю приховані з'єднання можна перевірити лише Рентгенологічне обстеження — серце надійності Збірка BGA.
• Крізь отвір використовує хвильову або селективну пайку, і її найлегше паяти та перевіряти вручну.

Висновок полягає в тому, що вибір щільного корпусу зобов'язує вас до ефективного процесу складання за допомогою рентгенівського випромінювання, тому корпус та план виробництва слід визначати разом, а не окремо.

5. Як вибрати правильний корпус ІС

Вибирайте корпус мікросхеми, збалансувавши розмір плати, теплові потреби, можливості складання та вартість з доступністю деталі — найменший корпус не завжди є найкращим, якщо він вимагає складнішої та дорожчої збірки, ніж потрібно вашому продукту. Часто один і той самий чіп пропонується в кількох корпусах, що робить його реальним вибором при розробці. Фактори, які слід врахувати:

• Простір на дошці. Щільні та щільні конструкції спрямовані на QFN та BGA; на більш містких платах можна використовувати корпуси з виводами, які легше збирати.
• Теплові потреби. Корпуси з термопрокладками або більші корпуси краще розсіюють тепло, що важливо для енергоємних компонентів.
• Можливість складання. Для деталей BGA та деталей з дрібним кроком потрібна лінія оплавлення з рентгенівським випромінюванням; якщо така можливість є, то вони підходять, якщо ні, то безпечніший корпус з виводами.
• Вартість та доступність. Вибір упаковки впливає як на вартість деталі, так і на вартість складання, а деталь може бути на складі лише в певних упаковках.

Найкращий підхід полягає в тому, щоб заздалегідь підтвердити відповідність корпусу як конструкції, так і запланованому виробничому процесу — в ідеалі під час перевірки технологічності — щоб ви не зобов'язувалися використовувати корпус, який ваш процес складання не може надійно виготовити або перевірити.

6. Як Highleap збирає кожен тип корпусу ІС

Highleap збирає всі типи корпусів мікросхем — наскрізні, для поверхневого монтажу з виводами, QFN та BGA — з необхідністю розміщення, оплавлення та контролю для кожного з них, включаючи рентгенівський аналіз прихованих з'єднань. Корпуси з виводами розміщуються та проходять оптичний контроль, деталі з дрібним кроком та QFN отримують контрольовану пасту та профілі, а BGA точно розміщуються та оплавляються до профілю, який утворює надійні кульові з'єднання, а потім перевіряються рентгенівським методом.

Оскільки вибір корпусу визначає складність складання, перед складанням проводиться перевірка технологічності, щоб переконатися, що посадкові місця, термопрокладки та крок виготовлені, а також що заплановано правильну перевірку — виявлення ризиків, пов'язаних з корпусом, ще до запуску. Highleap пропонує це в рамках складання "під ключ" , охоплюючи постачання, розміщення, паяння та перевірку всіх типів корпусів, а також підтримує виробництво друкованих плат від чистої плати до самого процесу виробництва . Коли ви запитуєте цінову пропозицію, перелічіть корпуси ІС на платі, особливо будь-які BGA або деталі з дрібним кроком, та найменший крок виводу, щоб було визначено правильний процес та обсяг перевірки.

7. Найчастіші запитання щодо пакетів IC

Яка різниця між корпусом ІС та мікросхемою всередині?

Чіп (кристал) — це напівпровідник, який виконує всю роботу; корпус — це його захист, розгалужує контакти до потрібного кроку для монтажу на плату та допомагає відводити тепло. Корпус — це те, що робить чіп зручним для роботи та паяння.

Який корпус мікросхеми найлегше паяти вручну?

Найпростішими є корпуси для наскрізного монтажу, такі як DIP, далі йдуть корпуси для поверхневого монтажу з виводами, такі як SOIC та QFP, чиї виводи доступні. QFN та BGA з роз'ємами під корпусом важко або неможливо встановити вручну та потребують паяння.

Чому BGA потребує рентгенівського контролю?

Оскільки кульки паяння BGA повністю приховані під корпусом, жодна камера не може їх побачити. Рентгенівські промені пропускають крізь корпус, щоб перевірити кульові з'єднання та виявити пустоти або короткі замикання, що є єдиним неруйнівним способом підтвердження складання BGA.

Яка різниця між QFN та термопрокладкою?

QFN – це тип корпусу з контактними площадками вздовж нижніх країв; термопрокладка – це більша металева площадка в центрі багатьох QFN (та інших корпусів), яка проводить тепло вглиб плати. Термопрокладка повинна бути добре припаяна як для відведення тепла, так і для механічної міцності.

Чи може один і той самий чіп постачатися в різних корпусах?

Так, багато мікросхем пропонуються в кількох варіантах корпусу, що дозволяє вам торгуватися розміром плати, тепловими характеристиками, складністю складання та вартістю. Це робить вибір корпусу справжнім рішенням щодо проектування, а не фіксованою властивістю мікросхеми.

Чи впливає вибір корпусу на вартість друкованої плати?

Так — щільніші корпуси, такі як BGA, можуть вимагати більше шарів плати для трасування, точніших елементів та рентгенівського контролю, що збільшує вартість, тоді як корпуси з виводами дешевші у складанні. Вибір корпусу впливає як на вартість компонентів, так і на вартість складання.