Корпуса ИС с открытой полостью — это интегральные схемы, которые оставляют область кристалла открытой или слегка герметизированной для доступа. Они поддерживают тестирование, настройку, термическую проверку и функции воздушного зазора, сохраняя при этом стандартную площадь поверхностного монтажа. В этой статье представлена информация о структуре, опциях, поведении, приложениях, потребностях в макете, надёжности и правильных сценариях использования.
Обзор корпусов ИС с открытой полостью
Корпуса ИС с открытой резонаторностью (также называемые корпусами с открытой крышкой или воздушной полостью) — это специальные интегральные схемы, которые специально оставляют открытое пространство над чипом. Кремниевой кристалл крепится внутри пластикового или керамического корпуса и соединён крошечными проводами или флип-чипами. Вместо того чтобы покрывать всё формовкой, верхняя крышка оставляется открытой или прикреплена лишь слегка, поэтому штамп и область полости остаются открытыми и легко доступными.
Общие термины для корпусов ИС с открытой полостью
Разные компании могут использовать немного разные названия для корпусов ИС с открытой полостью, даже если они означают почти одно и то же. Упаковки с открытой крышкой или с открытой полостью описывают корпус упаковки с полостью кристалла, которая всё ещё открыта, потому что крышка не была герметична. Воздушная полость QFN/QFP относится к корпусам в стиле QFN или QFP, которые сохраняют воздушный зазор над штампом вместо заполнения его твёрдым формным составом. Пластиковая упаковка с открытой полостью (OCPP) — это пластиковая упаковка, которая строится или модифицируется так, чтобы штамп находился в открытой полости, которую позже можно повторно инкапсулировать.
Внутренние части корпусов ИС с открытой полостью
• Подложка или свинцовая рама: медная рама или ламинат, удерживающая штифты и термопрокладку.
• Зона крепления кристалла: центральная площадка, где кремниевой кристалл фиксируется эпоксидкой или припоем.
• Межсоединение: проводные соединения или флип-чип, которые соединяют кристалл с проводами.
• Полотные стенки: пластиковое или керамическое кольцо, образующее открытое пространство над штампом.
• Варианты крышек: металлическая или керамическая крышка, которую можно добавить позже для герметизации полости.
Опции конфигурации для корпусов ИС с открытой полостью
Корпуса ИС с открытой полостью может быть изготовлена несколькими способами, в зависимости от необходимости доступа к кристаллу и защиты. Упаковка без крышки имеет полностью открытую полость, поэтому кристалл полностью открыт. Это даёт максимальный доступ для тестирования, зондирования и переработки. Пакет с частичной крышкой использует низкую или оконную крышку, которая закрывает полость, но при этом оставляет некоторые отверстия, поэтому используется сочетание доступа и базовой защиты. Полностью закрытая упаковка имеет герметичную металлическую или керамическую крышку, что обеспечивает защиту, близкую к обычной серийной интегральной схеме.
Во многих проектах в ранних лабораторных испытаниях сначала используют корпуса ИС без крышки и открытой полости. Далее появляются версии с частичной крышкой, когда требуется некоторая защита, но необходим ограниченный доступ. Полностью закрытые версии используются, когда дизайн почти окончательный, и поведение должно близко соответствовать готовому продукту, при этом исходя из той же платформы открытого корпуса ИС.
Выбор соединений в корпусах с открытой полостью
Корпус ИС с открытой полостью относится к структуре корпуса, в которой штамп размещается внутри открытой полости. Этот термин описывает конструкцию физической упаковки и не определяет, как штамп электрически соединён с выводами корпуса.
В корпусе с открытой полостью обычно используются два метода межсоединения: wire-bond и flip-chip. В конфигурации с проволочным соединением штамп устанавливается лицевой стороной вверх, а соединительные площадки по периметру кристалла соединяются с каркасом свинца тонкими металлическими проводами. Эти проволочные петли остаются видимыми, что позволяет проводить базовый визуальный осмотр и упрощает зондирование во время испытаний.
В конфигурации flip-chip кристалл устанавливается лицевой стороной вниз и соединяется с корпусом через припойные бугорки или металлические стойки. Такая структура сокращает электрический путь между кристаллом и корпусом, снижая паразитные эффекты и обеспечивая более высокую плотность контактов и улучшение характеристики сигнала. Поскольку межсоединения не обнаружены, прямое зондирование и переработка ограничены.
На практике некоторые корпуса с открытой полостью используют проводные соединения на ранних этапах разработки, а позже переходят на флип-чип, когда требуется большее количество контактов или пропускная способность.
Тепловое поведение корпусов с открытой полостью
Корпуса с открытой полостью перемещают тепло легче, чем полностью формованные пластиковые упаковки. Поскольку в ней меньше плесени и иногда крышка тоньше или отсутствует, тепло имеет более короткий путь от штампа к воздуху или радиатору. Это может снизить термическое сопротивление от кристалла к окружающей среде и помочь поддерживать температуру соединения в безопасном диапазоне.
С более открытой полостью проще пробовать различные материалы теплового интерфейса, давления контактов и охлаждающих компонентов. Для энергоёмких интегральных схем часто используются корпуса с открытой полостью для регулировки и совершенствования системы охлаждения перед переходом на окончательный формованный корпус, ориентированный на стоимость.
Воздушные полости в корпусах с открытой полостью
В некоторых корпусах с открытой полостью пространство, заполненное воздухом внутри камеры, является функциональной частью устройства, а не побочным продуктом конструкции корпуса. Присутствие воздуха напрямую влияет на взаимодействие определённых компонентов с окружающей средой.
Для оптических устройств требуется свободный путь для света, который может обеспечиваться открытой полостью или прозрачной окной крышкой. Аналогично, датчики MEMS и окружающей среды полагаются на полости, позволяющие давлению, звуку или газу достигать сенсорных элементов без препятствий.
Воздушные полости также важны в радио- и микроволновых системах. Когда воздух служит диэлектриком над трассами сигнала, резонаторами или антеннами, электрические характеристики могут улучшаться за счёт меньших потерь на диэлектрики. В отличие от этого, цельная пластиковая форма может блокировать или изменять эти сигналы и ухудшать поведение устройства.
Применение корпусов ИС с открытой полостью
MEMS и сенсорные устройства
Корпуса ИС с открытой полостью используются для размещения MEMS-датчиков, таких как акселерометры, гироскопы и датчики давления, в приложениях для датчиков движения, положения и окружающей среды.
Оптические и световые интегральные схемы
Они применяются в оптических и световых схемах, включая фотодетекторы, источники света, а также оптические передатчики или приёмные модули для задач обработки данных, визуализации и датчиков.
RF фронтенды и усилители мощности
Форматы с открытой полостью используются в RF-фронтендах и усилителях мощности, используемых в беспроводных каналах, коммуникационных модулях и цепочках высокочастотных сигналов.
Высокая надёжность и аэрокосмическая электроника
Эти корпуса поддерживают высоконадёжную и аэрокосмическую электронику, где голые штампы используются в критически важных системах управления, датчиков и связи.
Прототипы смешанного сигнала и аналоговых
Они применяются в прототипах смешанных сигналов и аналоговых ИС, используемых в лабораториях и оценочных платах для валидации сигнальных путей, схем смещения и аналоговых фронтендов перед полным производством.
Производственные и кастомные ИС программы
Корпуса ИС с открытой полостью также применяются в производственных и индивидуальных программах, обслуживающих специализированные рынки, такие как промышленное управление, медицинское оборудование, автомобильные системы и коммуникационная инфраструктура.
Отпечатки печатных плат для корпусов с открытой полостью
Многие корпуса ИС с открытой полостью построены с участием распространённых схем QFN, поэтому они легко вписываются в стандартные компоновки печатных плат. Счёт штифтов и расположение контактов обычно следуют знакомым шаблонам QFN, а открытая термоплощадка сохраняется в том же положении и форме, что и в формованной версии.
По этой причине рекомендуемая схема посадки печатных плат часто одинакова как для корпусов с открытой полостью, так и для формованных. Одна плата может поддерживать ранние сборки с открытыми корпусами ИС для доступа и настройки, а поздние — с полностью формованными или закрытыми версиями, практически без изменений платы.
Когда использовать корпуса с открытой полостью ИС?
Потребности прямого доступа к кристаллам
Выбирайте корпус с открытой полостью, когда кристалл должен быть доступен для зондирования, переработки или тщательного мониторинга во время разработки и тестирования.
Оптические, MEMS и RF воздушные зазоры
Используйте открытую резонаторную упаковку, когда цепи нужен воздушный зазор для корректной работы оптических путей, MEMS-движения или радиочастотных структур.
Совместимый с QFN площадь с будущими вариантами
Выбирайте этот стиль, когда проекту сейчас нужен профиль, похожий на QFN, но позже можно перейти на полностью формованный или закрытый корпус без замены платы.
Термическая и крышная оценка в ранних сборках
Корпуса ИС с открытой полостью полезны, когда на ранних этапах необходимо оценивать различные радиаторы, материалы теплового интерфейса, крышки или окна перед окончательной подготовкой корпуса.
Применения без кубика
Они могут поддерживать высоконадежные среды, где голые штампы требуют гибкой упаковки, при этом контролируя размер и стоимость.
Заключение
Корпуса ИС с открытой полостью обеспечивают контролируемый доступ к кристаллу, сохраняя при этом совместимость с распространёнными компоновками в стиле QFN. Они поддерживают испытания, работу воздушного зазора и термическую оценку перед окончательным герметизацией. При правильном обращении, проектировании и герметизации эти корпуса могут удовлетворять требования по надёжности и поддерживать сенсорные системы, радиочастоты, прототипы и специализированные ИС без значительных изменений в печатных платах.
Часто задаваемые вопросы [FAQ]
Как корпуса ИС с открытой полостью сравниваются по стоимости с формованными QFN?
Корпуса с открытой полостью стоят дороже за единицу, чем формованные QFN, из-за дополнительных этапов обработки и меньших объёмов производства.
Какие ограничения действуют на размер кристалла и количество контактов в корпусах с открытой полостью?
Они поддерживают мелкие и средние размеры кристаллов и количество штифтов; Большие штампы или большое количество контактов требуют индивидуальных или керамических конструкций с воздушной полостью.
Какое особое обращение требуется для открытых корпусов ИС на производственном цехе?
Они требуют строгого контроля ESD и аккуратного обращения только с корпусом упаковки, без контакта или воздушного потока по открытым проводам кристалла и соединения.
Можно ли переработать корпус ИС с открытой полостью после сборки печатной платы?
Да, но переработка должна ограничиваться несколькими контролируемыми циклами нагрева и аккуратной очисткой, чтобы не повредить полость и соединяющие провода.
Как корпуса ИС с открытой полостью используются в ATE и лабораторных испытаниях?
Они размещаются в гнездах или тестовых платах в стиле QFN, которые обеспечивают доступность резонанса и при этом совместимость со стандартным испытательным оборудованием.
Каковы основные недостатки по сравнению с полностью формованными корпусами?
Они более чувствительны к загрязнениям и механическим повреждениям, требуют более строгого контроля и непригодны для суровых условий, если не запечататься позже.
