新型元器件

时间：2023-10-07 百科知识版权反馈

【摘要】：新型IC元器件主要是贴装集成电路，它是在原有的双列直插元器件的基础上发展而来的，是插装式元器件向表面贴装技术发展的重要标志，也是表面贴装技术发展的重要动力。随着I／O数目的增加，各种新型的IC封装也先后出现。集成电路IC是将很多元器件集中制作在一个小芯片上的完整电路。具有L形引脚的元器件易于焊接，但对于多引脚、细间距的QFP，引脚极易损坏，因此贴装时应多加注意。

6．3　新型IC元器件

新型IC元器件主要是贴装集成电路，它是在原有的双列直插元器件的基础上发展而来的，是插装式元器件向表面贴装技术发展的重要标志，也是表面贴装技术发展的重要动力。随着I／O数目的增加，各种新型的IC封装也先后出现。

6．3．1　贴装集成电路类型

集成电路IC是将很多元器件集中制作在一个小芯片上的完整电路。由于IC元器件形状多样，引脚数目与间距也各不相同，因此对其采用“类型＋引脚数”的格式加以区别。

贴装集成电路的载体采用陶瓷与塑料。陶瓷载体的集成电路封装具有气密性好、寄生参数小、功耗低等优点，但焊接时易开裂；塑料载体的集成电路封装相对于陶瓷载体具有良好的性价比。

从IC引脚形状来分，主要有以下三种形式。

（1）L形引脚，常见于SOP和QFP。具有L形引脚的元器件易于焊接，但对于多引脚、细间距的QFP，引脚极易损坏，因此贴装时应多加注意。

（2）J形引脚，常见于SOJ和PLCC。这种引脚刚性好且间距大，但由于引脚在元器件本体之下，会有阴影效应，导致其焊接温度不易调节。SOP的L形引脚图和SOJ的J形引脚图如图6－24所示。

（3）球栅阵列，芯片的I／O引脚呈阵列式分布在元器件底部，引脚呈球状，适用于多引脚元器件的封装，常见于BGA等。

图6－24　SOP的L形引脚图和SOJ的J形引脚图

6．3．2　贴装集成电路的封装结构

1．小外形封装集成电路SOP

表6－12　SOP引脚间距与对应的引脚数目

SOP是英文small outline package的缩写，即小外形封装集成电路。该封装技术由菲利浦公司于1969年开发成功，随之逐渐派生出SOJ（J形引脚SOP）、TSOP（薄小外形封装）、SSOP（缩小形SOP）、TSSOP（薄与缩小外形SOP）及SOT（小外形晶体管）、SOIC（小外形集成电路）等。这类元器件是最普及的表面贴装元器件，常用于线性电路、逻辑电路、随机存储器等。其引脚具有两种形式，即L形和J形，外形如图6－24所示，载体材料有塑料、陶瓷两种。SOP的引脚间距与对应的引脚数目如表6－12所示，其额定功率和热阻如表6－13所示。

表6－13　SOP额定功率和热阻

图6－25　PLCC外形

2．有引脚的塑料芯片载体PLCC

PLCC是英文plastic leaded chip carrier的缩写，即有引脚的塑料芯片载体，当引脚超过40条时便采用此类封装。其引脚从封装的四个侧面引出，呈J形，外形尺寸比DIP封装的小得多，具有外形尺寸小、可靠性高的优点，常用于逻辑电路、微处理器阵列、标准单元等。PLCC外形如图6－25所示，表6－14介绍了部分PLCC封装的IC型号及其功能。

表6－14　部分PLCC封装的IC型号及其功能

3．方形扁平封装QFP

QFP是英文quad flat package的缩写，即方形扁平封装，引脚从四个侧面引出，呈L形。随着引脚数目增多，引脚厚度、宽度也随之减小，采用J形引脚封装制作困难，因此QFP引脚全都采用L形处理，引脚中心间距有1．0mm、0．8mm、0．65mm、0．5mm、0．3mm等。它是适应IC内容增多、I／O数量增多而出现的封装形式。QFP封装的基材有陶瓷、金属、塑料三种，其中塑料封装占绝大部分，是最普及的封装，常用于门阵列的ASIC元器件。

日本最先发明QFP封装，目前QFP封装已被广泛使用，并由日本工业协会EIAJ－IC－74－4制定出相关标准。日本将引脚中心小于0．65mm的QFP称为SQFP，并对QFP封装外形尺寸也进行了规定，使用5mm和7mm的整倍数，直到40mm为止。但美国开发的QFP则在四角各有一凸出的角，起到保护元器件引脚的作用，一般外形比引脚长3mil（1mil＝0．0254mm，下同），其封装名称为PQFP，两种封装外形如图6－26所示。

图6－26　QFP外形

图6－27　LCCC外形

4．无引脚陶瓷芯片载体LCCC

LCCC是英文leadless ceramic chip carrier的缩写，即无引脚陶瓷芯片载体。该封装在陶瓷基板的四个侧面只有电极接触而无引脚，其电极中心距有1．0mm和1．27mm两种，属于高速和高频IC封装，其外形如图6－27所示。

PLCC芯片载体用塑料，LCCC芯片载体用陶瓷，目前陶瓷基板较多采用FR－4。矩形的LCCC有18、22、28、32个电极数；方形的LCCC有16、20、24、28、44、56、68、84、10、124、156个电极数。

LCCC封装的特点是在陶瓷外壳侧面有金属化凹槽和外壳底面镀金相连，提供了较短的信号通路，使得电感和电容消耗较低，可用于高频工作状态，常用于微处理单元、门阵列和存储器，其引脚间距为1．27mm的LCCC外形尺寸如表6－15所示。

5．球栅阵列BGA

20世纪80年代中后期至90年代，以QFP为代表的IC得到了极大发展和广泛应用，但是由于组装工艺的限制，QFP的尺寸、引脚数目和引脚间距达到了极限。为了适应I／O数目的快速增长，由美国Motorola公司开发的新型封装形式——球栅阵列封装BGA，于20世纪90年代初投入实际使用，首先在便携式电话等设备中采用。

表6－15　引脚间距为1．27mm的LCCC外形尺寸

BGA是英文ball grid array的缩写，即球栅阵列。该封装在基板的正面装配LSI芯片，然后用模压树脂或灌封方法进行密封，引脚用球形凸点代替，并呈球栅阵列状分布在基板的底部。它可以有较多的引脚且引脚间距较大，具有相似外形尺寸的BGA和QFP的引脚数如表6－16所示。

表6－16　具有相似外形尺寸的BGA和QFP的引脚数

由于BGA的安装高度低、引脚间距大、引脚短、组装密度高，因此电气性能优越，特别适合在高频电路中使用。当然，该封装也存在以下缺点：

（1）BGA焊后检查和维修比较困难，必须使用X射线透视或X射线分层检测，才能确保焊接的可靠性，设备费用大；

（2）易吸湿，使用前应对该封装进行烘干处理。

芯片的位置、引脚的排列、基座的材料和密封方式不同，BGA的封装结构也不同。BGA按芯片放置方式分类，可分为芯片表面向上和向下两种；按引脚排列方式分类，可分为球栅阵列均匀全分布、球栅阵列交错全分布、球栅阵列周边分布、球栅阵列带中心散热和接地点的周边分布等；按密封方式分类，可分为模制密封和浇注密封等；从散热角度分类，可分为热增强型、膜腔向下型和金属体BGA（MBGA）；按基座材料不同，可分为PBGA、CBGA、CCGA、TBGA四种。

1）塑料球栅阵列PBGA

PBGA是最普通的BGA封装类型，该封装的载体是普通的印制电路板基板，例如，FR－4、BT树脂等。芯片通过金属丝压焊方式连接到载体的上表面，然后用塑料模压成形，在载体的下表面连接有共晶成分37Pb／63Sn的焊球阵列。焊球阵列在底面上可以呈完全分布或部分分布，如图6－28所示。Intel系列CPU中PentiumⅡ、Ⅲ、Ⅳ处理器均采用这种封装形式。

图6－28　焊球阵列分布

焊球的尺寸为0．75～0．89mm，焊球间距有1．0mm、1．27mm、1．5mm几种。目前I／O数为169～313的已有批量生产。随着技术不断发展，预计不久的将来I／O数可达600～1000。PBGA封装的优点是可以利用现有的组装技术和原材料制造，整个封装的费用相对较低；和QFP元器件相比，不易受到机械损伤；适用于大批量的电子组装；载体与印制电路板基材相同，热膨胀系数几乎相同，因此在回流焊中对焊点几乎不产生应力，对焊点的可靠性影响也较小。PBGA的不足之处是易吸潮。

2）陶瓷球栅阵列CBGA

CBGA是为解决PBGA吸潮性而改进的品种。

CBGA的芯片连接在多层陶瓷载体的上表面，芯片与多层陶瓷载体的连接有两种形式。第一种是芯片的线路层朝上，采用金属丝压焊的方式实现连接；另一种则是芯片的线路层朝下，采用倒装片结构方式实现芯片与载体的连接。在陶瓷载体的下表面，焊球阵列分布也有完全分布和部分分布两种形式，焊球尺寸通常约为0．89mm，间距常见的有1．0mm和1．27mm。焊球阵列的成分为90Pb／10Sn，熔化温度约为300℃，在现有表面贴装220℃的温度下回流焊接，焊球不熔化，因此漏印在焊盘上的焊膏要比PBGA的多一些，用于补偿CBGA焊球平面的误差，从而保证了焊点连接的可靠性。Intel系列CPU中PentiumⅠ、Ⅱ和Pentium Pro处理器均采用这种封装形式。

CBGA的优点是具有优良的电性能和热性能，具有良好的密封性能；和QFP相比，不易受到机械损伤，适用于I／O数大于250的电子组装应用。不足之处是封装尺寸大于32mm×32mm时，印制电路板与CBGA的多层陶瓷载体之间的热膨胀系数（CTE）不同，会导致热循环中焊点失效。因此，目前CBGA的I／O数限制在625以下，对尺寸大于32mm×32mm的，则考虑采用其他类型的BGA。

3）陶瓷柱栅阵列CCGA

CCGA是CBGA在陶瓷尺寸大于32mm×32mm时的另一种形式。与CBGA不同的是，在陶瓷载体的下表面连接的不是焊球而是90Pb／10Sn的焊料柱，焊料柱阵列可以是完全分布，也可以是部分分布，常见的柱料直径约0．5mm，高度约为2．21mm，柱阵列典型间距为1．27mm。

4）载带球栅阵列TBGA

TBGA是BGA相对较新的封装类型，其外形如图6－29所示，目前主要用于高性能、高I／O数的产品，最常见的是各类驱动芯片，例如，TFT LCD的驱动芯片。

图6－29　TBGA外形

TBGA载体的上表面分布着用于信号传输的铜导线，而另一面则作为地层使用。芯片与载体之间的连接可以采用倒装片技术实现。当芯片与载体的连接完成后，要对芯片进行包封，以防止受到机械损伤。载体上的过孔起到了连通两个表面、实现信号传输的作用。焊球采用类似金属丝压焊的微焊接工艺连接到过孔焊盘上，形成焊球阵列。在倒装芯片的背面一般用导热胶连接散热片，给封装体提供良好的热特性。

TBGA的焊球组成成分为90Pb／10Sn，焊球直径约0．65mm，典型的焊球间距有1．0mm、1．27mm、1．5mm几种。目前常用的TBGA封装I／O数小于448，国外一些大公司正在开发I／O数大于1000的TBGA。该封装的优点是比其他大多数BGA封装类型更轻更小，尤其是I／O数目多的封装，具有比QFP和PBGA封装更优越的电性能，可适用于批量电子组装。TBGA的不足之处是易吸潮，封装费用高。

6．3．3　本书实训项目部分集成电路概览

1．收音机专用集成电路

1）CD9088（SC1088）

CD9088（SC1088）是调频收音机专用的集成芯片，是实训项目ZX2013调频收音机的核心电路。

CD9088（SC1088）专用于电调谐微型FM收音机，含有单声道及从射频输入到音频输出的所有功能电路。CD9088（SC1088）内含自动频率控制系统可用于机械调谐，在88～108MHz的频率范围内可实现自动搜索，内置中频频率为70kHz的锁相环系统，选择性由有源RC滤波器实现，静音电路可抑制非中频信号和较弱的中频信号，其工作电压范围为1．8～5V，典型值为3V，外围电路简单，设计使用十分方便。

CD9088（SC1088）采用16脚双列扁平封装（SOP16），各引脚功能如表12－1所示，其外形如图6－30（a）所示。电路不设置外围中频变压器，简化了电路，省去了中频频率调试的麻烦，又提高了中频频率特性，并减少了电路体积。在调谐方式上，CD9088（SC1088）既可采用传统的可变电容机械调谐，也可像数字调谐收音机那样采用电调谐方式来搜索电台。在采用电调谐时，只需操作搜索调谐按钮（RUN），电路便自动地由频率低端向频率高端搜索电台，一旦搜索到电台信号，调谐自动停止。当调谐到FM接收频率最高端时，只需按一下复位按钮（RESET），本振频率即回到最低端，搜索调谐又重新开始。

图6－30　收音机专用集成电路

2）CXA1191（CD1691）

CXA1191（CD1691）为索尼公司在20世纪90年代开发的一块全波段调频调幅收音机专用集成电路，采用双列扁平SOP封装，其工作电源电压范围为2～7．5V。封装如图6－30（b）所示。该芯片是EDT－2902数显多功能全波段收音机的核心电路，可实现射频信号的中频变换／放大、FM信号的鉴频、AM信号的检波、音频信号的放大等功能。

2．2GFLASH U盘所用集成电路

2GFLASH U盘采用金士顿U盘的设计，U盘主要采用一片存储器芯片和一片控制器芯片组成。

1）K9GAG08UOM

K9GAG08UOM是三星公司生产的闪存芯片，金士顿2GU盘采用该芯片进行数据存储。该芯片是一种E²PROM数据存储器，容量为2GB，存储延时25ns。该芯片有48个引脚，采用TOSP1封装，其工作电压为2．7～3．6V，外形如图6－31（a）所示。

2）On Flash 5188B

U盘与电脑通过USB接口连接，On Flash 5188B就是U盘内对于USB接口的控制芯片。其主要功能是用于识别USB接口，并控制U盘与计算机之间的数据传输。该芯片也有48个引脚，采用SQFP封装工艺，其工作电压为3．3V，图6－31（b）所示的是其外形图。