Корпус полупроводника — это металлический, пластиковый, стеклянный или керамический корпус, содержащий одно или несколько дискретных полупроводниковых устройств или интегральных схем . Отдельные компоненты изготавливаются на полупроводниковых пластинах (обычно кремниевых ) перед тем, как их разрезают на кристаллы, испытывают и упаковывают. Корпус обеспечивает средство для его подключения к внешней среде, например, печатной плате , через выводы, такие как площадки, шарики или штыри; и защиту от таких угроз, как механическое воздействие, химическое загрязнение и воздействие света. Кроме того, он помогает рассеивать тепло, выделяемое устройством, с помощью или без помощи теплоотвода . Существуют тысячи типов корпусов. Некоторые из них определены международными, национальными или отраслевыми стандартами, в то время как другие являются специфическими для отдельного производителя.
Полупроводниковый корпус может иметь всего два вывода или контакта для таких устройств, как диоды, или в случае современных микропроцессоров корпус может иметь несколько тысяч соединений. Очень маленькие корпуса могут поддерживаться только их проволочными выводами. Более крупные устройства, предназначенные для приложений с высокой мощностью, устанавливаются в тщательно спроектированных радиаторах, чтобы они могли рассеивать сотни или тысячи ватт отработанного тепла .
Помимо обеспечения соединений с полупроводником и управления отходящим теплом, корпус полупроводника должен защищать «чип» от окружающей среды, в частности от попадания влаги. Случайные частицы или продукты коррозии внутри корпуса могут ухудшить работу устройства или привести к отказу. [1] Герметичный корпус практически не допускает газообмена с окружающей средой; такая конструкция требует стеклянных, керамических или металлических корпусов.
Производители обычно печатают логотип производителя и номер детали на упаковке с помощью чернил или лазерной маркировки . Это облегчает различение множества различных и несовместимых устройств, упакованных в относительно небольшое количество видов упаковок. Маркировка часто включает 4-значный код даты, часто представленный как YYWW, где YY заменяется на последние две цифры календарного года, а WW заменяется на двузначный номер недели , [2] [3] как правило, номер недели ISO .
Очень маленькие упаковки часто включают двузначный код даты. Один двузначный код даты использует YW, где Y — последняя цифра года (от 0 до 9), а W начинается с 1 в начале года и увеличивается каждые 6 недель (т. е. W — от 1 до 9). [2] Другой двузначный код даты, код даты производства RKM , использует YM, где Y — одна из 20 букв, которые повторяются в цикле каждые 20 лет (например, «M» использовалось для обозначения 1980, 2000, 2020 и т. д.), а M указывает месяц производства (от 1 до 9 указывают с января по сентябрь, O указывает на октябрь, N указывает на ноябрь, D указывает на декабрь).
Для создания соединений между интегральной схемой и выводами корпуса используются проволочные соединения , при этом тонкие провода соединяются с выводами корпуса и прикрепляются к проводящим площадкам на кристалле полупроводника. Снаружи корпуса проволочные выводы могут быть припаяны к печатной плате или использованы для крепления устройства к полоске бирки. Современные устройства поверхностного монтажа исключают большинство просверленных отверстий через печатные платы и имеют короткие металлические выводы или площадки на корпусе, которые могут быть закреплены пайкой оплавлением в печи. Аэрокосмические устройства в плоских корпусах могут использовать плоские металлические выводы, прикрепленные к печатной плате точечной сваркой , хотя этот тип конструкции в настоящее время встречается редко.
Ранние полупроводниковые приборы часто вставлялись в гнезда, как и вакуумные трубки . По мере совершенствования приборов гнезда в конечном итоге стали ненужными для обеспечения надежности, и приборы стали напрямую припаиваться к печатным платам. Корпус должен выдерживать высокие температурные градиенты пайки, не создавая нагрузки на кристалл полупроводника или его выводы.
Гнезда по-прежнему используются для экспериментальных, прототипных или образовательных приложений, для тестирования устройств, для дорогостоящих чипов, таких как микропроцессоры , где замена все еще более экономична, чем выбрасывание продукта, и для приложений, где чип содержит прошивку или уникальные данные, которые могут быть заменены или обновлены в течение срока службы продукта. Устройства с сотнями выводов могут быть вставлены в гнезда с нулевым усилием вставки , которые также используются в испытательном оборудовании или программаторах устройств.
Многие устройства отлиты из эпоксидного пластика, который обеспечивает адекватную защиту полупроводниковых приборов и механическую прочность для поддержки выводов и обработки корпуса. Пластик может быть крезол -новолаком, силоксановым полиимидом, поликсилиленом, силиконами, полиэпоксидами и бисбензоциклобутеном. [4] Некоторые устройства, предназначенные для высоконадежных или аэрокосмических или радиационных сред, используют керамические корпуса с металлическими крышками, которые припаиваются после сборки, или герметизируют стеклянной фриттой . Цельнометаллические корпуса часто используются с устройствами высокой мощности (несколько ватт и более), поскольку они хорошо проводят тепло и позволяют легко собирать их с радиатором. Часто корпус образует один контакт для полупроводникового прибора. Материалы выводов должны быть выбраны с коэффициентом теплового расширения, соответствующим материалу корпуса. Стекло может использоваться в корпусе в качестве подложки корпуса для уменьшения его теплового расширения и увеличения его жесткости, что снижает деформацию и облегчает монтаж корпуса на печатную плату. [5] [6]
Очень немногие ранние полупроводники были упакованы в миниатюрные вакуумированные стеклянные оболочки, как лампочки фонариков; такая дорогая упаковка устарела, когда стали доступны пассивация поверхности и улучшенные технологии производства. [1] Стеклянные корпуса по-прежнему широко используются с диодами , а стеклянные уплотнители используются в металлических корпусах транзисторов.
Материалы корпуса для динамической памяти высокой плотности должны выбираться с учетом низкого фонового излучения; одна альфа-частица , испускаемая материалом корпуса, может вызвать единичное сбойное событие и временные ошибки памяти ( мягкие ошибки ).
В космических полетах и военных приложениях традиционно использовались герметично упакованные микросхемы (HPM). Однако большинство современных интегральных схем доступны только в виде пластиковых инкапсулированных микросхем (PEM). Правильные методы изготовления с использованием должным образом квалифицированных PEM могут использоваться для космических полетов. [7]
Несколько полупроводниковых кристаллов и дискретных компонентов могут быть собраны на керамической подложке и соединены между собой проволочными связями. Подложка несет выводы для подключения к внешней цепи, и все покрыто сварным или фриттовым покрытием. Такие устройства используются, когда требования превышают производительность (тепловыделение, шум, номинальное напряжение, ток утечки или другие свойства), доступную в интегральной схеме с одним кристаллом, или для смешивания аналоговых и цифровых функций в одном корпусе. Такие корпуса относительно дороги в производстве, но обеспечивают большинство других преимуществ интегральных схем.
Современным примером многокристальных интегральных схемных пакетов могут быть некоторые модели микропроцессоров, которые могут включать отдельные кристаллы для таких вещей, как кэш-память в одном и том же пакете. В технологии, называемой флип-чип , кристаллы цифровой интегральной схемы инвертируются и припаиваются к носителе модуля для сборки в большие системы. [8] Эта технология была применена IBM в их компьютерах System/360 . [9]
Корпуса полупроводников могут включать специальные функции. Светоизлучающие или светочувствительные устройства должны иметь прозрачное окно в корпусе; другие устройства, такие как транзисторы, могут быть нарушены рассеянным светом и требуют непрозрачного корпуса. [1] Для стираемого ультрафиолетом программируемого постоянного запоминающего устройства необходимо кварцевое окно, чтобы позволить ультрафиолетовому свету проникать и стирать память. Для интегральных схем, чувствительных к давлению, требуется порт на корпусе, который может быть подключен к источнику давления газа или жидкости.
Корпуса для микроволновых устройств устроены так, чтобы иметь минимальную паразитную индуктивность и емкость в их выводах. Для устройств с очень высоким импедансом и сверхнизким током утечки требуются корпуса, которые не допускают протекания блуждающего тока , а также могут иметь защитные кольца вокруг входных клемм. Специальные устройства с изолирующими усилителями включают высоковольтные изолирующие барьеры между входом и выходом, что позволяет подключаться к цепям, находящимся под напряжением 1 кВ или более.
Самые первые точечные транзисторы использовали металлические корпуса в виде картриджей с отверстием, которое позволяло регулировать положение нитевидного электрода, используемого для контакта с кристаллом германия ; такие устройства были распространены лишь недолгое время, поскольку были разработаны более надежные и менее трудоемкие типы. [1]
Как и для электронных ламп , стандарты корпусов полупроводников могут определяться национальными или международными отраслевыми ассоциациями, такими как JEDEC , Pro Electron или EIAJ , или могут быть собственностью одного производителя.
