Корпуса устройств

Аппаратные средства микроконтроллеров

Глава 2

Внешняя память

 

Несмотря на огромные преимущества использования внутренней встроен­ной памяти, в некоторых случаях необходимо подключение к микроконтрол­леру дополнительной внешней памяти (как памяти программ, так и данных).

Существует два основных способа подключения внешней памяти. Первый способ - подключение внешней памяти к микроконтроллеру, как к микропро­цессору. Многие микроконтроллеры содержат специальные аппаратные сред­ства для такого подключения. Второй способ состоит в том, чтобы подключить память к устройствам ввода-вывода и реализовать обращение к памяти через эти устройства программными средствами. Такой способ позволяет использовать простые устройства ввода-вывода без реализации сложных шинных интерфей­сов. Выбор наилучшего из этих способов зависит от конкретного приложения.

 

 

Когда рассматривается «монтаж прибора в корпус», то будет описываться материал (герметик), используемый для защиты кристалла, и технология соединения кристалла с проводниками на печатной плате. От выбора того или иного корпуса зависит цена, размер и качество конечного изделия. Для защиты кристаллов используются два основных материала: пластмасса и ке­рамика.

Наиболее распространенными являются пластмассовые корпуса. Кристалл, помещенный в такой корпус, соединяется с внешними выводами при помо­щи тонких алюминиевых проволочек, которые привариваются к кристаллу с использованием ультразвука. Некоторые кристаллы присоединяются к вне­шним выводам с помощью технологии «С4», которая будет описана позже. Для заливки пластиковых корпусов используется эпоксидный герметик. Ког­да герметик затвердеет, кристалл становится защищенным от света, влаги и механического воздействия.

Микроконтроллеры с памятью EPROM, помещенные в пластмассовый корпус, обычно называются однократно программируемыми (ОТР — One-Time Programmable). Такой микроконтроллер может быть запрограммирован только один раз, так как пластиковый корпус не позволяет производить сти­рание содержимого памяти программ типа EPROM путем освещения крис­талла ультрафиолетом (рис 2.1).

 

Рис 2.1 - Пластмассовый корпус для однократнопрограммируемых приборов.

 

Одна из основных причин размещения микроконтроллера в керамичес­ком корпусе - это возможность создания в нем кварцевого окошка для сти­рания EPROM (рис 2.2). Когда используется керамический корпус, кристалл приклеивается к его нижней половине и соединяется проводниками с рам­кой, на которой расположены внешние выводы. Керамические корпуса обычно выпускаются со штыревыми выводами, которые вставляются в сквозные металлизированные отверстия на печатной плате (монтаж по технологии РТН (Plated-Through Hole)). Для пластмассовых корпусов возможен более широкий выбор вариантов монтажа на плате. Керамический корпус может значительно уве­личить стоимость отдельной микросхемы, так он более чем в 10 раз дороже пластмассового. Поэтому микроконтроллеры в керамических корпусах исполь­зуются обычно во время отладки разрабатываемых систем, когда дополни­тельные расходы из-за применения корпусов с кварцевым окошком являют­ся оправданными.

 

Рис. 2.2 - Керамический корпус с кварцевым окошком.

 

Технология установки микросхемы на печатную плату существенно изме­нилась за последние годы. В 80-х годах практически все микросхемы выпуска­лись со штыревыми выводами, которые запаивались в отверстия на печатной плате (рис 2.3). Преимуществом этой технологии монтажа (РНТ-технология) является ее простота - для производства таких плат не требуется сложное оборудование и специальная подготовка. Недостатком является то, что от­верстие занимает на плате значительную площадь, и расстояние между со­седними выводами микросхемы должно быть существенно больше, чем при использовании технологии поверхностного монтажа (SMT — Surface Mount Technology), когда выводы микросхемы припаиваются к поверхности платы (рис.2.4).

 

Рис. 2.3 - Сквозное соединение. Рис. 2.4 - Сравнительные размеры РТН и SMT

корпусов.

 

Для SMT-монтажа используются корпуса с двумя основными типами выводов (рис. 2.5): типа «gull wing» и типа «J». Оба типа выводов имеют свои преимущества. Корпуса с выводами типа «gull wing» позволяют производить ручную пайку и обеспечивают более простой контроль паянных соединений. Применение корпусов с выводами типа «J» уменьшает площадь печатной платы. В настоящее время корпуса с выводами «gull wing» значительно более популярны, так как их использование позволяет применять более простое производственное оборудование и обеспечить переход к сверхплотному мон­тажу, когда расстояния между центрами выводов уменьшаются до 0,41 мм.

 

Рис. 2.5 - Планарная технология корпусов

 

Уменьшение размера корпуса и шага расположения выводов позволяет значительно увеличить плотность упаковки компонентов на плате, которая определяется количеством корпусов, размещаемых на единице площади. Ти­пичное значение шага расположения выводов для РТН-корпусов составляет 2,54 мм, тогда как шаг для SMT-корпуса имеют шаг выводов от 1,27 мм до 0,41 мм. SMT-корпуса с малым шагом выводов известны под названием «fine pitch».

Чтобы оценить, как выбор корпуса влияет на плотность упаковки компо­нентов на плате, рассмотрим пример использования РТН-корпуса с шагом выводов 2,5 мм и SMT-корпуса с шагом 1,27 мм. SMT-корпус в два раза меньше по всем измерениям - это значит, что на месте одного РТН-корпуса можно разместить четыре SMT-корпуса. Кроме того, при отсутствии отвер­стий компоненты могут размещаться с обеих сторон печатной платы. В ре­зультате получаем увеличение плотности упаковки в восемь раз.

Чтобы повысить плотность упаковки компонентов и увеличить число вы­водов микросхемы, шаг выводов для SMT-корпусов был уменьшен до 0,5 мм. Но в процессе разработки корпусов с большим числом выводов были пред­ложены новые технологии, которые позволяют упростить монтаж печатных плат.

Для производителя установка и снятие SMT-корпусов реализуется про­ще, чем РТН-корпусов. На посадочные места наносится специальная смесь припоя и флюса, которая называется паяльной пастой. Затем плата помеща­ется в печь, где паста расплавляется и припаивает микросхему к плате. Чтобы снять компонент с платы, его выводы обдуваются горячим воздухом или азотом, который расплавляет припой, после чего компонент может быть удален. В то время как производителю, имеющему специальное оборудование, легче работать с SMT-корпусами, для инженера-разработчика или радиолюбителя это намного сложнее (особенно если микросхему требуется снять с платы для перепрограммирования).

Для микросхем с большим количеством выводов (более 300) РТН-корпу­са обычно не используются из-за их большого размера. С SMT-корпусами также возникают проблемы, так как трудно обеспечить параллельность всех выводов, нарушение которой вызывает брак при монтаже микросхем на пла­ту. Для монтажа кристаллов с очень большим количеством выводов используются технологии шариковых выводов - BGA (Ball Grid Array), непосред­ственного монтажа кристаллов на плату - СОВ (Chip On Board) и автоматического монтажа на ленту - ТАР (Таре Automated Bonding).

В технологии BGA для присоединения микросхемы к плате используется двумерная матрица шариков припоя, расположенных на нижней стороне корпуса (рис. 2.6). Для микросхем с большим числом выводов BGA-корпуса дают значительное преимущество по сравнению с традиционными SMT-корпусами. Рассмотрим в качестве примера 304-выводную микросхему. SMT-корпус представляет собой плоский прямоугольный корпус QFP(Quad Flat Pack), по четырем сторонам которого расположены выводы с шагом 0,52 мм. BGA-корпус содержит матрицу 16х19 шариковых выводов с шагом 1,27 мм. Мини­мальный размер каждой стороны SMT-корпуса составит 3,9 см (площадь кор­пуса 15,4 см²), тогда как размер BGA-корпуса составит 2,16х2,54 см (5,5 см²). В рассмотренном примере BGA-корпус занимает в три раза меньшую пло­щадь, чем QFP. Кроме того, BGA-корпус проще устанавливать и паять на плату, так как он имеет больший шаг выводов.

 

Рис. 2.6 - Корпус типа BGA

 

Выводы QFP-корпуса очень хрупкие, так как при шаге 0,52 мм их диа­метр составляет всего около 0,3 мм. Шариковые выводы BGA-корпуса значи­тельно более твердые. Из-за хрупкости выводов установка и пайка SMT-корпусов обычно осуществляется полностью автоматически, без участия человека. При монтаже BGA-корпусов нет необходимости соблюдать такие предосторожности.

Установка BGA-корпусов на плату и их демонтаж требуют того же обору­дования, что и SMT-корпуса. Однако для контроля качества монтажа плат с BGA-корпусами требуется более сложная аппаратура, включая рентгеновские установки. BGA-корпуса имеют более высокое качество: процент брака для SMT-корпусов составляет 0,002-0,005, а для BGA-корпусов - 0,0001-0,0002 и менее.

При использовании технологии СОВ (Chip On Board) кристалл непос­редственно монтируется на плату. В настоящее время применяются два спосо­ба крепления кристаллов.

При первом способе кристалл размещается на плате, и контактные пло­щадки на кристалле и плате соединяются таким же образом, как внутри кор­пуса микросхемы - с помощью тонких алюминиевых проволочек, которые привариваются ультразвуком (рис. 2.7). Сам кристалл может быть приклеен или припаян к плате. Припаивание кристалла используется тогда, когда пла­та служит в качестве теплоотвода.

 

Рис. 2.7 - Корпус типа СОВ.

 

Второй способ известен под названием «технология С4» и фактически очень похож на BGA-процесс, описанный ранее. Шариковые выводы, ис­пользуемые в этом процессе, называются «выпуклостями» (bumps), потому что они намного меньше BGA-шариков (рис 2.8). Первоначально эта техно­логия была разработана IBM для монтажа кристаллов в керамических корпу­сах без использования соединительных проволочек.

 

Рис. 2.8 - Монтаж на плату с использованием технологии С4.

 

Технология С4 требует существенных инвестиций в создание оборудова­ния для монтажа и разработку специальных технологических процессов. Из-за малого расстояния между кристаллом и платой там может остаться вода, используемая при промывке платы, что приводит к снижению надежности изделий. В настоящее время технология С4 находится на экспериментальной стадии. Причинами этого являются трудности в обеспечении надежной уста­новки кристалла на плату и возможность отказов из-за усталости шариковых выводов, возникающей вследствие разности коэффициентов температурно­го расширения кристалла и платы.

Технология СОВ является наилучшей для создания аппаратуры с высокой плотностью монтажа, когда имеется мало места для размещения микросхем (например, телефонная смарт-карта) или требуется специальный теплоотвод.

Имеется еще одна технология монтажа, которая представляет собой ком­бинацию SMT и СОВ. Это автоматический монтаж на ленту - TAB (Tape Automated Bonding). В данном случае контактные площадки кристалла прива­риваются к медной ленте с изолирующим покрытием, на которой путем штам­повки создана рамка с выводами. Эти выводы затем припаиваются к метал­лическим проводникам на печатной плате (рис. 2.9.)

 

Рис. 2.9 - Корпус типа ТАВ.

 

Впервые ТАВ-технология появились в середине 1980 года, как способ сборки микросхем с большим числа выводов. С усовершенствованием SMT-корпусов и изобретением BGA технология TAB в значительной степени устарела, хотя еще используется некоторыми производителями. Сложность ТАВ-технологии заключается в необходимости применения специализированного автомати­ческого оборудовании для установки и пайки припаивания ТАВ-компонентов, а также в трудности контроля паяных соединений.

От выбранного вами способа монтажа зависит размер изделия, его цена, качество паяных соединений, а также выбор производителя, который смо­жет выполнить сборку продукта.