Podręcznik

4.11. Montaż i obudowy

Układy scalone po wyprodukowaniu i wstępnych testach (zwanych testami ostrzowymi – o nich dalej) są montowane w obudowach. Obudowy umożliwiają elektryczne i mechaniczne połączenie układu scalonego z urządzeniem, w którym układ ma działać, zapewniają ochronę układu przed uszkodzeniami mechanicznymi i szkodliwymi wpływami środowiska (np. wilgocią) oraz umożliwiają odprowadzenie ciepła wydzielającego się w czasie pracy układu. Obudowy wykonywane są z tworzywa sztucznego lub z ceramiki. Obudowy z tworzyw są najtańsze w produkcji wielkoseryjnej, stosuje się je więc do montażu układów katalogowych produkowanych masowo. Istotną wadą obudów z tworzyw sztucznych jest znaczna różnica współczynnika rozszerzalności cieplnej tworzywa i płytki półprzewodnikowej. Ogranicza to zakres temperatur, w jakich mogą pracować układy zamknięte w takich obudowach. Obudowy te nie zapewniają także idealnej szczelności, zwłaszcza gdy poddawane są częstym zmianom temperatury w szerokim zakresie. Obudowy ceramiczne są znacznie droższe, ale mają wiele zalet. Znacznie lepiej chronią układ przed szkodliwymi wpływami zewnętrznymi, umożliwiają pracę układu w szerszym zakresie temperatur oraz lepsze odprowadzanie ciepła. Dlatego układy zamknięte w takich obudowach cechują się zwykle wyższą niezawodnością. 

W przypadku montażu w obudowie z tworzywa układ jest najpierw mocowany (zwykle lutowany lutem złotym) do przeznaczonego na to pola na metalowej kształtce zwanej ażurem. Następnie wykonywane są połączenia drutowe pomiędzy polami montażowymi układu, a paskami metalu, które w gotowym układzie będą służyć jako zewnętrzne wyprowadzenia elektryczne. Po wykonaniu połączeń układ jest zalewany tworzywem w formie o odpowiednim kształcie. Po zastygnięciu tworzywa zbędne fragmenty ażuru są odcinane, a wyprowadzenia zaginane tak, by mogły służyć do połączenia przez lutowanie z punktami lutowniczymi na płytce drukowanej.

Rysunek 4‑19. Układ scalony w obudowie ceramicznej bez pokrywki

Obudowa ceramiczna składa się z dwóch części: podstawy i pokrywki. Podstawa jest niemal kompletną obudową. Zawiera wnękę, w której umieszczony będzie układ, oraz komplet odpowiednio ukształtowanych zewnętrznych wyprowadzeń. Układ jest mocowany (lutowany lutem złotym lub klejony) do przeznaczonego na to pola we wnęce, a następnie wykonywane są drutowe połączenia między polami montażowymi układu, a wyprowadzeniami. Zmontowany w obudowie układ jest zamykany trwale i szczelnie metalową lub ceramiczną pokrywką.

Połączenia między układem, a zewnętrznymi wyprowadzeniami wykonuje się drutem złotym metodą termokompresji lub niekiedy drutem aluminiowym metodą ultrakompresji. Metoda termokompresji polega na tym, że drut z uformowaną na końcu kulką jest specjalnym narzędziem dociskany do miejsca, w którym ma nastąpić elektryczne połączenie, a wszystko to dzieje się w podwyższonej temperaturze. Pod wpływem nacisku i wysokiej temperatury kulka ulega deformacji i zarazem trwale łączy się z metalem, do którego jest dociskana. W metodzie ultrakompresji zamiast wysokiej temperatury stosuje się drgania ultradźwiękowe, a drut jest dociskany narzędziem o kształcie klina. Oba sposoby wykonania połączeń pokazują rysunki 4-20 i 4-21.

Rysunek 4‑20. Połączenie wykonane metodą termokompresji

Zarówno obudowy z tworzyw, jak i ceramiczne mogą być przeznaczone do montażu zwanego przewlekanym (wyprowadzenia przechodzą na wylot przez otwory w płytce drukowanej i są lutowane do ścieżek znajdujących się po przeciwnej stronie, niż układ) lub do montażu powierzchniowego (wyprowadzenia są lutowane do ścieżek po tej samej stronie, po której znajduje się układ, nie przechodzą przez otwory w płytce drukowanej).

Rysunek 4‑21. Połączenie wykonane metodą ultrakompresji

Wiele rodzajów obudów umożliwia także umieszczenie układu w podstawce, co pozwala na łatwy demontaż i wymianę układu. Ten sposób jest szczególnie godny polecenia, gdy wykonuje się prototypowe urządzenie, lub gdy przewiduje się możliwość wymiany układu na inny przez użytkownika (przykład: płyta główna komputera, w której można użyć kilku różnych typów lub wersji procesora). Natomiast układy trwale wlutowane w płytkę drukowaną są trudne do wylutowania i wymiany bez uszkodzenia płytki. Dotyczy to zwłaszcza precyzyjnych wielowarstwowych płytek drukowanych, na których zminiaturyzowane elementy są zmontowane metodą montażu powierzchniowego. Obecnie powszechnie stosowane są luty bezołowiowe, których temperatura topnienia jest wyższa, niż dawniej używanych lutów ołowiowo-cynowych. Demontaż układu wlutowanego lutem bezołowiowym jest szczególnie trudny.

Rysunek 4‑22. Przykłady układów w obudowach

Rysunek 4-22 pokazuje zdjęcia układów w różnego rodzaju obudowach. Z obudów ceramicznych zdjęte zostały pokrywki dla pokazania wnętrza. Pierwsza z lewej: obudowa typu DIL14 z tworzywa, do montażu przewlekanego. Druga: obudowa typu DIL14 ceramiczna, z pokrywką metalową, do montażu przewlekanego.
Trzecia: obudowa typu DIL18 ceramiczna, z pokrywką ceramiczną, do montażu przewlekanego. Czwarta: obudowa typu PLCC68 ceramiczna, z pokrywką ceramiczną, do montażu w podstawce lub powierzchniowego. Piąta: obudowa typu PGA100 ceramiczna, z pokrywką ceramiczną, do montażu w podstawce lub przewlekanego.

Stosowane bywa także montowanie układu bez obudowy. Ten sposób jest wykorzystywany wtedy, gdy nawet najmniejsze z istniejących obudów zajęłyby zbyt dużo miejsca (np. w zegarkach, kartach płatniczych itp.) lub gdy tradycyjne połączenia drutowe między układem i wyprowadzeniami byłyby zbyt długie (układy mikrofalowe). Układ przyklejony bezpośrednio do płytki drukowanej lub podłoża ceramicznego jest po wykonaniu drutowych połączeń zabezpieczany kroplą tworzywa sztucznego.

Przy obchodzeniu się z układami scalonymi trzeba pamiętać, że są one wrażliwe na wyładowania elektrostatyczne. Dotyczy to zwłaszcza wejść układów CMOS wykonanych w najnowocześniejszych technologiach. Napięcie przebicia bramki tranzystora MOS, w którym grubość dielektryka pod bramką wynosi kilka nanometrów, ma wartość niewiele wyższą, niż maksymalne dopuszczalne napięcie zasilania układu. Jest to wartość na poziomie 2 - 5 V. Tymczasem nawet bardzo niewielki ładunek elektrostatyczny, jaki może powstać na przykład w wyniku tarcia, prowadzi do powstania napięć większych o rzędy wielkości (ciało człowieka spacerującego po podłodze wyłożonej wykładziną dywanową z tworzywa sztucznego w pomieszczeniu o bardzo niskiej wilgotności powietrza może łatwo naładować się do napięcia rzędu kilku kV). Układy scalone zawierają na wejściach i wyjściach specjalne bufory zabezpieczające do pewnego stopnia przed uszkodzeniami spowodowanymi wyładowaniami elektrostatycznymi. Mimo to obchodzenie się z układami scalonymi wymaga szczególnej ostrożności. Producenci dostarczają je w specjalnych pojemnikach z tworzyw przewodzących prąd elektryczny. Wyjmowanie układów z takich pojemników i ich montaż powinny odbywać się na odpowiednio zabezpieczonym stanowisku pracy - na uziemionej płycie metalowej, uziemione powinny być też narzędzia, a także człowiek manipulujący układami (służą do tego specjalne opaski na ręce) - ogólnie uziemione powinno być wszystko, z czym układ może się zetknąć.