ep 06 067-071 obudowy cz3, Elektronika-inne, Lutowanie SMD
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
NOTATNIK PRAKTYKA
Montaż elementów SMD,
część 3
Obudowy układów scalonych
Przystępując do prezentacji obu-
dów układów scalonych warto na
wstępie poświęcić kilka słów spo-
sobom numeracji wyprowadzeń. Po-
wszechnie stosowaną praktyką stało
się oferowanie układów scalonych jed-
nocześnie w kilku rodzajach obudów.
Mimo różnych form zewnętrznych,
dany typ układu zawiera zazwyczaj
takie same struktury. Wynika to z fak-
tu, że produkcja kilku identycznych
funkcjonalnie chipów, różniących się
jedynie topografią, nie miałaby uza-
sadnienia ekonomicznego. Każdy typ
obudowy narzuca przy tym określo-
ną orientację struktury i lokalizację
wyprowadzenia nr 1, skutkiem czego
poszczególne wersje tego samego ukła-
du, zachowując ogólny porządek wy-
prowadzeń różnią się ich numeracją.
Posłużmy się przykładem procesora
ATmega8515 oferowanego w czterech
wersjach obudów: DIP40, PLCC44,
TQFP44 i MLF44 (
rys.
35
). W tym ty-
pie mikromontażu, drutowe połączenia
(
bonding
) między polami kontaktowy-
mi, a ażurem obudowy nie mogą się
krzyżować, zatem kolejność pól kon-
taktowych krzemowego chipu determi-
nuje również porządek zewnętrznych
wyprowadzeń. W przypadku DIP40
każdemu z czterdziestu pól struktury
odpowiada jedno wyprowadzenie obu-
dowy, numerowane w kierunku prze-
ciwnym do kierunku zegara począw-
szy od lewego, górnego narożnika
– czyli w sposób typowy dla obudów
DIP, a w dziedzinie SMD także dla
obudów SOIC i SOP. Ta sama struktu-
ra zamontowana w PLCC44 zachowuje
zbliżoną numerację. Jednak PLCC44
w porównaniu z DIP40 oferuje dodat-
kowe 4 nóżki, w naszym przykładzie
pozostawione bez połączenia (
N.C.
),
niemniej często zagospodarowywane
jako dodatkowe linie masy i zasilania
ulokowane w połowie każdej z kra-
wędzi. Dlatego schematy numeracji
wersji DIP i PLCC są tylko zbliżone,
a nadmiarowe piny wprowadzają nie-
uniknione przesunięcia o 1...4 pozycji.
Ponadto wyprowadzenie nr „1” przy-
pada tutaj nie jak zwykle w narożni-
ku lecz, w sposób typowy dla PLCC
– w połowie oznakowanej krawędzi
obudowy (
fot.
36a
). Procesor w obu-
Biorąc pod lupę współczesne, seryjne urządzenie elektroniczne
stwierdzimy, że coraz trudniej doszukać się w nim tradycyjnych
podzespołów przewlekanych. Dominacji techniki montażu
powierzchniowego (SMT – Surface Mount Technology) opiera się
jedynie część elementów dużej mocy, a także nieliczne podzespoły
o znacznych gabarytach (duże kondensatory elektrolityczne) lub
obciążające płytkę mechanicznie (złącza, przełączniki).
PDIP
PB0
PB1
PB2
PB3
PB4
PB5
PB6
PB7
RESET
PD0
PD1
PD2
PD3
PD4
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
40
39
38
37
36
35
34
33
32
31
30
29
28
27
26
25
24
23
22
21
VCC
PA0
PA1
PA2
PA3
PA4
PA5
PA6
PA7
PE0
PE1
PE2
PC7
PC6
PC5
PC4
PC3
PC2
PC1
PC0
PD5
PD6
PD7
XTAL2
XTAL1
GND
PLCC
Fot. 36. Lokalizacja wyprowadzenia
nr 1 w obudowach: PLCC (a) oraz
QFP (b)
PB5
PB6
PB7
RESET
PD0
NC*
PD1
PD2
PD3
PD4
PD5
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
39
38
37
36
35
34
33
32
31
30
29
PA4
PA5
PA6
PA7
PE0
NC*
PE1
PE2
PC7
PC6
PC5
dowie TQFP44 (jak również beznóż-
kowej MLF44) ma identyczną z PLCC
orientację struktury względem kwadra-
towego korpusu, a także układ końcó-
wek. Jednak numeracja wyprowadzeń
obudów QFP zaczyna się od ozna-
kowanego narożnika – czyli z przesu-
nięciem o ok. 1/8 obwodu względem
PLCC (
fot.
36b
). Zatem przy identycz-
nym położeniu struktury oba typy
kwadratowych obudów mają funkcjo-
nalnie ten sam rozkład wyprowadzeń
lecz przyporządkowują im całkowicie
odmienne numery.
Rozmieszczenie i numeracja wypro-
wadzeń, jako podstawowa informacja
TQFP/MLF
PB5
PB6
PB7
RESET
PD0
NC*
PD1
PD2
PD3
PD4
PD5
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
33
32
31
30
29
28
27
26
25
24
23
PA4
PA5
PA6
PA7
PE0
NC*
PE1
PE2
PC7
PC6
PC5
Rys. 35. Różnice w rozkładzie wypro-
wadzeń w zależności od typu obu-
dowy (na przykładzie ATmega8515)
Rys. 37. Obudowa SOJ
Elektronika Praktyczna 6/2005
67
NOTATNIK PRAKTYKA
Tab. 10. Obudowy SOIC/SOP
Typ
Opis
Raster (e)
Document
JEDEC
SOIC–narrow Small Outline IC – body 3,90 mm 0,05” (1,27 mm)
MS–012
SOIC–wide Small Outline IC – body 7,50 mm 0,05” (1,27 mm)
MS–013
PSOP
Plastic Small Outline Package 0,05” (1,27 mm)
MO–119,
QSOP
Quarter size Small Outline Package 0,025” (0,635 mm) MO–137
SSOP
Shrink Small Outline Package 0,025” (0,635 mm) MO–118
SSOP
Shrink Small Outline Package 0,65 mm
MO–150
SSOP
Shrink Small Outline Package 0,80 mm
TSOP–type I
Thin Small Outline Package – type
I
0,50 mm
MO–142
TSOP–type I
Thin Small Outline Package (TSO-
P28(I)), N=28
0,55 mm
MO–183
TSOP–type II
Thin Small Outline Package – type
II
– body 7,62mm,
0,05” (1,27 mm),
0,80 mm
MS–025
Rys. 38. Obudowa PLCC (QFJ)
TSOP–type II
Thin Small Outline Package – type
II
– body 10,16mm
0,05” (1,27 mm),
0,80 mm
MS–024
o układach, zajmuje pierwsze strony
not katalogowych. Mimo to, zwracam
uwagę na istniejące różnice ponieważ
wymagają one, aby wyboru właściwej
obudowy układu scalonego dokonać
już na etapie rysowania schematu.
Zmiana typu obudowy w czasie pro-
jektowania PCB może wymagać cof-
nięcia się do schematu, aktualizacji
planu numeracji wyprowadzeń i ew.
drobnych korekt układowych obejmu-
jących np. podłączenie dodatkowych
linii zasilających.
Kluczową czynność w procesie
projektowania obwodu drukowane-
go stanowi optymalne rozmieszczenie
podzespołów. Mimo postępującej au-
tomatyzacji ten etap wymaga zwykle
aktywnego udziału projektanta. Dlate-
go również i z tego względu, umiejęt-
TSOP–type II
Thin Small Outline Package – type
II –
(Przewodnik projektanta)
1,27 mm, 1,25 mm,
1,00 mm, 0,80 mm,
0,65 mm, 0,50 mm,
0,40 mm
JEP–95
– Design
Guide 4.15
TSSOP Thin Shrink Small Outline Package
0,65 mm, 0,50 mm,
0,40 mm
MO–152,
MO–153
MSOP,
uSOP/uMAX
Micro Small Outline Package 0,65 mm, 0,50 mm MO–187
VSOP, QVSOP
(Quarter size) Very Small Outline
Package
0,50 mm, 0,40 mm MO–154
ność wyobrażenia sobie wewnętrznej
orientacji chipu i ogólnego rozkładu
wyprowadzeń w różnych wykonaniach
znakomicie ułatwia projektowanie.
Oprócz niezgodności pomiędzy
wykonaniami zapakowanymi w róż-
nych obudowach, niespodziankę może
również sprawić napotkanie dwóch
wersji tego samego układu scalone-
go umieszczonych w takich samych
obudowach ale o różnym rozkładzie
wyprowadzeń. Dotyczy to np. popu-
larnych pamięci EEPROM/Microwi-
re z rodziny 93Cx6 umieszczanych
w obudowach SO–8 na dwa sposoby
– standardowo lub ze strukturą obró-
coną o 90º. (Fairchild, STM, oznacze-
nie z sufiksem „–T”).
niowego i reprezentują ogniwo pośred-
nie pomiędzy montażem TH a SMT
(
rys.
37,
38
). Z montażem przewleka-
nym łączy je możliwość umieszczania
w podstawkach o wyprowadzeniach
dopasowanych do standardowej siat-
ki 2,54 mm (100 mils). Jednocześnie
dzięki wygięciu w kształt litery „J”
ich wyprowadzenia mają wystarczają-
co dużą powierzchnię styku z płytką,
aby umożliwić montaż powierzch-
niowy. Obudowy SOJ (znane czytel-
nikom np. z pamięci DRAM monto-
wanych na modułach SIMM) oraz
Obudowy z wyprowadzeniami
typu „J” – SOJ/QFJ (PLCC)
SOJ/PLCC są pierwszymi obudowa-
mi w rastrze 1,27 mm (50 mils) przy-
stosowanymi do montażu powierzch-
Fot. 39. Obudowa PLCC – widok
ogólny i powiększenie wyprowadzeń
typu „J”
Rys. 40. Obudowa SOP
Fot. 41. Obudowa PLCC – widok
ogólny i powiększenie wyprowadzeń
typu „gull – wing”
68
Elektronika Praktyczna 6/2005
NOTATNIK PRAKTYKA
Tab. 11. Obudowy QFP – Liczba wyprowadzeń (N) w zależności od rastra (e)
i rozmiarów korpusu (D1xE1)
Rozmiary
korpusu
Raster (e)
Tab. 12. Oudowy PQFP w rastrze
e=0,025” (0,635 mm) – korpus ze
„skrzydełkami”
Rozmiary korpusu E1
x D1 [mm]
Liczba wyprowadzeń
E1 x D1
[mm]
e=1,0 mm e=0,8 mm e=0,75 mm e=0,65 mm e=0,5 mm e=0,4 mm
16,5x16,5
84
4x4
20
24
32
19x19
100
5x5
32
40
24x24
132
7x7
32
40
48
64
29x29
164
10x10 36
44
48
52
64
80
34x34
196
12x12 44
48
64
80 100
zwyczajowe nazwy poszczególnych
serii z odpowiadającymi im orientacyj-
nie symbolami JEDEC i stosowanym
rozstawem wyprowadzeń. Jak moż-
na zauważyć, nazwy zwyczajowe nie
zawsze są jednoznacznie powiązane
z zarejestrowanymi numerami JEDEC.
Ponadto każdy ze standardów opisu-
je całe rodziny obudów, o kilku wa-
riantach rastra, różnych szerokościach
korpusu i liczbie nóżek. Niemniej za-
wężenie pola wyboru do kilku doku-
mentów powinno istotnie ułatwić ew.
poszukiwania i identyfikację.
Z szerokiej gamy obudów SOP,
zwrócimy uwagę na dwie grupy –
popularne obudowy SOIC, oraz TSOP
występujące w dwóch zdecydowanie
odmiennych wariantach. Obudowy
SOIC (SO–xx) to najbliższe, zminiatu-
ryzowane odpowiedniki stosowanych
od prawie 40 lat DIP–ów. Charakte-
ryzuje je analogiczna liczba wypro-
wadzeń (8, 14, 16, 20, 22, 24, 28)
jednak rozmieszczonych dwukrotnie
gęściej, tzn. co 1,27 mm (50 mils).
Występują w dwóch wersjach różnią-
cych się rozstawem rzędów wyprowa-
dzeń. W wersji wąskiej (8...16 nóżek),
szerokość plastikowego korpusu wyno-
si ok. 0,15” tzn. ok. 3,8 mm, a całko-
wita szerokość łącznie z wyprowadze-
niami ok. 0,24”. Natomiast w wersji
szerokiej (14...28 nóżek), oznaczonej
dodatkowym sufiksem „W”, epoksydo-
wy korpus ma szerokość ok. 0,3cala
tj. ok. 7,6 mm (szer. całkowita – ok.
0,41 cala). Znaczna różnica szerokości
sprawia, że oba warianty są wzajem-
nie niewymienne, na co warto zwró-
cić uwagę przy zakupach, gdyż nie-
które popularne układy scalone (np.
MAX232) są dostępne jednocześnie
w obu wersjach (
fot.
42
).
Warto też zwrócić uwagę na ist-
nienie dwóch typów obudów TSOP.
Typ II nie różni się proporcjami od
większości pozostałych układów SOP.
Natomiast Typ I (
fot.
43
) z wyprowa-
dzeniami ulokowanymi na krótszych
bokach znalazł szczególne uznanie
wśród producentów pamięci. Duża
przestrzeń dzieląca oba rzędy nóżek
14x14 52
64
80 100 120
14x20 64
80
100 128
20x20 76
88
112 144 176
24x24
176 216
28x28
120, 128
160 208 256
32x32
184 240 296
40x40
232 304 376
PLCC zdobyły znaczną popularność
m.in. dzięki dobrej niezawodności
styku pomiędzy układem, a podstaw-
ką i odporności na wstrząsy. Wpraw-
dzie ta rodzina okres świetności ma
już za sobą, niemniej jeszcze długo
będzie spotykana np. w urządzeniach
automatyki przemysłowej. Ograniczony
dostęp do zawiniętych wyprowadzeń
utrudnia wykonanie demontażu, dlate-
go poświęcimy tym obudowom więcej
uwagi w dalszej części artykułu.
Fot. 43. Obudowa TSOP typu I
D30) z wyprowadzeniami typu gul-
lwing (
rys.
40
). Dwa rzędy i ogólny
typ wyprowadzeń to chyba jedyne,
bezspornie wspólne cechy obudów
SOP. Poza tym różni je praktycznie
wszystko:
• Liczba wyprowadzeń (N) obejmują-
ca zakres od sześciu (np. SOT–26
klasyfikowane również jako SOP)
do ponad sześćdziesięciu.
• Raster wyprowadzeń (e) mieszczą-
cy się w zakresie od 1,27 mm do
0,40 mm i obejmujący większość
pozycji z uprzednio przedstawionej
listy
• Szerokości korpusu (E1) tworzące
obszerny zbiór wartości, zarówno
w mierze calowej, jak i metrycznej,
a na domiar złego nie poddające
się żadnej prostej systematyzacji.
• Bogactwo nazw (SOIC, PSOP,
QSOP, TSOP, SSOP, TSSOP, MSOP/
uMAX/uSOP, VSOP, ...) odwzoro-
wujących tendencję do upakowy-
wania wzrastającej liczby nóżek
w coraz mniejszych i cieńszych
obudowach.
Żywiołowy (czyt.: chaotyczny) roz-
wój rodziny SOP znalazł również od-
zwierciedlenie w liczbie odnoszących
się do niej standardów. Żeby choć
trochę ułatwić poruszanie się w tym
gąszczu, zestawiłem w tabeli (
tab.
10
)
Obudowy dwurzędowe SOIC/
SOP
Zgodnie z przytoczoną wcześniej
klasyfikacją, nazwy zawierające rdzeń
SO (Small Outline) odnoszą się do
obudów dwurzędowych. Wśród nich
najsilniejszą pozycję zyskały obudo-
wy o zwyczajowej nazwie SOP czyli
Small Outline Package (DSO wg. JES-
Fot. 42. Dwie wersje układu MAX232
w obudowach SOIC: wąskiej SO–16
(a) oraz szerokiej SO–16W (b)
Elektronika Praktyczna 6/2005
69
NOTATNIK PRAKTYKA
Tab. 13. Orientacyjne wysokości wybranych obudów z serii QFP
Rozmiary
korpusu
E1 x D1
[mm]
Wysokość
korpusu
A2 [mm]
PQFP MQFP RQFP LQFP TQFP VQFP
5x5
1,00
7x7
1,40 1,00, 1,40
10x10 2,00 2,00
1,40 1,00, 1,40 1,00
12x12
1,40 1,00
14x14 2,00
1,40 1,00, 1,40 1,00
14x20 2,70 2,70
1,40 1,40
20x20
1,40 1,00, 1,40
24x24
1,40 1,40
28x28 3,40 3,50 3,40
32x32
3,40
Rys. 44. Obudowa typu QFP
40x40 3,80
3,80
umożliwia ustawienie kilku układów
równolegle, jeden obok drugiego i po-
prowadzenie całych magistral w posta-
ci jednowarstwowego, regularnego me-
andra pozbawionego przelotek. O sile
przyzwyczajeń może świadczyć fakt,
że w tego typu obudowach, oprócz
pamięci równoległych, umieszcza się
obecnie także pamięci typu DataFlash
(np. Atmel AT45DB...) z interfejsem
SPI, wykorzystujące efektywnie jedy-
nie 9 z 28 lub 32 dostępnych wypro-
wadzeń. Prawie wszystkie obudowy
TSOP typu I mają raster e=0,5 mm.
Jedynie w wersji 28–nóżkowej (JEDEC
MO–183) zastosowano bardzo nietypo-
wy raster e=0,55 mm. Zwracam uwa-
gę na ten szczegół, gdyż mimo egzo-
tycznej wartości, czytelnicy EP mają
sporą szansę zetknięcia się z nim
w praktyce. W obudowach TSOP28(I)
są bowiem umieszczane m.in. wspo-
mniane pamięci DataFlash o pojemno-
ściach 4, 8 i 16 Mbit.
Natomiast poszczególne serie różnią
się rozmiarami zewnętrznego obry-
su (D, E) a to za sprawą subtelnych
różnic w kształcie i długości wypro-
wadzeń, a w szczególności w długości
i położeniu „stóp” przylegających do
płytki drukowanej. Na zdjęciu (
fot.
46
)
możemy zobaczyć zestawienie dwóch
wersji QFP44 o identycznych rozmia-
rach korpusu (10x10 mm) i takim sa-
mym rastrze (e=0,8 mm), nieznacznie
różniących się wysokością ale za to
istotnie profilem wyprowadzeń. W ko-
lejnych, unowocześnianych i stopniowo
spłaszczanych obudowach, „stopy” wy-
prowadzeń dotykają podłoża w coraz
mniejszej odległości od krawędzi kor-
pusu. Te drobne różnice, jak zwykle
przekładają się na ograniczoną wy-
mienność obudów i wymagają każdora-
zowej, wnikliwej weryfikacji. Pokazane
Rodzina QFP Quad Flat Pack
(PQFP, MQFP, LQFP, TQFP,
VQFP)
W przeciwieństwie do chaosu pa-
nującego w rodzinie SOP, prostokątne,
czterorzędowe obudowy QFP (Quad
Flat Pack ) są produkowane jedynie
w kilkunastu typowych rozmiarach
(
rys.
44
,
fot.
45
). Również liczba po-
zycji w bibliotece JEDEC odnosząca
się do QFP jest znacząco mniejsza.
Szczegółowe dane dotyczące najważ-
niejszych wersji można znaleźć w do-
kumentach o symbolach: MO–108,
MS–022, MS–026, MS–029. Ale uwa-
ga – znormalizowane rozmiary (D1,
E1) odnoszą się plastikowego korpusu.
Fot. 45. Obudowa TQFP32 – widok
ogólny i powiększenie wyprowadzeń
typu „gull – wing”
Fot. 46. Porównanie kształtu i długości wyprowadzeń w różnych wersjach
QFP
70
Elektronika Praktyczna 6/2005
NOTATNIK PRAKTYKA
przesunięcie wyprowadzeń,
prawdopodobnie nie będzie
miało znaczenia w przypad-
ku ręcznego montażu ukła-
du scalonego do płytki pro-
totypowej lub uniwersalnego
adaptera. Jednak w montażu
automatycznym ew. niedo-
pasowanie pomiędzy płytką
a elementem, powodujące
np. zachodzenie wyprowa-
dzenia na krawędź solder-
maski, może być źródłem
poważnych błędów.
Wymiary korpusu (D1 x
E1) w powiązaniu z rastrem
(e) jednoznacznie określa-
ją liczbę wyprowadzeń (N)
(
tab.
11
,
12
). Wprawdzie
szereg wymiarowy korpu-
su obejmuje tylko kilkana-
ście pozycji, to jednak po
uwzględnieniu wariantów
rastra uzyskuje się blisko
50 stosowanych kombinacji,
a znacznie więcej, gdy weź-
mie się jeszcze pod uwagę
różnice wysokości i wspo-
mniane różnice w profilu
wyprowadzeń.
Podobnie jak w przypad-
ku SOP, nazewnictwo ko-
lejnych serii układów QFP
odzwierciedla tendencję do
stopniowego spłaszczania
ich profilu: PQFP (Plasti-
cQFP), LQFP (Low–profi-
leQFP), TQFP (ThinQFP),
VQFP (Very–thinQFP), etc...
W tabeli (
tab.
13
) zestawio-
no orientacyjne grubości
plastikowego korpusu od-
powiadające poszczególnym
seriom. Znajomość trzech,
łatwych do zmierzenia wy-
miarów korpusu i rastra
wyprowadzeń pozwala na
szybką, choć przybliżoną
identyfikację.
Każdy adept elektroniki
zaczyna zwykle swój kon-
takt z tą dziedziną od naby-
cia praktycznej umiejętności
posługiwania się lutownicą.
Po przyswojeniu kilku żela-
znych zasad powtarzanych
niemal w każdym opisie
dla początkujących i serii
prób, dochodzi do wprawy
dyktującej właściwą tem-
peraturę lutownicy, czas
podgrzewania, ilość zaapli-
kowanego topnika i cyny.
Niestety w skali typowej dla
montażu powierzchniowego
dochodzą do głosu nowe
zjawiska, pomijane w mon-
tażu tradycyjnym. Jednocze-
śnie, mikroskopowe rozmia-
ry połączeń utrudniają oce-
nę popełnianych błędów, co
sprawia, że intuicja nie za-
wsze okazuje się wystarcza-
jąca. Dlatego w następnym
odcinku zastanowimy się
nad tym co istotnie odróż-
nia proces lutowania SMD
od montażu tradycyjnego.
Omówimy również typowy
profil temperatury stosowa-
ny w przemysłowym luto-
waniu rozpływowym wycią-
gając wnioski obowiązujące
także przy podchodzeniu
do układów powierzchnio-
wych z ręczną lutownicą
lub dmuchawką HotAir.
Marek Dzwonnik, EP
marek.dzwonnik@ep.
com.pl
Elektronika Praktyczna 6/2005
71
[ Pobierz całość w formacie PDF ]