Chipgehäuse

aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie
Zur Navigation springen Zur Suche springen
ICs in DIP-Gehäusen

Die Ummantelung eines Halbleiterchips (eines Die) inklusive der Anschlussstellen (Leads, Pins oder Balls) bezeichnet man als Gehäuse oder Package. Es existieren zahlreiche Variationen solcher Gehäuse, die sich in ihrer Form, den verwendeten Materialien, der Anzahl und Anordnung der Pins und anderen Eigenschaften unterscheiden.

Dieser Artikel erfasst die Gehäusevarianten für Integrierte Schaltungen, die für diskrete Bauelemente finden sich in der Liste von Halbleitergehäusen.

Standards[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Standardisiert sind die Chipgehäuse durch die JEDEC (früher Joint Electron Device Engineering Council, heute JEDEC Solid State Technology Association), das Halbleiter-Standardisierungsgremium der EIA (Electronic Industries Alliance). Grundsätzlich unterscheidet man bei elektronischen Bauteilen zwischen bedrahteten, „durchsteckmontierbaren“ (Through Hole Technology – THT) und „oberflächenmontierbaren“ (Surface Mounted Technologys – SMT) Bauformen. „Surface Mounted Devices – SMD“ bezieht sich auf ein Bauteil der vorgenannten Gruppe.

Funktion[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Ein Gehäuse dient dazu, den Halbleiterchip auf einer Leiterplatte zu befestigen und die integrierte Schaltung auf dem Halbleiterchip mit den Bauteilen auf der Leiterplatte zu verbinden. Hauptgründe sind zum einen der Schutz des Dies gegen Beschädigung. Zum anderen sind die unterschiedlichen geometrischen Abstände der elektrischen Anschlüsse auf einem Die und einer Leiterplatte zu überbrücken. Die Pads (Anschlüsse des IC-Die) werden mittels Gold-, Kupfer- oder Aluminiumdraht an ein Zwischenmaterial gebondet (angeschlossen). Dieses Zwischenmaterial ist ein gestanztes Kupferblech (Leadframe) oder eine kleine Leiterplatte, die in dieser Verwendung Substrat genannt wird. Neue Technologien verzichten auf Drähte und nutzen die Flip-Chip-Technologie. Der Anschluss an die Leiterplatte erfolgt schließlich über „Beinchen“ (Pins), die Teil des Leadframes sind, oder über kleine Lotkugeln (Balls).

Nach der Befestigung und Verdrahtung des ICs auf dem Zwischenmaterial wird er durch unterschiedliche Materialien (Kunststoff, Keramik, Metall) gegenüber Umwelteinflüssen geschützt. Keramiken und Metalle können den Chip hermetisch versiegeln, durch Kunststoffe können Wassermoleküle hindurchdiffundieren. Aus Kostengründen wird heute fast ausschließlich Kunststoff mittels Spritzguss benutzt (fachspr. molding[1]). Dabei können je nach Typ des Halbleiters auch Öffnungen für Licht (im Fall von EPROMs zum Löschen, im Fall von LEDs oder Laserdioden für den Lichtaustritt) den Blick auf den Halbleiter freigeben. Diese Öffnungen sind in der Regel mittels durchsichtigem Kunststoff oder Quarzglas geschlossen, so dass der Halbleiter nicht direkt der Umwelt ausgesetzt ist. Ausnahme sind Sensoren, die definierte Öffnungen haben, um Umwelteinflüsse (z. B. Druck, Licht etc.) zu messen.

Zur besseren Wärmeableitung des Chips haben einige Gehäuse Kühlkörper (Heatsinks oder Heatspreader) eingebaut (insbesondere bei Leistungstransistoren).

Um eine höhere Packungsdichte zu erreichen, können auch Bare Dies („nackte Chips“) direkt auf die Leiterplatte montiert und dort umhüllt werden. Werden verschiedene Dies in einem Gehäuse verpackt, spricht man von einem Multi-Chip-Modul.

Die Pins[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Das Raster der Pins wird als Pitch (Rastermaß) bezeichnet. Da die ersten ICs aus dem anglo-amerikanischen Sprachbereich kamen, waren die Maße auf Zoll-Basis. Das „Grundmaß“ war demzufolge das Zoll und für kleine Maße wurde meist das „mil“ verwendet (11000 Zoll = 25,4 µm). Im Zuge der Internationalisierung setzen sich immer mehr die metrischen Maße durch, so dass typische Pitches heute bei z. B. 0,5 mm liegen.

Die Pins sind in der Regel an den seitlichen Kanten (z. B. DIL) oder der Unterseite (z. B. PGA) des Gehäuses platziert und haben die unterschiedlichsten Formen. Sie werden durch Löten mit der Leiterplatte verbunden, wobei die unterschiedlichen Formen die verschiedenen Lötarten unterstützen. Bauelemente im THT-Gehäuse werden üblicherweise nur auf der Bestückungsseite einer Leiterplatte platziert. Die bestückte Baugruppe wird dann durch Wellenlöten gelötet (die Unterseite der Leiterplatte wird über ein Lotbad gezogen, an dessen Ende das Bad durch Stauung eine Welle erzeugt, daher der Name). Durch zusätzliches Selektivlöten können THT-Bauelemente auch auf der zweiten Seite der Leiterplatte bestückt und gelötet werden. Das ist jedoch mit einem zusätzlichen Fertigungsschritt verbunden.

SMD-Bauteile können sowohl auf der Bestückseite als auch auf der Lötseite der Leiterplatte platziert werden. Anschließend werden sie auf beiden Seiten der Leiterplatte durch Reflow-Löten oder Dampfphasenlöten gelötet. Alternativ können auch SMD-Bauelemente durch Wellenlöten gelötet werden. Dafür müssen sie sich auf der Lötseite befinden. Die Bauelemente müssen wellenlötfest sein, d. h., das Gehäuse und das Bauelement an sich müssen die Lötbadtemperatur aushalten. Auch dürfen die Pins durch das Lot nicht kurzgeschlossen werden. Hier sind die Pinformen und -abstände von entscheidender Bedeutung, so dass sich nur wenige SMD-Bauformen, bei denen die Abstände möglichst groß sind, für diese Art des Lötens eignen. ICs mit Pins auf allen vier Seiten des Gehäuses müssen beim Wellenlöten vorzugsweise diagonal zur Lötrichtung ausgerichtet sein, damit sich möglichst wenige Zinnbrücken bilden.

Manche Formen der Pins eignen sich auch dazu, das IC in eine Fassung zu stecken, so dass das IC nicht mehr gelötet werden muss. (Es muss aber immer noch die Fassung verlötet werden.)

Bei manchen Bauteilen (insbesondere leistungsfähige Mikroprozessoren) ist die Anzahl der Pins derart hoch, dass die Seiten nicht mehr ausreichen, um die Beinchen aufzunehmen. Deshalb haben moderne ICs häufig keine Pins mehr an den Seiten, sondern sie werden mittels Pins oder Lotkugeln an der Unterseite des Gehäuses (Ball Grid Array, BGA) auf der Leiterplatte befestigt. Bei den Lotkugeln funktioniert das nur noch per Reflow-Löten. Bei den Pins an der Unterseite wird üblicherweise Wellenlöten eingesetzt.

Verschiedene Typen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Da die JEDEC-Bezeichnungen nicht sehr eingängig sind, haben sich in der Industrie einfachere Abkürzungen durchgesetzt, die man als Quasi-Standard bezeichnen kann. Dabei werden weitestgehend Akronyme benutzt, die die eigentliche Bauform beschreiben.

Anschlusskammbasierte Gehäuse (engl. lead frame based packages)
Montage­form Über­gruppe Kurz­bezeich­nung style="width:25em" ! engl. Bezeich­nung dt. Bezeich­nung Beschreibung / Definition
THT TO Transistor Single Outline Verschiedene Gehäuse mit meist zwei bzw. drei Anschlüssen für Kleinleistungs- und Leistungshalbleiter (z. B. TO-220), es existieren auch SMD-Versionen
THT PFM Plastic Flange Mount Package Anschlüsse in einer Reihe unterhalb einer Befestigungslasche, Raster 5,08 bis 1,27 mm
THT SIP Single In-Line Package Gehäuse mit einer Anschlussreihe, meist im Raster 2,54 mm
THT ZIP Zigzag Inline Package Anschlüsse auf einer Seite im Zickzack, Gehäuse steht hochkant
THT ZIP CZIP Ceramic Zigzag Inline Package ZIP in Keramikgehäuse
THT DIL Dual In-Line Gehäuse mit Anschlüssen an zwei Seiten, meist im Raster 2,54 mm (=100 mil), die „Urform“ der Chipgehäuse
THT DIP Dual In-Line Package wie DIL
THT DIP PDIP Plastic Dual In-Line Package wie DIP im Plastikgehäuse
THT DIP SDIP Shrink Dual In-Line Package wie DIP mit kleineren Abmessungen, Raster 2,54 bis 1,27 mm
THT DIP CDIP Glass Sealed Ceramic Dual In-Line Package wie DIP im Keramikgehäuse
THT DIP CDIP-SB Side-Braze Ceramic Dual In-Line Package wie DIP im Keramikgehäuse
SMD TO bzw. DPAK Transistor Single Outline existiert auch als THT-Version und wird für Leistungstransistoren benutzt (z. B. DPAK/TO252, D2PAK/TO263)
SMD SOD Small Outline Diode Für Dioden
SMD SOD SOD80 3,7 mm × 1,6 mm
SMD SOD SOD123 2,675 mm × 1,6 mm × 1,15 mm
SMD SOD SOD223 6,5 mm × 3,5 mm × 1,65 mm
SMD SOD SOD323 1,7 mm × 1,25 mm × 0,95 mm
SMD SOD SOD523 1,2 mm × 0,8 mm × 0,6 mm
SMD SOT Small Outline Transistor Für Transistoren
SMD SOT SOT23 3 mm × 1,75 mm × 1,3 mm
SMD SOT SOT223 6,7 mm × 3,7 mm × 1,8 mm mit 4 Anschlüssen, von denen einer als Heatsink verbreitert ist
SMD SOT SOT323 2,2 mm × 1,35 mm × 1,1 mm
SMD SOT SOT143 3 mm × 1,4 mm × 1,1 mm
SMD DFP Dual Flat Pack Pins an beiden Längsseiten, Raster 0,65 mm
SMD TFP Triple Flat Pack Pins an drei Seiten, Raster 0,8 mm
SMD QFP Quad Flat Package Pins an vier Seiten, Raster 1,27 bis 0,4 mm, von diesem Grundtyp wurden verschiedene Derivate abgeleitet, die jeweils einen anderen Buchstaben als Präfix voranstellen:
SMD QFP LQFP Low Profile Quad Flat Pack wie QFP, dünnes Gehäuse
SMD QFP TQFP Thin Quad Flat Pack wie QFP, dünnes Gehäuse
SMD QFP VQFP Very Thin Quad Flat Pack wie QFP, sehr dünnes Gehäuse, Raster 0,8 bis 0,4 mm
SMD QFP HQFP Thermally Enhanced Quad Flat Pack wie QFP, thermisch verstärkt
SMD QFP MQFP Metric Quad Flat Pack wie QFP, Pins haben metrische Abstände
SMD QFN Quad Flat No Leads Package auch als MLF Micro Lead Frame, oder als MFP für Micro lead Frame Package bezeichnet: Die Bezeichnungen umfassen eine ganze Familie von IC-Gehäusen. Es ragen die Pins nicht seitlich über die Abmessungen der Plastikummantelung hinaus, sondern sind nur von der Unterseite zugänglich, damit haben sie einen kleineren Platzbedarf;
SMD QFN QVQFN Very Thin Quad Flat pack No-leads wie QFN, sehr dünnes Gehäuse
SMD SOP SOICSmall-Outline Package meist im Raster 1,27 mm
SMD SOP SSOP Shrink Small Outline Package kleineres Raster als SOP, meist 0,65 mm, außerdem flacher
SMD SOP TSSOP Thin Shrink Small Outline Package flacher als SSOP
SMD SOP TSOP Thin Small Outline Package wie SOP, jedoch meist im Raster 0,635 bzw. 0,65 mm
SMD SOP HTSSOP Heat-Sink Thin Small-Outline Package wie TSOP, mit Pad zur Wärmeabfuhr oder Metallrücken
SMD SOP TVSOP Thin Very Small-Outline Package wie TSOP, dünneres Gehäuse
SMD SOP QSOP Quarter-Size Small-Outline package ebenfalls kleiner als SOP, i. d. R. im Raster 0,635 mm
SMD SOP VSOP Very Small-Outline Package wie SOP, kleineres Raster
SMD SOP HSOP Thermally Enhanced Small-Outline Package wie SOP, thermisch verstärkt
SMD SOJ J-Leaded Small-Outline Package die Pins sind unter das Gehäuse gebogen, so dass sie für Sockel geeignet sind
SMD SOJ JLCC J-Leaded Ceramic or Metal Chip Carrier wie SOJ
SMD SOJ PLCC Plastic Leaded Chip Carrier wie SOJ
SMD SOJ LPCC Leadless Plastic Chip Carrier wie PLCC
SMD SOJ LCCC Leadless Ceramic Chip Carrier wie PLCC im Keramikgehäuse
Substratbasierte Gehäuse
Montage­form Über­gruppe Kurz­bezeich­nung style="width:25em" ! engl. Bezeich­nung dt. Bezeich­nung Beschreibung / Definition
SMD LGA Land Grid Array Package mit Kontaktflächen an der Unterseite
SMD LGA TVFLGA Thin Very-Fine Land Grid Array wie LGA, mit kleinerem Raster
SMD PGA
Pin Grid Array || || Package mit Pins an der Unterseite, sind die Pins versetzt angeordnet spricht man von einem Staggered Pin Grid Array (SPGA)
SMD PGA PPGA Plastic Pin Grid Array wie PGA im Plastikgehäuse
SMD PGA CPGA Ceramic Pin Grid Array wie PGA im Keramikgehäuse
SMD PGA OPGA Organic Pin Grid Array wie PGA im „organischen“ Kunststoffgehäuse
SMD PGA FCPGA Flip-Chip Pin Grid Array
SMD BGA Ball Grid Array Package mit kleinen Lotkügelchen an der Unterseite
SMD BGA FBGA Fine Pitch BGA BGA-Package mit verringertem Lötpunktabstand
SMD BGA FCBGA Flip Chip Ball Grid Array
SMD BGA CBGA Ceramic Ball Grid Array wie BGA im Keramikgehäuse
SMD BGA MAPBGA Mold Array Process BGA
SMD BGA CSP Chip Scale Package besonders kleine Form des BGA
SMD BGA HSBGA Heat Slug Ball Grid Array
SMD BGA CCGA Ceramic Column Grid Array höhere Zuverlässigkeit durch Zylinderförmige Anschlüsse statt Kugeln
Spezial TCP Tape Carrier Package Die mittels Bumps auf kupferkaschierter Folie

Galerie[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]


Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Commons: IC packages – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. Dipl.-Ing. Karl-Friedrich Becker: Molding. In: Fraunhofer IZM. Fraunhofer IZM, abgerufen am 20. Februar 2019 (deutsch, englisch).