Tecnologías Constructivas de Circuitos Integrados y su Montaje en Placas de Circuito Impreso

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1 Tecnologías Constructivas de Circuitos Integrados y su Montaje en Placas de Circuito Impreso 1. Circuitos Integrados Los circuitos integrados son unidades funcionales completas. Esto no quiere decir que por si mismos son capaces de cumplir la función para los que estén diseñados. Para ello serán necesarios unos componentes pasivos y activos para completar dicha funcionalidad. Si los circuitos integrados no existieran las placas de circuito impreso para los aparatos serían muy grandes y además estarían llenos de componentes. Este tipo de dispositivos, por su diseño, son capaces de albergar en su interior y de forma casi microscópica gran cantidad de componentes, sobre todo, semiconductores. No todos los componentes electrónicos se pueden integrar con la misma facilidad: Los semiconductores, básicamente, los transistores y diodos, presentan menos problemas y menor costo en la integración. Igualmente tanto resistencias como condensadores se pueden integrar pero aumenta el costo. Por último las bobinas no se integran por la dificultad física que entrañan, así mismo ocurre con relés, cristales de cuarzo, displays, transformadores y componentes tanto pasivos como activos que disipan una potencia considerable respecto de la que podrían soportar una vez integrados. El proceso de fabricación de un circuito integrado es como se observa en la figura de un modo esquemático:

2 a) Diseño del circuito que se quiere integrar. b) Máscara integrada con los semiconductores necesarios según el diseño del circuito. c) Oblea de silicio donde se fabrican en serie los chips. d) Corte del microchip. e) Ensamblado del microchip en su encapsulado y a los pines correspondientes. f) Terminación del encapsulado. Puede parecer complicado al principio, pero el tema de las normalizaciones que rodea al mundo de los integrados, bien en encapsulados o bien en cuanto a zócalos y conexiones, es sencillo si se enfoca desde un punto de vista práctico. Toda la gama de circuitos integrados disponibles se engloba dentro de cierta familia o apartado. Podemos ver una primera subdivisión de los circuitos integrados en función de su aplicación específica. Una segunda clasificación podría ser aquella que nos permite clasificar los chips según estos se dividan por el tipo de encapsulado. Pero a pesar de existir cierta norma, los fabricantes suelen hacer sus propias subclasificaciones, lo cual suele desembocar en un más que aparente caos. Es conveniente aclarar que la forma en que se aplican encapsulados a los circuitos integrados ha motivado en los últimos años la aparición en el mercado electrónico de conjuntos de componentes discretos típicos como, por ejemplo, las resistencias, que han aprovechado la normativa impuesta por los chips en su propio beneficio, acogiéndose a los tamaños y encapsulados de aquellos, lo cual simplifica diseños y facilita la colocación de ingentes cantidades de componentes en un espacio bastante reducido. Por esta razón no es de sorprender encontrar un aparente chip o circuito integrado dentro de un moderno circuito y que tal chip no es más que un conjunto de 8 ó 10 resistencias de idéntico valor óhmico, con lo que esto representa en cuanto a ahorro, tanto en la parte económica como en la de espacio, cuestión a tener muy en cuenta en el diseño electrónico moderno. 2. Tipos de Tecnología en la Fabricación de Circuitos Integrados Los diseñadores de circuitos integrados solucionan los problemas que se plantean en la integración, esencialmente, con el uso de transistores. Esto determina las tecnologías de integración que, actualmente, existen y se deben a dos tipos de transistores que toleran dicha integración: los bipolares y los CMOS y sus variantes.

3 3. Escalas de Integración Las escalas de integración hacen referencia a la complejidad de los circuitos integrados, es decir a la cantidad de transistores que se pueden integrar. Dichas escalas están normalizadas por los fabricantes. Escala de integración SSI: pequeña escala de integración MSI: media escala de integración LSI: gran escala de integración Nº Aplicaciones típicas componentes <100 Puertas lógica y biestables +100 y y Codificadores, registros... sumadores, Circuitos aritméticos complejos, memorias... VLSI: Muy alta escala de y - Microprocesadores, memorias, integración 10 6 microcontroladores... ULSI: Ultra alta escala de integración Procesadores digitales y microprocesadores avanzados 4. Clasificación de los Circuitos Integrados por su Aplicación Circuitos de aplicación especifica (ASIC): circuitos diseñados para una función concreta (tarjeta de sonido, de video, amplificadores, temporizadores, reguladores..) Circuitos de propósito general (GLUE LOGIC): aquellos circuitos que pueden realizar diferentes funciones (microcontroladores, familia 74XX y 40XX). Circuitos programables: presentan características intermedias a los anteriores (Dispositivos Lógicos Programables (PLD), Arrays de Puertas Programables (FPGA).

4 5. Encapsulados de Circuitos Integrados A continuación se discuten los encapsulados más importantes y los más utilizados. Esta es una pequeña selección de la infinidad de tipos de cápsulas que existen. Encapsulado DIP o DIL (Dual In Line) Encapsulado flat-pack Encapsulado SOIC (Small Outline Integrated Circuit) Encapsulado LCCC ( Encapsulado PLCC Leaded Ceramic Chip Encapsulado SIP (Plastic Lead Chip Carrier) Carrier) ENCAPSULADO DIP o DIL: Este es el encapsulado más empleado en montaje por taladro pasante en placa. Este puede ser cerámico (marrón) o de plástico (negro). Un dato importante en todos los componentes es la distancia entre patillas que poseen, en los circuitos integrados es de vital importancia este dato, así en este tipo el estándar se establece en 0,1 pulgadas (2,54mm). Se suelen fabricar a partir de 4, 6, 8, 14, 16, 22, 24, 28, 32, 40, 48, 64 patillas, estos son los que más se utilizan. Otra norma que también suele cumplirse se refiere a la identificación de la numeración de las patillas o pines: la patilla número uno se encuentra en un extremo señalada por un punto o una muesca en el encapsulado y se continua la numeración en sentido contrario a las agujas del reloj, mirando al integrado desde arriba. Por regla general, en todos los encapsulados aparece la denominación del integrado, así como, los códigos particulares de cada fabricante.

5 ENCAPSULADO FLAT-PACK.- Se diseñan para ser soldados en máquinas automáticas o semiautomáticas, ya que por la disposición de sus patillas se pueden soldar por puntos. El material con el que se fabrican es cerámico. La numeración de sus patillas es exactamente igual al anterior. Sus terminales tienen forma de ala de gaviota. La distancia entre patillas es de 1,27mm, la mitad que en los DIP. ENCAPSULADO SOIC.- Circuito integrado de pequeño contorno. Son los más populares en los circuitos de lógica combinacional, tanto en TTL como en CMOS. También la terminación de las patillas es en forma de ala de gaviota. Se sueldan directamente sobre las pistas de la placa de circuito impreso, en un área denominada footprint. La distancia entre patillas es de 1,27mm (0,05 ). La numeración de los pines es exactamente igual a los casos anteriores. ENCAPSULADO PLCC.- Se emplea en técnicas de montaje superficial pero, generalmente, montados en zócalos, esto es debido a que por la forma en J que tienen sus terminales la soldadura es difícil de verificar con garantías. Esto permite su uso en técnicas de montaje convencional. Se fabrican en material plástico. En este caso la numeración de sus patillas varía respecto de los anteriores. El punto de inicio se encuentra en uno de los lados del encapsulado, que coincide con el lado de la cápsula que acaba en chaflán, y siguiendo en sentido antihorario. La distancia entre terminales es de 1,27mm. ENCAPSULADO LCC.- Al igual que el anterior se monta en zócalo y puede utilizarse tanto en montaje superficial como en montaje de taladro pasante. Se fabrica en material cerámico y la distancia entre terminales es de 1,27mm. Si pulsas en el siguiente botón verás una clasificación de circuitos integrados bajo dos criterios que se refieren a la forma física y disposición de patillaje, así como, al montaje en placa de circuito impreso (Montaje convencional y SMD). ENCAPSULADO BGA Por último, y ante la necesidad de incrementar el número de entradas/salidas de los nuevos diseños de IC s, sin que esto volviera extremadamente grandes a los IC s o con pitch demasiado finos, es que aparece el BGA o Ball Grid Array.-

6 Este empaquetados posee sus pines de soldadura en forma de bolas de estañoplomo ubicadas en la superficie inferior del IC. Al distribuir así los pines contando con toda la superficie del IC se elimina la complicación de pitch demasiado finos, pero la soldadura deja de estar visible por quedar debajo del IC. 6. Tecnologías de Montaje de Componentes Electrónicos Desde hace ya muchos años la tecnología de montaje superficial de componentes o SMT (Surface Mount Technology) ha ido desplazando en gran parte a su antecesora, la tecnología de agujeros pasantes o THT (Through-Hole Technology), también conocida como de montaje convencional o de inserción. 6.1 Tecnología de montaje THT. Este es al acrónimo del inglés para la tecnología de agujeros pasantes. Hizo su aparición con las Placas de Circuito Impreso, PCI o PCB, del inglés Printed Circuit Boards, en reemplazo de la tecnología de montaje de componentes sobre chasis metálicos y/o sobre regletas aislantes con terminales de soldar y cableados estructurados utilizados en equipos de TV o radio antiguos. Los materiales base de las PCI son de buenas propiedades aislantes y adecuada estabilidad térmica, química y mecánica. Además son construidos con materiales fenólicos del tipo pértinax o la combinación de velos de fibra de vidrio con epoxi. Sobre esta base se halla laminado el circuito eléctrico en cobre. Los caminos conductores poseen islas con agujeros pasantes (o Through-Holes) a través de los cuales asomarán los terminales de los componentes montados y en donde se llevará a cabo la soldadura para la fijación mecánica y unión eléctrica de los componentes al circuito.

7 Existen PCI de simple o doble cara y multicapas. En las PCI de doble cara y multicapa los Through-Holes están metalizados por dentro y estañados e interconectan las diferentes caras y/o capas del circuito THT Montaje manual de componentes: Para el montaje de prototipos o placas de muestra basta una pinza y un alicate para insertar los componentes en su correcta posición e ir cortando los terminales y doblando los extremos salientes para lograr cierto anclaje mecánico que permita soldarlo manualmente sin que caigan de la placa al invertirla. Para bajos y medianos volúmenes de producción es indicado contar con un área de corte y preformado en el cual mediante dispositivos manuales o automáticos, que se pueden adquirir en el mercado, los componentes son cortados y sus extremos doblados en formas especiales para lograr el anclaje mecánico que los mantengan en posición hasta ser soldados sin que se levanten ni caigan por el orificio dejando terminales extremadamente largos. Los componentes que, por su baja disipación térmica, no necesiten ser montados en forma elevada de la placa pueden ser doblados sus terminales en ángulo recto y cortados. En ambos casos para el montaje manual se arman puestos de trabajo individuales o en línea. La PCI es equipada con los componentes y sometida luego al proceso de soldadura por baño de ola. THT Montaje automático de componentes: Para grandes volúmenes de producción se cuenta con máquinas insertadoras de componentes, dividiéndose según el tipo de encapsulado del componente en insertadoras radiales, axiales o de circuitos integrados DIP. La insertadora DIP toma los componentes de las varillas de IC s, mientras que la radial y axial lo hacen directamente de los rollos provistos por el fabricante o bien, mediante el paso previo en una máquina secuenciadora, donde se arman nuevos rollos con la secuencia de componentes que luego serán insertados.

8 En todos los casos un cabezal se encarga de tomar el componente, doblar sus terminales y posicionarlo en el ángulo de inserción programado mientras debajo una mesa X-Y que sostiene a la PCI se ubica en las coordenadas programadas. En ese momento el cabezal baja introduciendo los terminales en los Through- Holes mientras un segundo cabezal, debajo de la PCI, termina el ciclo mediante un cut&clinch, es decir cortando los terminales salientes y doblándolos para lograr el anclaje mecánico deseado. Una PCI así montada puede ser manipulada e invertida sin que se caigan los componentes. De todos modos algunos componentes especiales como transformadores o conectores pueden requerir ser colocados a mano o mediante insertadoras especiales conocidas como ODD-FORMS 6.2 Tecnología de Montaje SMT. Así es llamada la Tecnología de Montaje Superficial que emplea componentes SMD (Surface Mount Device) y que se diferencian de los THT o convencionales por no contar con alambres de conexión sino que el propio encapsulado posee sus extremos metalizados o con terminales cortos y rígidos de diversas formas. En la técnica SMT los componentes (SMD) pueden ir montados del lado de la soldadura de la PCI, del lado de los componentes o de ambos lados. Pueden compartir la placa con componentes THT teniéndose así una técnica de montaje MIXTA. SMT - Montaje sobre el lado de componentes: Como este lado no puede pasar por el baño de ola para soldar, ya que, es en este lado donde están la mayoría de los componentes de la PCI, se realiza una impresión serigráfica de pasta de soldar, a base de una aleación de estaño microgranulado y flux, sobre los PAD s (así llamadas las áreas de contacto del circuito impreso en donde se soldará un SMD). Los componentes son tomados de su embalaje y colocados en las coordenadas programadas mediante máquinas colocadoras de componentes SMD, a veces llamadas chipeadoras, Pick&Place o Collect&Place. Por cuestiones de calidad, precisión, velocidad y practicidad, el equipamiento manual de SMD s solo es considerado para la realización de algunos prototipos. Una vez puestos los componentes sobre esta pasta la placa es introducida en un horno continuo para desarrollar un ciclo térmico que incluye precalentamiento, fusión del estaño, reflujo del mismo y enfriamiento. Este proceso es conocido como soldadura reflow y los hornos empleados pueden ser infrarrojos o de convección forzada. Existe también la opción de soldadura en atmósfera inerte, que mediante la inyección de nitrógeno logra desplazar el oxígeno para evitar oxidaciones durante la soldadura.

9 SMT Montaje del lado de soldadura: Sobre este lado de la placa los componentes son fijados mediante un proceso de adhesivado el cual se lleva a cabo con una máquina dispensadora de gotas o mediante serigrafía de pegamento. La colocación de los componentes sobre las gotas se realiza con el mismo tipo de máquinas que para el paso anterior. Colocado el componente sobre la gota de pegamento, que por su viscosidad permite un manipuleo cuidadoso, la PCI es introducida en un horno, estático o continuo, donde se desarrollará el proceso de curado o endurecimiento del pegamento siguiendo una curva de temperatura adecuada. Una vez curado el pegamento la PCI queda lista para ser soldada por baño de ola o previamente equipada con componentes THT en caso de técnica mixta. Montaje MIXTO: La técnica mixta no es más que el resultado de combinar THT con alguno o ambos procesos SMT descritos. Esto es muy común dado que si bien en SMD existen ya casi todo tipo de componentes, muchas veces por razones de costo o por no justificarse un cambio de proceso o por bajos volúmenes de producción, se siguen colocando THT s.

10 7. Tipos de terminales en componentes SMD Las formas de terminales o pines más habituales están representadas en las siguientes figuras: De estos formatos de pines los de extremo metalizados son usados en chips de resistores y capacitores cerámicos, los de ala de gaviota (Gull Wing) y los de forma de J (J shaped) son los más usados en IC s. Los terminales de pin doblado (strand) se usan en capacitores de tantalio mientras que los de forma de cuña (wedge shaped) y los de forma de I (I shaped) no han alcanzado importancia en la práctica. 8. Separación de pines Circuitos Integrados SMD El pitch no es más que la dimensión del paso en que se hallan distribuidos los terminales o pines de un IC entre sí. No es el espacio que queda entre un pin y otro, sino la distancia entre centro y centro de pines.se habla de pitch para pasos iguales o mayores a 0,8mm y de fine pitch para los menores de 0,8mm El último fine pitch conocido es de 0,12mm, pero convengamos en que se torna inmanejable a la hora de mantener baja la tasa de error en un proceso

11 seriado de fabricación. Esta complicación dió lugar a nuevas formas y diferente distribución de pines, tal el caso del Ball Grid Array, CSP, Flip-Chip, etc 9. Otros Componentes SMD Además de los circuitos integrados se han desarrollado otros componentes que son necesarios normalmente en la implementación a nivel de PCI. Estos componentes pueden ser pasivos como las resistencias y capacitares o activos como los transistores discretos. 9.1 Componentes Pasivos. Los componentes pasivos como resistencias y capacitores tienen forma de paralelepípedo y se los conoce como CHIP o FLAT CHIP. Sus extremos metalizados y estañados constituyen los terminales de conexión. La denominación comercial se refiere a ellos por su largo y ancho por ejemplo 0805, lo que de modo codificado significa 0,08 x 0,05 de pulgada. En la siguiente tabla se muestran las dimensiones más usadas. La altura puede variar según el fabricante y no es crítica para el proceso de fabricación. Existen componentes pasivos de forma cilíndrica, conocidos como MELF y sus variantes maxi, mini y micro-melf. Al igual que los anteriores sus terminales de conexión consisten en extremos metalizados y estañados. En este formato suelen encontrarse resistores y diodos recibiendo estos últimos el nombre de SOD MELF

12 9.2 Componentes activos: Transistores Su sigla SOT significa Small Outline Transistor y generalmente el cuerpo es de plástico o cerámica. Como se ve en la figura llevan pines tipo Gull Wing o ala de gaviota y si bien usualmente son transistores pueden contener diodos, tiristores, etc. 10. Formas de Suministro Con un panorama de los tipos de encapsulados más comunes usados actualmente, solo falta tratar acerca de cómo vienen suministrados los mismos. Básicamente las formas de suministro pueden ser, dependiendo del encapsulado, en cinta (tape & reel), en varillas (tubes o magazine), en planchas (tray o waffle pack) o a granel (Bulk Case) Las cintas tape&reel se clasifican por su ancho en 8, 12, 16, 24, 32 y 44 milímetros. Son de material plástico aunque las de 8 y 12mm pueden ser de papel. En las siguientes figuras se ilustran una cinta con las cavidades para alojar los SMD y un rollo donde se puede ver la cinta cobertora que mantiene el SMD en su lugar hasta el momento de su utilización. Estas cintas también se las conoce como blister.

13 Las varillas suelen tener el perfil del componente que contienen de modo que estos puedan correr por su interior sin girar, conservando así el orden en que han sido cargadas por polaridad o número de pin. Las planchas o trays son de material plástico antiestático y tienen alojamientos distribuidos en forma matricial para contener los componentes. Bulk Case o provisión a granel consiste en un contenedor plástico hermético que posee una salida adaptable a las máquinas que se encargarán de tomar y colocar los componentes. Se recomienda para grandes producciones por menor costo.

14 Cada una de las formas de suministro descritas debe cumplir con determinadas medidas y tolerancias preestablecidas, ya que al momento de usar los materiales serán introducidas en máquinas que, si bien pueden ser de diferentes fabricantes, poseen herramientas llamadas alimentadores que dentro de esas medidas y tolerancias prepararán los componentes para ser tomados y colocados en las placas de circuito en forma automática. Consideraciones ESD y DryPack Al igual que algunos componentes THT los SMD también pueden ser sensibles a las cargas electrostáticas. La sigla ESD significa Electrostatic Sensitive Device (componente sensible a la electrostática) y viene indicada convenientemente en el embalaje. Esto indica que debemos manipularlos con las normas antiestáticas que se recomiendan para estos casos. Asimismo existen componentes cuyo material de encapsulado poseen propiedades higroscópicas, es decir que absorben humedad. Estos son suministrados en bolsas herméticas llamadas Dry-Pack y contienen en su interior algún material disecante que acompaña a los componentes hasta su utilización para evitar la presencia de humedad durante el almacenamiento. Si no se respetan las recomendaciones exponiendo los componentes a fuentes de humedad puede suceder que llegado el momento de la soldadura la humedad absorbida forme vapor y provoque fisuras en el encapsulado, lo cual será causa de falla eléctrica a corto o largo plazo.

15 11. Listado de encapsulados Se lista a continuación, como referencia, una lista exhaustiva sobre los nombres y denominaciones de encapsulados existentes para circuitos integrados y otros componentes. Los números entre paréntesis indican los tipos de modelos o cantidad de pines disponibles. BGA: ball grid array BQFP: bumpered quad flat package BQFPH: bumpered quad flat package with heat spreader CBGA: ceramic ball grid array CCC: ceramic chip carrier (sin plomo) CerDIP: ceramic dual in-line package CerPack: ceramic flatpack CERQUAD: ceramic quad in-line package CLCC: ceramic leadless chip carrier CMPAK: compact mini package (Diodos Hitachi) CMPAK: compact mini package (Transistores Hitachi) CPGA: ceramic pin grid array CSP: chip size package DFP: dual flat package DIL: dual in-line (8,14,16,18,20,22,24,28,32,40,48) DIMM: dual in-line memory module DIP: dual in-line package DPAK: deca-watt package (Transistores Hitachi) DSO: dual small outline package EBGA: enhanced ball grid array ERP: extremely small resin package (Diodos Hitachi) FC: flip chip FPAK: flat package (Diodos Hitachi) FPBGA: fine pitch ball grid array FPQFP: fine pitch quad flat package FPT: fine pitch technology FQFP: fine pitch quad flat package HDPAK: huge deca-watt package (Transistores Hitachi) HQSOP: hermetic QSOP (20,24) LCBGA: low cost ball grid array LCC: leadless chip carrier LCCC: leadless ceramic chip carrier LDPAK: large deca-watt package (Diodos Hitachi) LLD: leadless diode (Diodos Hitachi) LRP: large resin package (Diodos Hitachi) LGA: land grid array

16 MELF: metal electrode face MOP: mini oct-lead package (Transistores Hitachi) MPAK: mini package (Transistores Hitachi) MPAK: mini package (Transistores Hitachi) MQFP: metric quad flat package MQFP2: metric quad flat package with heat sink MQFPH: metric quad flat package with heat spreader MQUAD: metric quad (encapsulado plano) PBGA: plastic ball grid array PDIL: plastic dual in-line package PDIP: plastic dual-in-line package PGA: pin grid array package PLCC: plastic leaded chip carrier (20,28,32,44,52,68,84) PLCCH: plastic leaded chip carrier with heat spreader PQ2: power quad flat package type 2 PQFP: plastic quad flat package PSO: plastic small outline package QFP: quad flat-pack (44S10,44S14,48S10,64REC,80REC,100REC,120,128,160) QIL: quad in-line package QIP: quad in-line package QSOP: quarter size small outline package (16,20,24,28) o quality small-outline package QTCP: quad tape carrier package QUAD: quad in-line package QUIL: quad in-line package QUIP: quad in-line package SD: side-brazed ceramic dual in-line package SDIP: shrink dual in-line package SGA: solder grid array SHRDIL: shrink dual in-line (20,24,32,42,52,64) SIL: single in-line (9,13,17) SIMM: single in-line memory module SIP: single in-line package SMPAK: super mini package (Transistores Hitachi) SO: small outline (8,14,16,20,24,28,32,28) SOD: small outline diode SOG: small outline IC* with gull-wing leads SOIC: small outline integrated circuit (same as SO) SOJ: small outline j-lead package SONB: small outline narrow-body IC* with gull-wing leads SOP: small outline package SOT: small outline transistor SP-10: single in line package 10 pin (Transistores Hitachi) SP-12: single in line package 12 pin (Diodos Hitachi)

17 SPAK: small package (Transistores Hitachi) SQFP: shrink quad flat-pack (32,48,64,80,208,240) SQFP2: shrink quad flat package with heat sink SQFPH: shrink quad flat package with heat spreader SRP: small resin package (Diodos Hitachi) SSO: single small-outline package SSOP: shrink small outline package (20,24,28,48,56) SSP: super small resin package (Diodos Hitachi) TAB: tape automated bonding TBGA: tape ball grid array package TCP: tape carrier package TD: top-brazed ceramic dual in-line package TO: transistor single outline package TQFP: thin quad flat package TQFP2: thin quad flat package with heat sink TQFPT: thin quad flat package with 1.0 mm body thickness TSOP: thin small-outline package TSOPII: thin small-outline package type II TSQFP: thin shrink quad flat-pack (44,64,100) TSSOP: thin shrink small outline package (20,24,28,48,56) UMD: ultra mini diode (Transistores Hitachi) UPAK: uni-watt package (Diodos Hitachi) URP: ultra small resin package (Transistores Hitachi) VQFP: very small quad flat package VSO: very small outline (40,56) VSOP: very small outline package VTQFP: very thin quad flat package VTSOP: very thin small outline package ZIF: zero insertion force ZIP: zig-zag in-line package 12. Bibliografía