Корпуса микросхем и типоразмеры SMD: DIP, SOIC, QFP, BGA

Заказали резистор 0603, а пришли детали вдвое мельче, чем ожидали. Купили микросхему по знакомому наименованию, а в посылке корпус, который на плату не встает. Оба случая происходят постоянно и по одной причине: обозначения корпусов и типоразмеров устроены неочевидно, а в двух системах кодирования одни и те же четыре цифры означают разные детали. Разберем типоразмеры чип-компонентов и главную ловушку с дюймами и миллиметрами, пройдем по корпусам микросхем от DIP до BGA, посчитаем мощность по типоразмеру на живых числах и определим, что реально паяется руками, а что нет.

Содержание

• Зачем компоненту корпус
• Выводной и поверхностный монтаж
• Типоразмеры чип-компонентов
• Ловушка: дюймы против миллиметров
• Типоразмер и мощность: расчет
• Выводные корпуса: DIP и родственники
• SOIC, SOP и уменьшенные версии
• QFP: выводы с четырех сторон
• QFN и DFN: корпуса без выводов
• BGA: шарики вместо ног
• Корпуса дискретных компонентов
• Тепловая площадка и переходные отверстия
• Сводная таблица корпусов
• Как читать суффикс в наименовании
• Что реально паяется руками
• Как выбрать корпус
• Типичные ошибки
• Частые вопросы

Зачем компоненту корпус

Полупроводниковый кристалл сам по себе беззащитен. Это тонкая пластина размером от долей миллиметра до сантиметра, которую разрушает влага, пыль, свет и любое механическое воздействие. Корпус решает сразу четыре задачи.

Защита. Пластик или керамика изолируют кристалл от среды и держат механическую нагрузку при монтаже и эксплуатации. Электрическое соединение. Тонкие проволочки или столбики внутри соединяют площадки кристалла с выводами, за которые деталь припаивают. Отвод тепла. Через выводы, а у мощных корпусов через отдельную площадку, тепло уходит от кристалла в плату и радиатор. Задание технологии монтажа. Корпус определяет, паяется деталь в отверстия или на поверхность, вручную или в печи.

Поэтому корпус это не упаковка, а полноценная часть конструкции. Один и тот же кристалл в разных корпусах может отличаться допустимой мощностью в разы, а требования к плате и оборудованию у него будут совершенно разные.

Выводной и поверхностный монтаж

Все корпуса делятся на два больших мира по способу установки на плату.

Выводной монтаж означает, что у детали есть проволочные выводы, которые продевают в сквозные отверстия платы и паяют с обратной стороны. Так собирали технику десятилетиями, и такие детали живут до сих пор: они прочно держатся, легко паяются обычным паяльником и хорошо читаются глазом. Расплата в габаритах, в стоимости сверления отверстий и в невозможности плотного монтажа.

Поверхностный монтаж означает, что деталь ставится прямо на контактные площадки без отверстий. Компоненты получаются в разы мельче, плата дешевле, детали можно ставить с обеих сторон, а сборку выполняет автомат. Именно так собирают практически всю современную технику.

Практически это выражается так: если вы делаете единичный прибор и паяете сами, выводной монтаж удобнее. Если планируется серия или устройство должно быть компактным, выбора нет, это поверхностный монтаж.

Типоразмеры чип-компонентов

У пассивных деталей поверхностного монтажа, резисторов и конденсаторов, корпус выглядит как маленький прямоугольный брусок с металлизацией по торцам. Их размеры стандартизованы, и обозначаются они четырехзначным кодом.

Логика кода простая: первые две цифры это длина, вторые две ширина. Проблема в том, что единицы измерения бывают двух видов.

В имперской системе размеры даны в сотых долях дюйма. Код 0805 означает длину 0,08 дюйма и ширину 0,05 дюйма, то есть примерно 2,0 на 1,25 миллиметра. Код 1206 это 0,12 на 0,06 дюйма, то есть 3,2 на 1,6 миллиметра.

В метрической системе размеры даны в десятых долях миллиметра. Тот же самый компонент 0805 в метрике называется 2012, потому что его размеры 2,0 на 1,2 миллиметра.

Ходовой ряд по возрастанию выглядит так: 0201, 0402, 0603, 0805, 1206, 1210, 2010, 2512. Самые массовые сегодня это 0603 и 0805 в ремонте и мелких сериях, 0402 и 0201 в плотном промышленном монтаже.

Ловушка: дюймы против миллиметров

А теперь самое важное, из-за чего заказы уходят в брак. Коды двух систем совпадают по написанию, но означают разные детали.

Имперский код 0603 это деталь 1,6 на 0,8 миллиметра. Метрический код 0603 это деталь 0,6 на 0,3 миллиметра. Разница в размерах примерно втрое по каждой стороне, то есть почти в девять раз по площади. Спутать их означает получить россыпь пылинок вместо привычных чипов или наоборот.

Точно так же имперский 0402 равен метрическому 1005, а метрический 0402 равен имперскому 01005, самому мелкому из ходовых.

В подавляющем большинстве каталогов, даташитов и разговоров в России и мире по умолчанию используется имперская система. Но если в описании рядом с кодом стоит слово metric или размеры указаны в миллиметрах и не сходятся с ожидаемыми, это повод перепроверить, а не додумывать. Надежнее всего сверять не код, а сами габариты в миллиметрах: они однозначны.

Отдельно стоит запомнить соответствие для трех самых ходовых размеров: имперский 0603 это метрический 1608, имперский 0805 это метрический 2012, имперский 1206 это метрический 3216. Этого хватает для большинства повседневных задач.

Типоразмер и мощность: расчет

У чип-резистора габариты напрямую задают допустимую мощность: чем больше корпус, тем больше тепла он отдает плате. Типовые значения такие: 0402 около 0,063 Вт, 0603 около 0,1 Вт, 0805 около 0,125 Вт, 1206 около 0,25 Вт, 2010 около 0,75 Вт, 2512 около 1 Вт. Точные цифры зависят от серии и берутся из даташита, но порядок именно такой.

Пример расчета. Нужен гасящий резистор 1 кОм в цепи 12 вольт. Считаем мощность: P = U² / R = 144 / 1000 = 0,144 Вт.

Смотрим по ряду. Типоразмер 0805 рассчитан на 0,125 Вт, то есть не проходит вовсе, деталь будет работать за пределом. Типоразмер 1206 на 0,25 Вт дает загрузку 0,144 / 0,25 = 58 процентов, формально проходит, но запас невелик. Типоразмер 2010 на 0,75 Вт дает загрузку всего 19 процентов и работает холодным.

Практическое правило: закладывают загрузку не более половины паспортной мощности. По нему для наших 0,144 Вт нужен корпус минимум на 0,29 Вт, то есть 2010. Если место на плате дорого и рядом нет чувствительных деталей, можно поставить 1206 и смириться с нагревом. Подробнее о подборе резисторов по мощности и допуску написано в статье про виды и характеристики резисторов.

Важная поправка: паспортная мощность указана при определенной температуре среды, обычно 70 градусов. Выше нее допустимую мощность снижают по графику из даташита, и в горячем корпусе прибора реальный предел оказывается заметно ниже табличного.

Выводные корпуса: DIP и родственники

DIP, корпус с двумя рядами выводов, это классика выводных микросхем. Выводы идут двумя параллельными рядами с шагом 2,54 миллиметра, что равно одной десятой дюйма. Обозначают его с числом выводов: DIP-8, DIP-14, DIP-16, DIP-40.

Шаг 2,54 миллиметра это огромная величина по нынешним меркам, и в этом главное достоинство DIP: его паяет кто угодно и чем угодно, он ставится в панельку, легко выпаивается и допускает подключение щупов прямо к выводам. Поэтому DIP жив в учебной технике, макетировании, ремонтном фонде и там, где микросхему надо менять без пайки.

Из родственников встречается SIP с одним рядом выводов, его применяют в сборках резисторов и модулях. В такие же выводные корпуса ставят и оптопары, о которых написано в статье про устройство и принцип работы оптопар.

SOIC, SOP и уменьшенные версии

SOIC это прямой поверхностный наследник DIP: те же два ряда выводов, но загнутых наружу в форме буквы J или крыла чайки, и деталь ставится на поверхность платы. Шаг выводов 1,27 миллиметра, ровно вдвое мельче DIP.

Ширина корпуса бывает двух видов: узкая около 3,9 миллиметра и широкая около 7,5 миллиметра для микросхем с большим количеством выводов. При заказе это существенно: SOIC-16 узкий и SOIC-16 широкий на плату друг вместо друга не встанут.

Дальше идет линейка уменьшений. SSOP и TSSOP имеют шаг 0,65 или 0,5 миллиметра и заметно меньшую высоту, буква T означает уменьшенную толщину. MSOP и VSSOP еще мельче. Логика названий одна: чем больше букв в начале, тем компактнее корпус при том же принципе.

Практически SOIC с шагом 1,27 миллиметра паяется руками свободно, TSSOP с шагом 0,65 требует навыка и хорошего флюса, а шаг 0,5 миллиметра уже на грани ручной пайки обычным жалом.

QFP: выводы с четырех сторон

Когда выводов становится много, два ряда перестают справляться, и выводы разводят по всем четырем сторонам. Так получается QFP, плоский квадратный корпус.

Шаг выводов бывает 0,8, 0,65, 0,5 и 0,4 миллиметра, число выводов от 32 до 208 и выше. Разновидности отличаются высотой: LQFP имеет толщину около 1,4 миллиметра, TQFP около 1,0 миллиметра. Именно в этих корпусах выпускают большинство доступных микроконтроллеров.

Сильная сторона QFP в том, что все выводы видны и доступны. Их можно осмотреть под лупой, прозвонить, подцепить щупом осциллографа и при необходимости перепаять поштучно. Для отладки и ремонта это принципиально: в корпусах без выводов такой возможности уже нет.

Слабая сторона это хрупкость выводов. Погнутая при неаккуратном обращении ножка ведет либо к отсутствию контакта, либо к замыканию с соседней, а при шаге 0,5 миллиметра заметить это без увеличения тяжело.

QFN и DFN: корпуса без выводов

QFN это корпус, у которого выводов в привычном смысле нет вовсе. Вместо них по периметру нижней стороны расположены плоские контактные площадки, а посередине почти всегда находится большая металлическая площадка для отвода тепла. Вариант с контактами только по двум сторонам называется DFN.

Достоинства заметные: корпус компактнее QFP при том же числе контактов, ниже по высоте, а короткие соединения внутри дают лучшие характеристики на высоких частотах. Тепловая площадка снизу отводит тепло гораздо эффективнее, чем тонкие выводы.

Плата за это одна и серьезная: контакты находятся под корпусом и снаружи не видны. Осмотреть пайку глазом невозможно, прозвонить контакт напрямую тоже, а для контроля качества монтажа нужен рентген. Ручная пайка возможна феном с паяльной пастой, но проверить результат нечем, кроме как по работоспособности схемы.

BGA: шарики вместо ног

BGA это корпус, у которого вся нижняя поверхность занята массивом шариков припоя, расположенных сеткой. Число контактов достигает сотен и тысяч, шаг составляет 1,0, 0,8 или 0,5 миллиметра.

Такая конструкция позволяет вывести огромное число контактов на небольшой площади, и без нее не существовало бы ни современных процессоров, ни микросхем памяти. Электрически BGA тоже хорош: соединения короткие, индуктивность выводов мала.

Технологически это самый сложный корпус. Монтаж идет только в печи с точным профилем нагрева, шарики оплавляются и сами центрируют деталь по площадкам. Контроль качества выполняется рентгеном. Перепайка требует специальной станции, а иногда и восстановления шариков.

Для прототипа, который собирается вручную, BGA брать нельзя, и это не вопрос навыка, а вопрос оборудования. Если микросхема существует только в корпусе BGA, для макета ищут либо готовый модуль с ней на плате, либо переходную плату-адаптер, либо другую микросхему с похожей функцией в корпусе QFP.

Отдельно стоит упомянуть корпуса размером с сам кристалл. У них контакты расположены прямо на кристалле, а корпуса как такового почти нет. Габариты минимальны, но требования к плате и монтажу самые жесткие.

Корпуса дискретных компонентов

У транзисторов, диодов и стабилизаторов своя система обозначений, не пересекающаяся с микросхемной.

• TO-92. Выводной пластиковый корпус с полукруглым сечением и тремя ножками. Маломощные транзисторы, доли ватта.
• TO-220. Выводной корпус с металлическим фланцем и отверстием под винт. Единицы и десятки ватт при установке на радиатор. В нем живут силовые транзисторы и линейные стабилизаторы, о которых написано в статье про стабилизаторы напряжения.
• TO-247. Крупнее TO-220, для действительно мощных ключей.
• SOT-23. Массовый мелкий поверхностный корпус на три вывода. Маломощные транзисторы, диоды, простые стабилизаторы.
• SOT-223 и SOT-89. Поверхностные корпуса с увеличенной площадкой для отвода тепла, до полутора ватт при хорошей меди на плате.
• DPAK и D2PAK. Поверхностные наследники TO-220, у них теплоотвод идет через широкий припаянный фланец прямо в полигон платы.
• SMA, SMB, SMC. Поверхностные корпуса выпрямительных диодов, различаются размером и допустимым током. Про сами диоды есть статья про виды и характеристики диодов.

Тепловая площадка и переходные отверстия

У корпусов QFN, DPAK и части TSSOP снизу есть открытая металлическая площадка, соединенная с кристаллом. Через нее уходит основная доля тепла, и без нее паспортные цифры по мощности недостижимы.

Работает эта площадка только в связке с платой. Ее припаивают к ответному полигону, а из полигона тепло уводят вниз через массив переходных отверстий, соединяющих его с внутренними и нижним слоями. Типовое решение это сетка из нескольких отверстий диаметром порядка 0,3 миллиметра с шагом около миллиметра.

Если площадку не припаять или сделать полигон крошечным, микросхема будет греться и уходить в защиту при токах вдвое ниже паспортных. Внешне все выглядит правильно, деталь установлена, схема собрана, а причина отказа спрятана в разводке. Это одна из самых частых ошибок при переходе с выводных корпусов на поверхностные.

Сводная таблица корпусов

Как читать суффикс в наименовании

Одна и та же микросхема почти всегда выпускается в нескольких корпусах, и различает их суффикс в конце полного наименования. Проблема в том, что единой системы суффиксов не существует: у каждого производителя своя.

Например, у одного изготовителя буква N в конце означает выводной DIP, D означает SOIC, а PW означает TSSOP. У другого те же корпуса обозначаются совсем иначе. Догадаться по аналогии нельзя, только смотреть раздел информации для заказа в даташите, где перечислены все варианты корпусов с полными обозначениями.

Отсюда простое правило работы с каталогом: заказывают не по короткому наименованию, а по полному. Разница между двумя позициями может быть в одной букве, а на плату встанет только одна из них.

Заодно в наименовании часто зашит температурный диапазон и вариант поставки, лента или россыпь. На функцию это не влияет, но на цену и на удобство сборки влияет заметно.

Что реально паяется руками

Вопрос практический, и ответ на него зависит не от героизма, а от шага выводов и инструмента.

Шаг 2,54 и 1,27 миллиметра. Паяется обычным паяльником с тонким жалом без всяких хитростей. Это DIP, SOIC и большинство дискретных корпусов.

Шаг 0,65 миллиметра. Паяется, но техника меняется: выводы не паяют поштучно, а заливают припоем сразу группой, обильно смочив флюсом, после чего излишки снимают медной оплеткой. Флюс здесь важнее умения.

Шаг 0,5 и 0,4 миллиметра. Тем же методом с оплеткой, но нужны увеличение, хороший флюс и терпение. Результат обязательно осматривают под лупой на предмет перемычек.

Корпуса без выводов. Нужен фен и паяльная паста либо нижний подогрев. Контакты под корпусом не видны, поэтому проверить пайку можно только по работе схемы.

BGA. Только паяльная станция с контролируемым профилем нагрева, для домашних условий и мелкого ремонта тема закрыта.

Из типоразмеров пассивных деталей вручную комфортно паяются 1206, 0805 и 0603. Размер 0402 требует пинцета, увеличения и твердой руки. Размер 0201 и мельче руками ставят разве что при аварийном ремонте, и то с трудом. Чип-резисторы всех ходовых типоразмеров есть в разделе чип-резисторов каталога Эиком, а расшифровка кодов на их корпусах разобрана в статье про маркировку резисторов.

Как выбрать корпус

1. Определите способ сборки. Ручная пайка это шаг от 0,65 миллиметра и крупнее. Печь с трафаретом снимает почти все ограничения.
2. Оцените, придется ли ремонтировать. Если деталь будут менять в поле, берите корпус с видимыми выводами, а не QFN и не BGA.
3. Посчитайте мощность. Для пассивных деталей по типоразмеру с загрузкой до половины, для активных по тепловому сопротивлению из даташита.
4. Проверьте высоту. В тонких приборах разница между LQFP и TQFP в четыре десятых миллиметра решает, влезет плата в корпус или нет.
5. Сверьте класс точности платы. Шаг 0,4 миллиметра требует более узких дорожек и зазоров, а это другая цена изготовления.
6. Заложите теплоотвод. Если у корпуса есть площадка снизу, сразу планируйте полигон и массив переходных отверстий.
7. Проверьте наличие. Самый удачный корпус бесполезен, если позиция в нем не поставляется. Микросхемы во всех вариантах корпусов собраны в разделе микросхем каталога Эиком, а транзисторы и диоды в разделе дискретных полупроводников.

Типичные ошибки

• Спутали имперский код с метрическим. Заказали 0603 в метрике и получили детали втрое мельче ожидаемых. Сверяйте габариты в миллиметрах, а не только код.
• Взяли типоразмер без запаса по мощности. Резистор 0805 на 0,144 Вт работает за пределом паспортных 0,125 Вт и рано или поздно уходит в обрыв.
• Заказали микросхему не в том корпусе. Одно наименование, разные суффиксы, и деталь не встает на плату. Заказывайте по полному обозначению.
• Перепутали узкий SOIC с широким. Число выводов совпало, ширина нет, и посадочное место не подошло.
• Не припаяли тепловую площадку. Микросхема в QFN или DPAK греется и уходит в защиту при токах вдвое ниже заявленных.
• Полигон без переходных отверстий. Площадка есть, а тепло из нее уходить некуда, эффект тот же.
• Выбрали BGA для прототипа. Собрать вручную невозможно в принципе, независимо от опыта.
• Не учли снижение мощности с температурой. Паспортная цифра указана для 70 градусов, в горячем приборе реальный предел ниже.

Частые вопросы

Чем отличается имперский типоразмер 0603 от метрического 0603?

Размерами, причем сильно. Имперский 0603 это 1,6 на 0,8 миллиметра, потому что цифры означают сотые доли дюйма. Метрический 0603 это 0,6 на 0,3 миллиметра, потому что там десятые доли миллиметра. Разница почти в девять раз по площади. По умолчанию в каталогах используется имперская система, но при сомнении надежнее сверять габариты в миллиметрах, они однозначны.

Какой самый мелкий корпус можно припаять обычным паяльником?

Шаг выводов 0,5 миллиметра это практический предел для паяльника с тонким жалом, и то методом заливки группы выводов с последующим снятием излишков медной оплеткой. Из пассивных деталей комфортно паяются 0603 и крупнее, 0402 требует пинцета и увеличения. Корпуса без выводов вроде QFN нуждаются в фене и паяльной пасте, а BGA вручную не паяется вовсе.

Что означает буква в конце наименования микросхемы?

Чаще всего именно корпус, иногда дополнительно температурный диапазон и вариант поставки. Единой системы суффиксов не существует, у каждого производителя своя, поэтому расшифровку смотрят в разделе информации для заказа в даташите. Заказывать компоненты нужно по полному обозначению, так как разница в одну букву означает другой корпус.

Можно ли заменить микросхему на такую же в другом корпусе?

Электрически обычно да, кристалл внутри тот же, а нумерация выводов чаще всего совпадает. Но механически деталь не встанет на существующее посадочное место, и потребуется либо новая разводка платы, либо переходная плата-адаптер. Кроме того, у корпусов различается допустимая мощность рассеяния: в мелком корпусе та же микросхема может отдать заметно меньше тепла.

Итог: типоразмер пассивной детали задает ее мощность, а код читается в сотых долях дюйма, и совпадение цифр с метрической системой это главная ловушка при заказе. У микросхем корпус определяет и плотность монтажа, и возможность ручной пайки, и ремонтопригодность: от DIP с шагом 2,54 миллиметра до BGA, который живет только в печи. Компоненты во всех типоразмерах и корпусах с фильтрами по параметрам собраны в каталоге Эиком.

Читать также

• Цветовая маркировка резисторов: как определить номинал по полоскам
• Резисторы: виды, характеристики и как выбрать
• Маркировка конденсаторов: как расшифровать коды на корпусе
• Оптопары: устройство, принцип работы и гальваническая развязка
• Транзисторы: виды, характеристики и принцип работы