16.11.2016

Обзор металлокерамических корпусов АО «ТЕСТПРИБОР» категории качества «ВП» и металлокерамических корпусов с радиационно-защитными экранами

А.Ю. Максимов

Одним из приоритетных направлений деятельности компании АО «ТЕСТПРИБОР» на протяжении последних 8 лет является разработка и производство металлокерамических корпусов для изделий микроэлектроники как гражданского, так и специального назначения.

За этот период времени было проведено более 15 НИР и ОКР в рамках которых разработаны металлокерамические корпуса:

- 2 типа по ГОСТ Р 54844;

- 4 типа по ГОСТ Р 54844;

- 5 типа по ГОСТ Р 54844;

- 6 типа по ГОСТ Р 54844;

- 8 типа по ГОСТ Р 54844.

Кроме этого, в настоящее время, компанией выполняется 4 опытно-конструкторские работы и 2 составные части опытно-конструкторских работ, в рамках которых разрабатывается порядка 9 типов металлокерамических корпусов категории качества «ВП».

Корпуса для интегральных микросхем (ИМС)

В данной статье более подробно и наглядно хотелось бы рассмотреть внешний вид и основные технические характеристики корпусов для ИМС, освоенных компанией в серийном производстве.

Корпуса 2 типа по ГОСТ Р 54844.

Представлены 2 корпусами, которые по своей сути являются уникальными. Корпус МК 2103.8-А (Рис. 1) изготовлен по базовой технологии производства многослойных высокотемпературных отожженных керамических модулей, но за счет усовершенствования применяемых материалов обладает немагнитными свойствами и предназначен для производства микросистем анализа слабых магнитных полей, а Основание ФПЗС (Рис. 2) делает уникальным глубина монтажного колодца, которая равна 10,5 мм. Общие технические характеристики корпусов 2 типа представлены в Таблице 1.

Металлокерамические корпуса dip

Металлокерамические корпуса

Рисунок 1 - Корпус МК 2103.8-А

Рисунок 2 – Основание ФПЗС

Таблица 1 – Основные технические характеристики корпусов 2 типа по ГОСТ Р 54844

Наименование параметра

МК 2103.8-А

Основание ФПЗС

Количество выводов

8

24

Шаг выводов, мм

2,54

2,50

Размер монтажной площадки, не менее, мм

17,56×4,10

22,9×14,9

Габаритные размеры тела корпуса, не более, мм

20,57×7,57×3,30

31,0×25,0×16,0

Глубина монтажного колодца, мм

0,65±0,10

10,5-0,2

Корпуса 4 типа по ГОСТ Р 54844.

В отдельную группу корпусов 4 типа выделены корпуса, которые мы относим к конструктивно-унифицированному ряду корпусов с количеством выводов 44, 68, 100, 144, 176, 208, 240, 256, 304, 352 и шагом выводов 0,5 мм, которые были разработаны в несколько этапов.

На первом этапе были разработаны корпуса с количеством выводов 68 (4239.68-1), 100 (4247.100-1), 144 (4248.144-1), 176 (4249.176-1), 208 (4250.208-1). С целью расширения конструктивных и функциональных возможностей при разработке и производстве интегральных микросхем, на втором этапе разработки данный ряд был пополнен планарными МК корпусами с количеством выводов 44 (4217.44-1), 240 (4245.240-7), 256 (4244.256-4), 304 (4251.304-2), конструктивное исполнение которых предполагает монтаж внешних выводов со стороны установочной плоскости корпуса, что позволяет:

- улучшить качество формовки выводов корпусов и уменьшить количество брака микросхем на финишных операциях изготовления: обрубки технологической части выводной рамки и формовки выводов микросхем;

- уменьшить длину выводов микросхем;

- повысить технологичность и уменьшить трудоемкость при монтаже микросхем на печатные платы.

Все эти преимущества были подтверждены на практике применения корпусов с нижним расположением выводов, о результатах которой получены положительные отзывы от предприятий-производителей изделий микроэлектроники. В связи с этим было приято решение и в настоящее завершаются работы по разработке конструктивно функциональных аналогов корпусов 4239.68-1, 4247.100-1, 4248.144-1, 4249.176-1 и 4250.208-1 с нижним расположением выводов. Так же, для обеспечения полноценного конструктивно-унифицированного ряда металлокерамических корпусов с шагом выводов 0,5 мм, была начата работа по разработке корпуса с предельным для данного типа корпуса количеством выводов – 352 и размером монтажной площадки не менее (19,0×19,0) мм.

Корпус МК 4239.68

а)

Корпус МК 4239.68
б)

Рис.3 Корпус МК 4239.68-1 с верхним расположением выводов: вид сверху (а) и вид снизу (б)

Корпус МК 4239.68

а)

Корпус МК 4239.68

б)

Рис.4 Корпус МК 4239.68-2 с нижним расположением выводов: вид сверху (а) и вид снизу (б)


Таблица 2 – Основные технические характеристики конструктивно-унифицированного ряда металлокерамических корпусов с количеством выводов 44, 68, 100, 144, 176, 208, 240, 256, 304 и шагом выводов 0,5 мм


Наименование параметра

МК 4217.44-1

МК 4239.68-1

МК 4239.68-2

Количество выводов

44

68

68

Количество контактных площадок

48

68

72

Шаг выводов, мм

0,5

0,5

0,5

Размер монтажной площадки, не менее, мм

5,4×5,4

7,5×7,5

7,5×7,5

Габаритные размеры тела корпуса, не более, мм

10,2×10,2×3,03

15,15×15,15×2,87

14,15×14,15×2,87

Глубина монтажного колодца, мм

0,50±0,05

0,50±0,05

0,50±0,05

Расположение выводов

Нижнее

Верхнее

Нижнее





Наименование параметра

МК 4247.100-1

МК 4247.100-3

МК 4248.144-1

Количество выводов

100

100

144

Количество контактных площадок

100

104

146

Шаг выводов, мм

0,5

0,5

0,5

Размер монтажной площадки, не менее, мм

9,0×9,0

9,0×9,0

12,5×12,5

Габаритные размеры тела корпуса, не более, мм

18,18×18,18×2,87

18,18×18,18×2,87

22,20×22,20×2,87

Глубина монтажного колодца, мм

0,50±0,05

0,50±0,05

0,50±0,05

Расположение выводов

Верхнее

Нижнее

Верхнее





Наименование параметра

МК 4248.144-3

МК 4249.176-1

МК 4249.176-2

Количество выводов

144

176

176

Количество контактных площадок

153

178

185

Шаг выводов, мм

0,5

0,5

0,5

Размер монтажной площадки, не менее, мм

12,5×12,5

12,0×12,0

12,0×12,0

Габаритные размеры тела корпуса, не более, мм

22,20×22,20×2,87

26,25×26,25×3,17

26,25×26,25×3,0

Глубина монтажного колодца, мм

0,50±0,05

0,50±0,05

0,50±0,05

Расположение выводов

Нижнее

Верхнее

Нижнее





Наименование параметра

МК 4250.208-1

МК 4250.208-2

МК 4245.240-7

Количество выводов

208

208

240

Количество контактных площадок

208

217

244

Шаг выводов, мм

0,5

0,5

0,5

Размер монтажной площадки, не менее, мм

13,0×13,0

13,0×13,0

13,0×13,0

Габаритные размеры тела корпуса, не более, мм

29,29×29,29×3,17

29,29×29,29×3,0

34,34×34,34×3,12

Глубина монтажного колодца, мм

0,50±0,05

0,50±0,05

0,50±0,05

Расположение выводов

Верхнее

Нижнее

Нижнее





Наименование параметра

МК 4244.256-4

МК 4251.304-2

МК 4254.352-1

Количество выводов

256

304

352

Количество контактных площадок

260

308

361

Шаг выводов, мм

0,5

0,5

0,5

Размер монтажной площадки, не менее, мм

17,0×17,0

17,0×17,0

19,0×19,0

Габаритные размеры тела корпуса, не более, мм

36,36×36,36×3,12

42,42×42,42×3,12

48,48×48,48×3,5

Глубина монтажного колодца, мм

0,50±0,05

0,50±0,05

0,50±0,05

Расположение выводов

Нижнее

Нижнее

Нижнее


На Рисунках 5 - 12 представлен внешний вид планарных металлокерамических корпусов с количеством выводов 64 (2 варианта исполнения), 72, 108 (3 варианта исполнения), 112, 240 (3 варианта исполнения) и 256, а в Таблице 3 представлены их общие технические характеристики.

4164_white.jpg

рисунок 6.jpg

Рисунок 5 - Корпус МК 4164.64-1

Рисунок 6 – Корпус МК 4165.64-1

Металлокерамические корпуса cqfp 112 4150.72-A_white.jpg

Рисунок 7 - Корпус МК 4233.112-А

Рисунок 8 – Корпус МК 4150.72-А

рисунок 10.jpg

рисунок 9.jpg

Рисунок 9 - Корпус МК 4238.108-3

Рисунок 10 – Корпус МК 4238.108-2

Металлокерамические корпуса CQFP 240

Металлокерамические корпуса cqfp256

Рисунок 11 - Корпус МК 4245.240-5

Рисунок 12 – Корпус МК 4244.256-3



Таблица 3 – Основные технические характеристики корпусов 4 типа по ГОСТ Р 54844

Наименование параметра

МК 4165.64-1

МК 4164.64-1

МК 4150.72-А

Количество выводов

64

64

72

Количество контактных площадок

99

198

72

Шаг выводов, мм

0,5

1,0

0,508

Размер монтажной площадки, не менее, мм

14,3×10,4

2МП (14,7×10,2)

16,75×16,75

Габаритные размеры тела корпуса, не более, мм

20,2×20,2×4,1

40,40×20,20×4,93

27,27×27,27×4,20

Глубина монтажного колодца, мм

0,50±0,05

0,50±0,05

0,75±0,08





Наименование параметра

МК 4238.108-2

МК 4238.108-3

МК 4233.112-А

Количество выводов

108

108

112

Количество контактных площадок

108

108

112

Шаг выводов, мм

0,625

0,625

0,635

Размер монтажной площадки, не менее, мм

12,8×12,8

8,6×8,6

12,5×8,9

Габаритные размеры тела корпуса, не более, мм

22,22×22,22×2,90

22,22×22,22×2,90

26,95×26,95×3,07

Глубина монтажного колодца, мм

0,50±0,05

0,50±0,05

0,50+0,1





Наименование параметра

МК 4245.240-5

МК 4245.240-6

МК 4244.256-3

Количество выводов

240

240

256

Количество контактных площадок

240

240

256

Шаг выводов, мм

0,5

0,5

0,5

Размер монтажной площадки, не менее, мм

10,3×10,3

12,8×12,8

13,85×12,85

Габаритные размеры тела корпуса, не более, мм

34,33×34,33×4,21

34,33×34,33×4,21

36,36×36,36×3,15

Глубина монтажного колодца, мм

0,762±0,08

0,762±0,08

0,50±0,05

Корпуса 5 типа по ГОСТ Р 54844.

Рисунок 13 - Корпус МК 5119.16-А

Рисунок 14 – Корпус МК 5121.20-А

Рисунок 15 - Корпус МК 5123.28-1

Рисунок 16 – Корпус МК 5123.28-1.01

Рисунок 17 - Корпус 5142.48-А

Рисунок 18 – Корпус 5142.48-В


Таблица 4 – Основные технические характеристики корпусов 5 типа по ГОСТ Р 54844

Наименование параметра

МК 5119.16-А

МК 5121.20-А

МК 5123.28-1

Количество выводных площадок

16

20

28

Шаг выводных площадок, мм

1,27

1,27

0,7

Размер монтажной площадки, не менее, мм

3,91×3,91

4,78×4,78

3,90×3,90

Габаритные размеры тела корпуса, не более, мм

7,82×7,82×2,42

9,09×9,09×2,68

6,65×6,65×2,11

Глубина монтажного колодца, мм

0,508±0,05

0,635±0,05

0,40±0,05





Наименование параметра

МК 5142.48-А

МК 5142.48-В

МК 5123.28-1.01

Количество выводных площадок

48

48

28

Шаг выводных площадок, мм

1,016

1,016

0,7

Размер монтажной площадки, не менее, мм

7,47×7,47

5,37×4,37

3,90×3,90

Габаритные размеры тела корпуса, не более, мм

12,85×12,85×2,124

14,45×14,45×2,39

6,65×6,65×2,22

Глубина монтажного колодца, мм

0,508±0,05

0,508±0,06

0,50±0,06

Корпуса 6 и 8 типов по ГОСТ Р 54844.

Рисунок 19 - Корпус МК 6120.407-А

Рисунок 20 – Корпус МК 8301.399-1

Рисунок 21 - Корпус МК 6120.407-А

Рисунок 22 – Корпус МК 8301.399-1

Таблица 5 – Основные технические характеристики корпусов 6 и 8 типов по ГОСТ Р 54844

Наименование параметра

МК 6120.407-А

МК 6117.602-D

МК 8305.483-1

Количество выводных площадок

407

602

483

Шаг матрицы выводных площадок, мм

1,27

1,27

1,0

Размер монтажной площадки, не менее, мм

13,85×13,85

12,30×12,30

10,8×10,8

Габаритные размеры тела корпуса, не более, мм

30,79×30,79×3,26

35,35×35,35×4,50

23,23×23,23×3,50

Глубина монтажного колодца, мм

0,60±0,06

0,75±0,08

0,75±0,08





Наименование параметра

МК 8301.399-1

МК 8302.675-1

МК 8304.624-1

Количество выводных площадок

399

675

624

Шаг матрицы выводных площадок, мм

1,0

1,0

1,0

Размер монтажной площадки, не менее, мм

11,2×11,2

15,7×13,5

18,71×18,71

Габаритные размеры тела корпуса, не более, мм

21,21×21,21×3,46

27,27×27,27×3,51

28,20×28,20×4,34

Глубина монтажного колодца, мм

0,60±0,06

0,60±0,06

0,75±0,08

Корпуса с радиационно-защитными экранами

Актуальность повышения радиационной стойкости электронной компонентной базы (ЭКБ) очевидна и она обеспечивается, в основном, технологическим (применением специальных технологических процессов и материалов при изготовлении интегральных микросхем), схемотехническим и конструкционным способами. Но зачастую для защиты наиболее уязвимых элементов целесообразнее использовать локальную защиту, которая не ведет за собой значительного увеличения массы и габаритов космических аппаратов (КА) и при этом обеспечивает необходимый уровень ослабления ионизирующего излечения космического пространства (КП).

Специалистами компании «ТЕСТПРИБОР» была проведена работа по разработке специализированных корпусов 4247.100-2 и 4248.144-2 с интегрированными в них радиационно-защитными экранами (РЗЭ), предназначенными для ослабления электронного и протонного излучения КП, внешний вид которых представлен на рисунке 23, а их основные технические характеристики – в таблице 6.

а) Специализированный 100-выводной планарный металлокерамический корпус 4247.100-2 с интегрированными радиационно-защитными экранами.

б) Специализированный 144-выводной планарный металлокерамический корпус 4248.144-2 с интегрированными радиационно-защитными экранами.

Рис. 23 Специализированные металлокерамические корпуса с радиационно-защитными экранами

Таблица 6 - Основные технические характеристики корпусов 4247.100-2 и 4248.144-2

Наименование параметра

Тип корпуса

4247.100-2

4248.144-2

Количество выводов

100

144

Количество контактных площадок

100

144

Шаг выводов, мм

0,5

0,5

Габаритные размеры тела корпуса, не более, мм

18,5х18,5х5,1

24,2х24,2х4,2

Размер монтажной площадки, не менее, мм

7,5х7,5

12,5х12,5

Глубина монтажного колодца, мм

0,50±0,08

0,60±0,05

Способ герметизации

Шовно-роликовая сварка

Пайка

Конструктивные особенности

Нижний защитный экран одновременно

является МП и выполняет роль

теплоотвода.

Нижний защитный экран (МП)

электрически соединен с выводом

№1, с металлизацией для припайки

верхнего защитного экрана.

Ободок электрически соединен

с выводом № 100.

Нижний защитный экран

одновременно является МП

и выполняет роль теплоотвода,

верхний защитный экран

выполняет роль крышки.

Нижний защитный экран (МП)

электрически соединен с выводом

№1, с металлизацией для припайки

верхнего защитного экрана.

Покрытие металлизированных поверхностей и металлических частей основания

Н23л.1,8

Н23л.1,8

Оценка эффективности ослабления локальных дозовых нагрузок

Были проведены экспериментальные исследования ослабления экранами корпусов 4247.100-2 и 4248.144-2 локальных дозовых нагрузок (ЛДН) при перпендикулярном падении пучка частиц (электронов и протонов разной энергии), которые были использованы для верификации расчетной модели и проведена оценка ослабления ЛДН корпусами численным моделированием для изотропного потока частиц в КП для 5 типовых орбит и значений внешней защиты 0,1 г/см2, 0,5 г/см2, 1,0 г/см2, результаты которых представлены в таблицах 7 и 8 для корпусов 4247.100-2 и 4248.144-2 соответственно.

Таблица 7 - Коэффициенты ослабления дозовой нагрузки МКК 4247.100-2: отношение дозы в корпусе к дозе без корпуса

Внешняя защита

Орбита

Суммарная доза

Доза от электронов

Доза от протонов

KминСА

KмаксСА

KминСА

KмаксСА

KминСА

KмаксСА

0,1 г/см2

МКС

36

436

1586

2093

7,0

3,0

полярная

71

59

4316

1362

4,8

4,1

ВЭО

484

733

2752

4172

308,2

308,2

ГЛОНАСС

1798

2273

1798

2273

ГСО

10989

10992

10989

10992

0,5 г/см2

МКС

4,8

42,3

436

523

2,0

1,7

полярная

4,5

9,5

491

553

1,9

1,9

ВЭО

30,7

41,4

493

553

14,7

14,7

ГЛОНАСС

516,4

644,2

516

644

ГСО

1038,5

1038,5

1039

1039

1,0 г/см2

МКС

2,0

7,9

377

438

1,6

1,4

полярная

1,9

2,6

343

394

1,5

1,5

ВЭО

7,6

9,3

293

346

4,9

4,9

ГЛОНАСС

357,7

411,2

358

411

ГСО

434,0

434,0

434

434

Таблица 8 - Коэффициенты ослабления дозовой нагрузки МКК 4248.144-2: отношение дозы в корпусе к дозе без корпуса

Внешняя защита

Орбита

Суммарная доза

Доза от электронов

Доза от протонов

KминСА

KмаксСА

KминСА

KмаксСА

KминСА

KмаксСА

0,1 г/см2

МКС

46

612

3586

4946

9

4

полярная

89

74

9958

3242

6

5

ВЭО

879

1345

6120

9564

552

552

ГЛОНАСС

4151

5509

4151

5509

1)

ГСО

27320

27328

27320

27328

0,5 г/см2

МКС

5

43

941

1149

2

2

полярная

4

9

1022

1175

2

2

ВЭО

30

40

996

1143

14

14

ГЛОНАСС

1085

1361

1085

1361

ГСО

2034

2034

2034

2034

1,0 г/см2

МКС

2,0

7,7

649

717

1,6

1,4

полярная

1,9

2,5

606

673

1,5

1,5

ВЭО

7,2

8,9

521

599

4,7

4,7

ГЛОНАСС

609,2

692,7

609

693

ГСО

732,4

705,4

732

705

Оценка срока активного существования (САС) кристаллов ИМС в корпусах

Применение специализированных корпусов с РЗЭ позволяет обеспечить повышение САС кристаллов ИМС от 4 до115 лет в зависимости от условий эксплуатации. Именно такие результаты (Таблица 9) были получены при расчете САС для кристаллов с типовым для коммерческих ИМС значением уровня стойкости 10 крад, установленных в специализированный МК 4248.144-2 и серийный корпус без РЗЭ. Расчет проводился в следующей последовательности:

- проведение расчета внешних радиационных условий;

- расчет суммарной мощности ионизирующего излучения внутри корпуса 4248.144-2;

- расчет суммарной мощности ионизирующего излучения внутри серийного корпуса без РЗЭ;

- расчет САС как отношения уровня стойкости кристалла ИМС к мощности излучения внутри корпуса 4248.144-2 и серийного корпуса без РЗЭ.

Таблица 9 - САС кристаллов с уровнем стойкости 10 крад, установленных в МКК 4248.144-2 и серийный корпус без РЗЭ

Орбита

Доза внутри специализированного МКК 4248.144-2 за 1 год, рад

САС, лет

Доза внутри серийного аналога (крышка из ковара) за 1 год, рад

САС, лет

Круговая полярная 800 км

3,6×102

28

5,1×102

20

Геостационарная

1,2×101

83

1,1×103

9

Орбита ГЛОНАСС

8,6×101

116

7,7×103

1

Высокоэллиптическая орбита

1,6×103

6

5,3×103

2

Орбита МКС

4,2×101

238

6,2×101

161

Таким образом, применение специализированных металлокерамических корпусов с интегрированными радиационно-защитными экранами позволит производителям ИМС использовать ранее разработанную номенклатуру кристаллов с низкой стойкостью к эффектам накопленной дозы в разработке широкой номенклатуры ИМС для космического применения, а так же в перспективных разработках и позволит снизить затраты на комплектацию при производстве космической аппаратуры, обеспечить снижение массы и габаритов КА по сравнению с использованием стандартных методов конструктивной защиты.