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.
|
|
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.
![]() а) | ![]() б) | |
Рис.3 Корпус МК 4239.68-1 с верхним расположением выводов: вид сверху (а) и вид снизу (б) | ||
а) |
![]() 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.
|
|
Рисунок 5 - Корпус МК 4164.64-1 |
Рисунок 6 – Корпус МК 4165.64-1 |
![]() | ![]() |
Рисунок 7 - Корпус МК 4233.112-А |
Рисунок 8 – Корпус МК 4150.72-А |
|
|
Рисунок 9 - Корпус МК 4238.108-3 |
Рисунок 10 – Корпус МК 4238.108-2 |
|
|
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.