Chipgehäuse

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.

ICs in DIP-Gehäusen

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

Standards

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

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 es durch unterschiedliche Materialien (Kunststoff, Keramik, Metall) gegenüber Umwelteinflüssen geschützt. Keramiken und Metalle können den Chip hermetisch versiegeln, durch Kunststoffe können Wassermoleküle diffundieren. Aus Kostengründen wird heute fast ausschließlich Kunststoff mittels Spritzguss benutzt (fachspr. molding, engl.). Dabei können je nach Typ des Halbleiters auch Öffnungen für Licht (im Falle 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.

Pins

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 (¹⁄₁₀₀₀ 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 kontaktiert. Alternativ können auch SMD-Bauelemente durch Wellenlöten aufgebracht 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 Lotbrücken bilden.

Manche Formen der Pins eignen sich auch dazu, das IC in eine Fassung zu stecken, so dass es nicht mehr eingelötet werden muss. (Die Fassung muss aber immer noch 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.

Typen

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	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	DFN	UDFN	Ultra-Dual Flat No Lead	Pins an beiden Längsseiten, z. B. 6-UDFN mit 6 Pins
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	SOIC – Small-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	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

• verschiedene Chipgehäuse

• Leiterrahmen (engl. lead frame) verschiedener Gehäuse

Weblinks

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

• Gehäuseformen auf Mikrocontroller-Wiki
• Gehäuse von TI: Nach verschiedenen Selektionskriterien (u. a. auch JEDEC)
• (Memento vom 28. Oktober 2012 im Internet Archive)

Einzelnachweise

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