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Dossier : Les boîtiers de circuit intégré
(Article écrit par divers auteurs et extrait de Wikipédia - avril 2019)


Toute l'informatique est basée sur les circuits intégrés également appelés puces électroniques. Ceux-ci sont tous logés dans divers boîtiers plus ou moins grands et aux caractéristiques diverses. Nous allons les passer en revue dans cet article.

Un boîtier de circuit intégré est un boîtier servant à la fois de jonction électrique et d'interface mécanique entre la puce du circuit intégré et le circuit imprimé. Il est généralement composé de plastique, parfois de céramique, rarement de métal. Certains boîtiers possèdent des fenêtres transparentes permettant par exemple l'effacement par ultraviolet de certaines mémoires (EPROM).

Boîtier CDIP
Boîtier de circuit intégré de type CDIP à 24 broches

En outre, sur le boîtier peuvent être peints le logo du fabricant, une référence qui permet d'identifier le composant, un code correspondant à des variantes ou révisions, la date de fabrication (quatre chiffres codés AASS : année et semaine).

Fonctions

Le boîtier a différentes fonctions :
  • Assurer la jonction électrique avec l'extérieur. Plusieurs solutions sont possibles :
    • Utilisation de broches qui vont être brasées au circuit imprimé, par exemple les boîtiers DIP ou QFP.
    • Des plages dorées vont être brasées par apport de pâte à braser lors du processus de brasage, par exemple les boîtiers QFN.
    • Utilisation de billes de brasage pour faire la jonction entre le boîtier et le circuit imprimé, ce sont les boîtiers BGA.
  • Assurer la dissipation thermique.
  • Protéger la puce de l'environnement hostile (chocs, poussière, rayonnements).
  • Adapter le composant aux contraintes de fabrication : on passe généralement d'un pas entre broches de l'ordre de la centaine de µm au mm. Les contraintes de brasage sont également optimisées (température de brasure plus élevée, procédés standards de brasage par refusion/brasage à la vague).
La jonction entre la puce et le boîtier peut se faire de deux manières :
  • Soit par câblage par fil, ou pontage, c'est-à-dire l'utilisation de petits fils d'or ou d'aluminium de 15 à 50 µm pour réaliser la jonction entre les plages d'accueil du die aux broches. La soudure est généralement réalisée par ultrasons et l'ensemble est noyé dans une résine d'encapsulation. Le die est le morceau rectangulaire résultant de la découpe d'un wafer sur lequel un circuit intégré a été fabriqué.

    Pontage
    Pontage d'un circuit

    Pontage
    Exemple de pontage sur un circuit Intel 8742

  • Soit par assemblage par puce retournée (alias "flip-chip") : les plages d'accueil de la puce sont recouvertes de billes d'or (quelques µm de diamètre), le tout est retourné et brasé sur le circuit imprimé.

    Puce retournée
    Puce retournée

Classification

Il existe plusieurs organismes de normalisation de renom international pour catégoriser les boîtiers de puces électroniques : JEDEC (Joint Electron Device Engineering Council), EIAJ (Electronic Industries Association of Japan), Mil standards (Standards militaires US), SEMI (Semiconductor Equipment and Materials Institute) et ANSI/IPC (Interconnecting and Packaging Electronic Circuits Standards).

Le JEDEC spécifie par exemple ces familles standards : BGA, CGA, DIM, DIP, DSO, DSB, LGA, PGA, QFF, QFJ, QFN, QFP, SIM, SIP, SOF, SOJ, SON, SVP, UCI, WLB et ZIP2.

Liste de boîtiers

Voici une liste des principaux boîtiers de circuit intégré avec leur acronyme, nom complet et type (entre parenthèses).

Acronyme Nom complet Type
BCC Bump Chip Carrier Support sur puce
BGA Ball-Grid Array Matrice à billes
BL Beam Lead technology Boîtier à l'échelle du circuit
BQFP Bumpered Quad Flat Package Boîtier plat
BQFPH Bumpered Quad Flat Package with Heat spreader Boîtier plat
CBGA Ceramic Ball-Grid Array Matrice à billes
CCGA Ceramic Column-Grid Array Montage en surface
CDIP Ceramic Dual In-line Package Broches traversantes
CERDIP Glass-sealed Ceramic Dual In-line Package Broches traversantes
CERPACK CERamic PACKage Montage en surface
CFP Ceramic Flat Package Boîtier plat
CGA Column-Grid Array Montage en surface
CLCC Ceramic Lead-less Chip Carrier Support sur puce
CLCC Ceramic Leaded Chip Carrier Support sur puce
COB Chip-On-Board Boîtier à l'échelle du circuit
COF Chip-On-Flex Boîtier à l'échelle du circuit
COG Chip-On-Glass Boîtier à l'échelle du circuit
CPGA Ceramic Pin-Grid Array Grille de broches
CQGP Ceramic Quad Gold Plating Montage en surface
CQFP Ceramic Quad Flat Package Boîtier plat
CSOP Ceramic Small-Outline Package Boîtier à petit contour
CSP Chip-Scale Package Boîtier à l'échelle du circuit
DIP Dual In-line Package Broches traversantes
DLCC Dual Lead-less Chip Carrier Support sur puce
DNP Dual Flat Package Boîtier plat
DSBGA Die Size Ball-Grid Array Matrice à billes
EQFP Enhanced Quad Flat Package Boîtier plat
ETQFP Exposed Thin Quad Flat Package Boîtier plat
FBGA Fine-pitch Ball-Grid Array Matrice à billes
FCPGA Flip-Chip Pin-Grid Array Grille de broches
FQFP Fine-pitch Quad Flat Package Boîtier plat
HQFP Heat sinked Quad Flat Package Boîtier plat
HSOP Thermally-enhanced Small-Outline Package Boîtier à petit contour
HVQFN Heat-sink Very Quad Flat package No-leads Boîtier plat
LBGA Low-profile Ball-Grid Array Matrice à billes
LCC Lead-less Chip Carrier Support sur puce
LCC Leaded Chip Carrier Support sur puce
LFBGA Low-profile Fine-pitch Ball-Grid Array Matrice à billes
LGA Land Grad Array Montage en surface
LLP Lead-less Lead-frame Package Montage en surface
LTCC Low-Temperature Co-fired Ceramic Montage en surface
MAP-BGA Mold Array Process - Ball-Grid Array Matrice à billes
MCM Multi-Chip Module Montage en surface
MDIP Molded Dual In-line Package Broches traversantes
mini-SOIC Mini Small-Outline Integrated circuit Boîtier à petit contour
MQFP Metric Quad Flat Package Boîtier plat
MSOP Mini Small-Outline Package Boîtier à petit contour
OBGA Organic Ball-Grid Array Matrice à billes
ODFN Optical Dual Flat No-leads Boîtier plat
OPGA Organic Pin-Grid Array Grille de broches
PAC Pin Array Cartridge Grille de broches
PBGA Plastic Ball-Grid Array Matrice à billes
PDIP Plastic Dual In-line Package Broches traversantes
PGA Pin-Grid Array Grille de broches
PLCC Plastic Leaded Chip Carrier Support sur puce
PQFN Power Quad Flat Package Boîtier plat
PQFP Plastic Quad Flat Package Boîtier plat
PSON Plastic Small-Outline No-lead Package Boîtier à petit contour
PSOP Plastic Small-Outline Package Boîtier à petit contour
QDIP Quadruple In-line Package Broches traversantes
QFP Quad Flat Package Boîtier plat
QNF Quad flat No-leads Package Boîtier plat
QSON Quarter-size Small-Outline Package Boîtier à petit contour
SBGA Super Ball-Grid Array Matrice à billes
SDIP Skinny Dual In-line Package Broches traversantes
SDIP Shrink Dual In-line Package Broches traversantes
SIP Single In-line Package Broches traversantes
SOIC Small-Outline Integrated Circuit Boîtier à petit contour
SOJ Small-Outline J-leaded package Boîtier à petit contour
SOP Small-Outline Package Boîtier à petit contour
SQFP Small Quad Flat Package Boîtier plat
SSOP Shrink Small-Outline Package Boîtier à petit contour
TBGA Thin Ball-Grid Array Matrice à billes
TCSP True Chip-Scale Package Boîtier à l'échelle du circuit
TDSP True Die-Size Package Boîtier à l'échelle du circuit
TEPBGA Thermally-Enhanced Plastic Ball-Grid Array Matrice à billes
TFBGA Thin Fine-pitch Ball-Grid Array Matrice à billes
TSOP Thin Small-Outline Package Boîtier à petit contour
TSSOP Thin Shrink Small-Outline Package Boîtier à petit contour
TVSOP Thin Very Small-Outline Package Boîtier à petit contour
µBGA Micro Ball-Grid Array Matrice à billes
µCSP Micro Chip-Scale Package Matrice à billes
UFBGA Ultra-Fine Ball-Grid Array Matrice à billes
UQFN Ultra thin Quad Flat package No-leads Boîtier plat
VQFP Very small Quad Flat Package Boîtier plat
VTQFP Very Thin Quad Flat Package Boîtier plat
WCSP Wafer-level Chip-Scale Package Boîtier à l'échelle du circuit
WQFP Very very thin Quad Flat Package Boîtier plat
WSON Very-very-thin Small-Outline No-lead package Boîtier à petit contour
ZIP Zig-zag In-line Package Broches traversantes

Les boîtiers spécifiques sont définis suivant plusieurs paramètres. Par exemple, pour un boîtier TS - P DSO 2 - 44(50) / 5.3x10.2-1.27 :
  • TS : cela définit les fonctions spécifiques sur 0 à 6 lettres.
  • P : pour le matériau.
  • DSO : la Famille définie sur trois lettres obligatoires.
  • 2 : c'est une différenciation supplémentaire pour les boîtiers SOJ/SON/DSO.
  • 44(50) : le nombre de broches.
  • 5.3x10.2-1.27 : des informations supplémentaires.
Certaines fonctionnalités non communes sont définies par la classification JEDEC sous la forme d'un préfixe de 0 à 6 lettres suivi d'un tiret. On trouve notamment :
  • C (fenêtres optiques)
  • A (dies empilés dans un même boîtier)
  • H (dissipateurs de chaleur)
Style de contour

Le style de contour est le code basique définissant la famille de boîtier, il est codifié avec deux lettres :
  • CP (Clamped Package - boîtier assemblé à la presse sans soudure)
  • CY (Cylinder ou Can - cylindrique)
  • DB (Disk Button - bouton)
  • DS (Die-size Array - à la taille du die)
  • FM (Flange Mount - montage sur collerette)
  • GA (Grid Array - grille)
  • IM (In-line Module - module en ligne)
  • IP (In-line Package - boîtier en ligne)
  • LF (Long Form - forme allongée)
  • MA (Microelectronic Assembly - assemblage microélectronique)
  • PF (Press Fit - boîtier assemblé à la presse sans soudure)
  • PM (Post ou Stud Mount - montage à clous)
  • QF (Quad Flatpack - broches sur les quatre côtés du boîtier)
  • SO (Small Outline - broches sur deux côtés opposés du boîtier)
  • SS (Special Shape - boîtier spécifique)
  • UC (Uncased Chip - boîtier non classifié)
  • VP (Vertical Surface-Mount Package - boîtier monté verticalement en surface)
  • WP (Wafer-level Array)
Matériaux

Les matériaux utilisés pour les boîtiers de circuit imprimé sont divers. Pour les identifier, le JEDEC utilise un préfixe d'une lettre :
  • C (céramique scellé par du métal)
  • G (céramique, scellé par du verre)
  • M (métal)
  • P (plastique moulé)
  • S (silicone)
  • T (polymère, généralement ruban polyimide)
Dimensions

Un code d'une lettre, accompagnée parfois d'un chiffre, est également attribué pour les boîtiers en fonction de leur hauteur de base ("seated height") :
  • B (thick >2,45 mm)
  • B1 (very thick, entre 2,45 mm et 3,50 mm)
  • B2 (extra thick >3,50 mm)
  • L (low, entre 1,20 et 1,70 mm)
  • T (thin, entre 1,00 et 1,20 mm)
  • V (very thin, entre 0,80 et 1,00 mm)
  • W (very very thin, entre 0,65 et 0,80 mm)
  • U (ultra thin, entre 0,50 et 0,65 mm)
  • X (extremely thin, >0,50 mm)
  • X1 (extra-thin, entre 0,40 et 0,50 mm)
  • X2 (super-thin, entre 0,30 et 0,40 mm)
  • X3 (paper-thin, entre 0,25 et 0,30 mm)
  • X4 (die-thin, moins de 0,25 mm)
  • <rien> (boîtier de taille standard, entre 1,70 et 2,45 mm)
Pour le pas entre les broches ("terminal pitch"), six autres codes sont proposés :
  • E (enlarged, >1,27 mm pour les DSO et SOJ, ou >0,100 mm pour les DIP)
  • S (shrink, <1,78 mm pour les DIP)
  • F (fine, <0,50 mm pour les QFP et DSO)
  • I (interstice)
  • R (corps rectangulaire)
  • <rien> (taille standard, par exemple de 0,070 mm pour les boîtiers DIP)
Pour les boîtiers à matrice à billes, le diamètre des billes est également codifié :
  • b1 (0,75 mm)
  • b2 (0,60 mm)
  • b3 (0,50 mm)
  • b4 (0,45 mm)
  • b5 (0,40 mm)
  • b6 (0,35 mm)
  • b7 (0,30 mm)
  • b8 (0,25 mm)
  • b9 (0,17 mm)
Dimensions
Définition des dimensions
C : espace entre la puce et le circuit imprimé.
H : hauteur totale.
T : épaisseur de la broche.
L : longueur totale.
O : espace entre l'extrémité de la puce et la première broche.
LW : largeur de la broche.
LL : longueur de la broche (entre le boîtier et l'extrémité de la broche).
P : pas (distance entre deux conducteurs).
WB : largeur de la puce.
WL : largeur de broche à broche.

Informations supplémentaires

Un champ d'informations supplémentaires peut apparaître dans le nom de code d'un boîtier. On le place après une barre oblique (/). Les informations supplémentaires peuvent être les dimensions du boîtier, un code d'une société ou autre. Exemple : PQFP-68/bumpered, english pitch.

Forme des broches

La forme des broches est codifiée par la norme JEDEC sous forme d'une lettre généralement en suffixe :
  • B (Ball - billes)
  • C (C bend - broches recourbées en forme de "C")
  • D (Solder lug - oreilles pour la soudure de fils)
  • F (Flat - à plat)
  • G (Gull wing - en aile de mouette)
  • H (High-current cable)
  • I (Insulated - isolés)
  • J (J bend - broches recourbées en forme de "J")
  • L (L bend - broches recourbées en forme de "L")
  • N (No lead - sans broche)
  • P (Pin - broches traversantes)
  • Q (Quick connect - à insertion rapide)
  • R (Wraparound - à wrapper)
  • S (S bend - broches recourbées en forme de "S")
  • T (Through-hole - broches traversantes)
  • U (J inverted - broches recourbées en forme de "J" inversé)
  • W (Wire - sortie filaire)
  • Y (Screw - à visser)
Broches P Billes B
Broches traversantes (P) et billes (B)

Broches recourbées C Sans broches N
Broches recourbées (C) et sans broches (N)

Aile en mouette G J-Bend J
Aile en mouette (G) et J-Bend (J)

Broches Traversantes T A oreilles D
Broches traversantes (T) et à oreilles (D)

A insertion rapide Q A visser Y
A insertion rapide (Q) et à visser (Y)

Emballer W
Fil enroulé (W)

forme terminale
Illustration des formes des broches

Position des broches

La norme JEDEC définit un préfixe représentant la position des broches par rapport au circuit intégré :
  • A (Axial - axial cylindrique)
  • B (Bottom - bouton rectangulaire ou carré)
  • C (Column - colonne rectangulaire ou carrée)
  • D (Dual - rectangulaire ou carré sur deux côtés opposés)
  • E (End - extrémités d'un boîtier cylindrique)
  • P (Perpendicular - perpendiculaire rectangulaire ou carré)
  • Q (Quad - rectangulaire ou carré sur les quatre côtés du boîtier)
  • R (Radial - radial cylindrique)
  • S (Single - rectangulaire ou carré sur un seul côté)
  • Z (Zig-zag - rectangulaire ou carré en quinconce sur un côté)
Dual D Quad Q
Position Dual D et Quad Q

Single S Zig Zag Z
Position Single S et Zig Zag Z

Brochages

En électronique tout comme en électrotechnique, le brochage d'une puce décrit le rôle de chacune des broches d'un connecteur ou d'une puce du plus simple au plus complexe des circuits intégrés. Le terme de brochage est synonyme de diagramme de connexion.

Le brochage est plus ou moins complexe. Le brochage le plus simple est celui d'une diode (deux broches : anode et cathode) ensuite viennent les transistors (trois broches). Les brochages les plus complexes sont ceux des microprocesseurs. Les différents types de boîtiers de circuits intégrés induisent des brochages très différents.

Diode
Brochage simple d'une diode

Transistors
Brochage de quelques transistors

Broches d'alimentation d'un circuit intégré

La plupart des circuits intégrés possèdent au moins deux broches reliées au "bus d'alimentation" du circuit sur lequel ils sont installés.

La broche d'alimentation positive repérée VCC+ est parfois aussi appelée VDD, VCC ou VS+. La broche d'alimentation négative repérée VCC- est parfois aussi appelée VSS, VEE ou VS-.

Le caractère doublé qui se trouve en indice de la lettre "V" fait référence au nom de la broche du transistor à laquelle cette alimentation sera généralement reliée. Ainsi, les appellations VCC et VEE sont généralement réservées aux AOP bipolaire tandis que les appellations VDD et VSS sont généralement réservées aux AOP à effet de champ.

Transistor bipolaire
Transistor bipolaire monté en surface

Transistor à effet de champ
Transistor à effet de champ

Le "C" de VCC signifie que l'alimentation est reliée au collecteur d'un transistor bipolaire tandis que le "E" de VEE signifie que l'alimentation est reliée à l'émetteur d'un transistor bipolaire. Le "D" de VDD fait référence au drain d'un transistor à effet de champ tandis que le "S" de VSS fait référence à la source de ce même transistor.

Caractérisation

Caractérisation électrique

La technique du pontage entraîne l'apparition de circuits RLC (circuit linéaire contenant une résistance électrique, une bobine (inductance) et un condensateur (capacité)) dont les caractéristiques ne sont pas négligeables pour des puces travaillant en haute fréquence. Les modèles de simulation IBIS (utilisé pour les simulations en électronique numérique) ou SPICE (simulation généraliste de circuits électroniques analogiques) prennent en compte ce paramètre.

Voici un ordre d'idées des caractéristiques d'un pontage standard, utilisant des fils d'or de 25,4 µm de diamètre :

Caractéristique Valeur pour L=2 mm Valeur pour L=5 mm
Résistance 0,103 Ω 0,257 Ω
Inductance 1,996 nH 5,869 nH
Capacité 0,122 pF 0,242 pF
Inductance mutuelle 0,979 nH 3,318 nH
Capacité mutuelle 26,1 fF 48,8 fF

Caractérisation thermique

Cette caractérisation est très importante en électrotechnique, mais aussi en électronique numérique. Le facteur de dissipation du boîtier peut déterminer certaines caractéristiques qui sont liées à la température comme la vitesse d'exécution d'un processeur, ou le courant de commutation d'un transistor.

Caractérisation électromagnétique

Les boîtiers peuvent être conçus pour limiter le rayonnement électronique de la puce qu'ils enveloppent (agresseur), ou au contraire limiter l'effet de l'environnement extérieur sur leur fonctionnement (victime). Certains secteurs d'activité tels que l'aéronautique, le spatial ou le secteur automobile font des études très poussées sur la caractérisation électromagnétique des boîtiers électroniques.


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