Boîtier de circuit intégré

Un boîtier de circuit intégré (ou package) est un boîtier servant d'interface mécanique entre le composant lui-même et le circuit imprimé ou (PCB). Sa composition est le plus souvent plastique, quelquefois céramique, rarement métallique. Certains boîtiers possèdent des fenêtres transparentes donnant la possibilité par exemple l'effacement par ultraviolet de certaines mémoires (EPROM).

Fonctions

Le boîtier a différentes fonctions :

• Assurer la jonction électrique avec l'extérieur. Plusieurs solutions sont envisageables :
  • Utilisation de pins qui vont être brasés 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 PCB, ce sont les boîtiers BGA.

La jonction entre le composant et le boîtier peut se faire de deux manières :

1. Soit par bonding, 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 pins. La totalité est noyé dans une résine d'encapsulation.
2. Soit par assemblage flip-chip : Les plages d'accueil du composant sont recouvertes de billes d'or (quelques µm de diamètre), le tout est retourné et brasé sur le PCB

• Assurer la dissipation thermique

• Protéger la puce de l'environnement hostile (chocs, poussière, rayonnements)
• Adapter le composant aux contraintes de fabrication : on passe le plus souvent d'un pas entre pins de l'ordre de la centaine de µm^[1] au mm. Les contraintes de brasage sont aussi optimisées (température de brasure plus élevée, procédés standard de brasage par refusion/brasage à la vague).

Classification

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

Le JEDEC spécifie des familles standard : BGA, CGA, DIM, DIP, DSO, DSB, LGA, PGA, QFF, QFJ, QFN, QFP, SIM, SIP, SOF, SOJ, SON, SVP, UCI, WLB, ZIP^[2].

Les boîtiers spécifiques sont définis suivant plusieurs paramètres.

TS – P DSO 2 – 44(50) / 5.3x10.2-1.27
--   - --- -   ------   -------------
|    |  |  |     |       |
|    |  |  |     |       Informations supplémentaires
|    |  |  |     Nombre de broches
|    |  |  Différenciation supplémentaire pour les boîtiers SOJ/SON/DSO
|    |  Famille (3 lettres obligatoires)
|    Matériau
Fonctions spécifiques (0-6 lettres)

Style de contour

Il s'agit du code basique définissant la famille de boîtier : cylindrique (CY), bouton (DB), grid array (GA), IM In-Line Module (IM), IP In-Line Package (IP), Press-Pack / Press-Fit (CP/PF, boîtier assemblé à la presse sans soudure), quad flatpack (QF, broches sur les 4 côtés du boîtier), small outline (SO, broches sur 2 côtés opposés du boîtier), CMS vertical (VP), boîtier sur Die/Wafer (DS/WL), montage sur collerette (FM), forme allongée (LF), assemblage microélectronique (MA), montage à clous (PM), boitier spécifique (SS), boîtier non classifié (UC).

Matériau

Dans la classification JEDEC^[2], on peut trouver des boîtiers céramique (C quand scellés par du métal, G quand scellés par du verre), des boîtiers métal (M), en plastique moulé (P), en silicone (S), ou en ruban polyimide (T). Cette lettre est le plus souvent en préfixe.

Fonctions spécifiques

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^[2], on trouve surtout les fenêtres optiques (C), les die empilés dans un même boîtier (A, stacked package assembly), les dissipateurs de chaleur (H), mais aussi des codes pour la hauteur du boîtier ou le pas entre broches quand ils ne sont pas conformes au standard.

Broches

La forme des broches est codifiée par la norme JEDEC sous forme d'une lettre le plus souvent en suffixe : On trouve les billes (B), les pattes recourbées (C, par exemple le boitier PLCC, Gull-wing G, tels que sur les boîtiers SOIC), J-Bend, L-Bend, S-Bend, J-inversé), les oreilles pour la soudure de fils (D, H), à plat (F), isolés (I), sans pattes (N, avec des plages de soudure tels les QFN), pattes traversantes (P, T), à insertion rapide (Q, par exemple pour des relais électromécaniques), à wrapper (W), sortie filaire (W), ou à visser (Y).

pins P	billes B	pattes recourbées C	sans pattes N	Gull-wing G	J-Bend J
pins'through hole'T	wrapping W	à oreilles D	à insertion rapide Q	à visser Y

Position des broches

La norme JEDEC définit un préfixe représentant la position des broches comparé à un circuit :

• rectangulaire ou carré : single (S, un seul côté), dual (D, sur 2 côtés opposés), quad (Q, sur les 4 côtés du boîtier), zig-zag (Z, en quinconce sur un côté), bottom (B), colonne (C), perpendiculaire (P)
• cylindrique : axiale (A), radiale (R), endcaps (E, extrémités de boîtiers cylindriques)

single S	dual D	quad Q	zig-zag Z	Axial A radial R

Brochage

En électronique tout comme en électrotechnique, le brochage d'un composant décrit le rôle de chacune des broches d'un connecteur ou d'un composant 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 particulièrement différents.

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 V_{CC +} est quelquefois aussi nommée V_DD, V_CC, ou V_S+. La broche d'alimentation négative repérée V_{CC −} est quelquefois aussi nommée V_SS, V_EE, ou V_S−.

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 le plus souvent reliée^[3]. Ainsi, les appellations V_CC et V_EE sont le plus souvent réservées aux AOP bipolaire alors que les appellations V_DD et V_SS sont le plus souvent réservées aux AOP à effet de champ.

Le C de V_CC veut dire que l'alimentation est reliée au collecteur d'un transistor bipolaire alors que le E de V_EE veut dire que l'alimentation est reliée à l'émetteur d'un transistor bipolaire. Le D de V_DD fait référence au drain d'un transistor à effet de champ alors que le S de V_SS fait référence à la source de ce même transistor.

Caractérisation

Caractérisation électrique

La technique du pontage entraîne la naissance de circuits RLC dont les caractéristiques ne sont pas négligeables pour des composants œuvrant en haute fréquence. Les modèles de simulation IBIS ou SPICE prennent en compte ce paramètre.

Voici un ordre d'idées des caractéristiques d'un pontage standard^[4], 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 particulièrement importante en électrotechnique, mais également 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 du composant 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 particulièrement poussées sur la caractérisation électromagnétique des boîtiers électroniques^[5].

Notes

• (en) Cet article est partiellement ou en totalité issu d'une traduction de l'article de Wikipédia en anglais intitulé «IC power supply pin» (voir la page de discussion) .

Voir aussi

• Composant électronique
• Composant monté en surface
• Le classement des 20 premiers fabricants de semiconducteurs au fil des ans

Liens externes

• Technologies de bonding (pontage)
• Caractérisation électrique des boîtiers par Samsung (pdf)
• Caractérisation thermique des boîtiers par Samsung (pdf)
• Étude de l'encapsulation chez Intel
• Méthode de modélisation des boîtiers chez AMD (Samsung)

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