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IC之美:我所收藏的奇特芯片封装

时间:2018-03-23 作者:David Ashton 阅读:
作为电子产品的资深“拥趸”,作者收藏了不少外观奇特、美丽而不同寻常的旧集成电路。在3英寸的陶瓷基座上贴装了3个巨型SMD IC的DRAM加速器模块;FPGA的前身ULA(非约束逻辑阵列);窗口呈现五彩图案的美丽EPROM;引脚朝天、身形奇异的电压调节器IC。。。

很多读者会认为我是一个对电子产品有特别癖好的收藏者,也是一个专门从旧电路板上收集元器件的清道夫。有时候我会从旧的电路板上收集集成电路(IC),虽然不会用它们,但因为其外观奇特,会把它们保留下来,偶尔还会进一步拆开它们(如果能拆的话)。本文是我搜集这些美丽而不寻常的IC器件的一段简短经历,这或许可以唤起那些曾经接触过甚至设计过这类IC的读者的美好回忆,并且打动那些没有见过这些老式通孔器件的年轻读者。

我们先来看一下这个怪物吧。这个电路的侧面有一个接近3英寸的方形陶瓷基座,上面贴装了3个独立的大尺寸SMD IC,以及几个SMD电容和一个电阻。从技术的角度来看,这是一个混合电路,而不是严格意义上的IC。其中一个IC上有一个圆形散热片,就像一个直升机停机坪。这是一个旧服务器的线路板,上面贴了一个纸标签,印有CYM7232S40HGC,我在网上搜索,知道了它是一个DRAM加速器模块,具有64位数据总线和32位纠错功能。它还有一个兄弟模块,代号为CYM7264,用于64位纠错。我数了数,它有371个引脚,带有一个巨大的接口插座。数据表的日期为1995年,标签上的代码 3993可能表示日期1993年第39周。

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更多陶瓷IC

当然,以前很多通孔型大规模集成电路(LSI)IC是贴装在陶瓷载体上,这样的IC现在你再也看不到了。以前许多微处理器都用了陶瓷,一看到这个我就会心动。我认为陶瓷封装的温度性能更稳定,适用于要求更大温度范围的器件。这里有一个旧的ULA(非约束逻辑阵列),它是FPGA的前身。我收集到一些这样的IC,适当加热,我设法打开了其中一个的金属盖,露出其内部的芯片和连线。

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标准的40引脚类型,内部芯片布局很好,IC顶部有可爱的绑定条。虽然我的USB显微镜只有130万像素,也可以清晰显示芯片结构:

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那不是IC,这才是IC!

另一个庞然大物是来自日立的HD68450,它是用于摩托罗拉68000系列微型计算机的DMA IC。 64针 —— 每侧32个,长约3.2英寸。又是一个可爱的陶瓷IC。 为了比较,我在照片中加入了几个标准的74系列IC,一个20引脚和几个16引脚。

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这是一个在旧的语音留言系统中使用的处理器线路板,它也有一个68010处理器,采用塑料DIP 64脚封装。像68450一样,其宽度约为0.9英寸,是标准40脚芯片的一半:

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我们将它与标尺上方的28脚EPROM做个比较。这些64脚芯片可能是在处理器采用PGA封装之前尺寸最大的IC,老式PC的芯片采用的就是这种PGA封装,从286到486和Pentium,现今很多大尺寸(甚至一些小尺寸)IC仍在使用球栅阵列(BGA)封装。为68000系列生产的所有外围IC都很大,就以这个48脚的68901为例,其宽度为标准的0.6英寸,但长度比标准40引脚封装IC长得多。它是一个多功能外设器件,带有I/O、中断控制、定时器和USART。所有这些IC的引脚间距都是标准的0.1英寸。后来的集成电路引脚间距缩小很多,可以在相同封装尺寸下挤进去更多引脚,但在过去的那个时代,0.1英寸引脚间距可是一个神圣的标准。

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这个语音留言系统还有两个希捷2.5 GB的50引脚SCSI硬盘驱动器(“什么是SCSI?Gigabyte又是什么,老爹?”我经常听到年轻的读者这样哀怨地问...)。跑题了,我们还是回到IC这个主题吧。

Windows ...不是操作系统... ..

现今所有微控制器都在使用闪存。在闪存出现之前,我们使用EPROM做内存(年轻人又该问了,“什么是EPROM,老爹??”)。EPROM的一个好处是,因为必须暴露在紫外线下才能抹去保存的数据,所以它有一个窗口,通过这个窗口可以看到实际的芯片。不仅紫外线可以透过,可见光也可以照进去,这样就可以把它们照下来了。如果光线合适,就会看到五颜六色,漂亮极了,我认为这是由于芯片上单个存储单元的重复特性产成的干扰图案。随着芯片容量的增加,芯片的尺寸似乎变得越来越小,但当容量达到2兆位和4兆位时,芯片的尺寸又变大了。下图中容量最大的是中间的27C512。(没人发现那些数字单位是千位(kbit)而不是千字节(kbyte)吗?其实27256只能存储256/8 = 32KB?)不管怎么样,我们先看看下面的EPROM芯片长什么样:

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EPROM芯片。请注意光线照射到芯片上反射的颜色。容量从左至右分别为:2716(2K字节)、27256(32K)、27C512(64K)、27C4001(512K),以及MC68HC705——一个带有CPU、EPROM、RAM、I/O和定时器的早期6800微控制器。某些型号的微控制器是“OTP”(一次性编程)类型的,即相同的EPROM,但是窗口被密封了。这可不怎么好,因为必须确保编程正确无误 ,程序一旦编好就无法更改。 大多数EPROM都封装在陶瓷载体中,因为这样易于与玻璃窗连接,而且不易受温度影响。

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阳光照在EPROM芯片上——27C4001显示出不太真实的色彩。容量更大的EPROM不多,如今闪存技术占主导地位了,我们又退回到陈旧乏味的塑料IC封装。下图是这个芯片的近距离写真:

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引脚更多

为了在更小的区域布置更多引脚,IC制造商使用了四列直插式封装,引脚在芯片两侧各占两排。这样引线可以更为紧密地排放在一起,而不必在pcb上放置小焊盘。下图是一个大尺寸IC的引脚布局:

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这种技巧甚至可以用于小尺寸IC。摩托罗拉的MFC6040是一款只有6个引脚的电子衰减器IC。 我以前做一个设计项目时买了一些,现在还剩几个。这是互联网时代之前的事啦,几年前我试图搜寻其数据表,结果到处都找不到,幸亏有人发布出来了,真是心有灵犀啊(谢谢Jim)。该芯片的引脚间距为0.75英寸,宽度从0.3至0.6英寸。 它可提供0~90分贝的衰减,但是THD在高衰减时达到3%。 我想近期内我不大可能用它。

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圆形封装

当然,在DIL IC出现之前,运算放大器一般采用圆形的TO-99封装,甚至一些旧的数字IC也采用这种封装。早期的709和741运放通常都采用这种封装形式。如果有8或10个引脚,就称为TO-99(我曾经见过用于10引脚类型的TO-74)。若只是3引脚晶体管,则称之为TO-5或TO-39。在这些老式圆形封装中,你可以发现奇奇怪怪的东西,我曾经就发现了一些555计时器。以下是这些早期IC的通用封装形式。

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上排从左至右依次为:MC1455(摩托罗拉555)、TAA 300 1W音频放大器、AD517精密运放、CA3053差分放大器,以及National LM565 PLL。下排:MC1550宽带放大器、SL630C VOGAD(AGC)、CA3085电压调节器、LM709和741运放。
老的723电压调节器IC也是采用这种封装。这里有两个,其中一个头脚颠倒,可能是在设计pcb时弄错了方向,10脚朝天可不怎么美观。

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丑小鸭

当然,并非所有的IC都很优雅,即使它们是正确放置的。以前英格兰的Plessey和其他制造商生产的音频放大器IC甚至可以将散热片固定在上面。现在看起来那样子真丑。Sinclair Radionics是上世纪60和70年代的一家公司,曾经委托Plessey生产一款称为IC-10的IC,并附带pcb。我的一个朋友就有一个,尽管有散热片,它们似乎也很娇气,使用寿命不长。最近,我的一个供应商提供了之后的一款IC,TAA621,就带有这种散热片。冲着它是过去那个时代的IC,我很想买几个,但它没有明确的失真指标,也许2~3%左右....还是算了吧....

这里有两张照片可以欣赏一下,TAA621具有四列直插引脚,下面是仅有10个引脚的Plessey SL403D的俯视图,与Sinclair IC-10非常相似。 我认为TAA621只是将散热片粘贴在普通芯片的顶部,而SL403D实际上封装了散热片,芯片直接贴装在金属上。但这并不能解释它们为何如此不可靠......

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上面介绍了几款我曾遇到的不同寻常的IC,相信还有更多我没见过的。俄罗斯曾经制造过一些外观很奇怪的芯片。我也见过其它一些奇异的芯片,大多年代久远不记得了,不过我想起了一个10引脚TO-3外壳(通常用于大晶体管)的电压调节器。

亲爱的读者,你有没有遇到过令你印象深刻的奇特IC?如果有,请与我们分享。

原文刊登在EDN姊妹网站Embedded,参考链接The beauty of ICs,由Jenny Liao编译整理。

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