IC 測試插座的類型與選擇因素說明

近年來的電子電路設計中，多功能的IC越來越多，隨著高性能化與小型化的發展，IC的引腳數量與封裝形式也變得更加多樣化。因此，IC插座備受關注。使用IC插座無需焊接即可將IC插入電路板，從而使更換與維護變得更加方便。

本文將從「封裝形式」、「探針形狀」、「探針數量」這三個主要角度，整理選擇IC插座時應注意的重點。希望能對正在煩惱如何挑選IC插座，或是剛開始接觸電路設計的顧客有所幫助。

關於IC測試插座

IC測試插座，是一種能夠讓IC以可插拔方式安裝到電路板上的元件。通常將IC實裝到電路板上時會透過焊接來固定。然而，焊接後的IC無法輕易更換，因此在發生故障或需要升級時，維修會變得困難。相比之下，若通過測試插座來安裝IC，則可根據需求拔插IC，從而帶來以下優點。

• 容易更換與維護：當IC發生故障時，只需從插座中取出並更換即可，有助於降低維修成本。
• 保護電路板：反覆焊接可能會損壞電路板的線路圖樣，但使用插座可降低這類風險。
• 提升試作與開發效率：在評估新型IC時，可以輕鬆更換並進行測試，有助於加快原型開發的速度。

另一方面，使用IC插座雖然會增加零件成本，且插座本身也並非完全沒有接觸不良的風險。即使如此，在維護或試作階段仍具有顯著的優點，因此IC插座已成為電子電路設計中必不可缺的元件。

依據封裝形式分類的IC測試插座

IC有各種不同的封裝形式。由於插座也必須對應各種封裝的形狀與結構，因此我們首先來看一看依照封裝形式分類的各類插座種類。

DIP（Dual In-line Package）用測試插座

DIP是指IC的引腳沿著長邊分成兩列排列的形狀。雖然是一種較為傳統的封裝形式，但至今仍廣泛用於通用邏輯IC以及部分微控制器等，在電子製作與實驗中也十分常見。

• 主要特點
  • 引腳之間的間距一般為2.54mm（0.1英吋）。
  • 根據IC的形狀，對應多種引腳數量例如8腳、14腳、16腳、20腳、28腳、40腳等多種規格的插座在市面上銷售。
• 插座的形狀
  • 開放式框架型（Open Frame Type）：插座中央部分為中空設計，不僅方便插拔IC，還具有良好的散熱效果。
  • 封閉式框架型（Closed Frame Type）：由方形框架構成，具備能牢固固定IC的結構。
• 優點和缺點
  • 優點：插座本身價格相對便宜，插拔操作也相當順暢。只要能在電路板上確保足夠的高度，設計上就相對容易。
  • 缺點：相較於其他封裝形式，所需的實裝面積較大，有可能不適合近年來追求高密度實裝的應用。

QFP（Quad Flat Package）用測試插座

QFP（方形扁平封裝）是指IC的四邊伸出扁平引腳的封裝形式。由於這類封裝的引腳數量多、晶片體積小，一般多採用焊接方式實裝。不過，若是為了評估或試作而希望能輕鬆插拔QFP封裝的IC，則可使用專為QFP設計的插座。

• 主要特點
  • 由於四邊都有引腳，引腳數達20至100腳以上的IC也並不罕見。
  • 對於引腳間距較小的產品（如0.5mm或0.4mm），插座也需要具備高精度，因此產品價格往往較高。
• 優點和缺點
  • 優點：在開發與評估階段頻繁更換IC時非常有用，比焊接重工更簡便。
  • 缺點：由於插座為專用設計，對安裝與對位的要求精度較高。價格也比DIP用插座高。

QFN（Quad Flat No-leads）用測試插座

QFN是一種不像QFP將引腳延伸至外部，而是在IC側面或背面設置焊盤的封裝形式。由於可實現更薄、更小型的IC實裝，因此被廣泛應用於行動裝置與物聯網設備中。然而，這種封裝在焊接實裝時，引腳不易看見，是手工焊接與檢查較為困難的封裝。

• 測試插座的特點
  • 在測試插座內部配置精密的接觸探針，以壓接方式與IC的背面或側邊焊墊實現導電接觸。
  • 大多數測試插座採用專用的固定爪或滑動機構來固定IC的位置。
• 優點和缺點
  • 優點: 適用於評估板或試作開發階段，可快速更換QFN封裝的IC，提升測試與開發效率。
  • 缺點: 由於插座結構較為複雜，雖不如BGA那樣高價，但價格相對偏高，較適合用於評估用途。

BGA（Ball Grid Array）用測試插座

BGA是一種在IC背面以網格狀配置大量錫球的封裝形式。它實現了多針腳與高密度化，廣泛應用於如CPU、GPU等高效能晶片。BGA通常採用迴流焊接方式。然而，由於BGA錫球無法從外部目視確認，因此返修較為困難。此外，錫球數量眾多，也使得安裝時對位置精度的要求更高。

• 測試插座的特點
  • 專用的接觸探針對應IC背面的每個錫球，逐一實現導電接觸的結構。
  • 由於安裝時需進行高精度的位置對準，因此插座本身的價格較高。
• 優點和缺點
  • 優點: 容易進行BGA晶片的試作與評估，並能夠重複插拔使用。
  • 缺點: 高価かつ入手性も限られているうえ、実装も専用ジグなどが必要となることが多い。不僅價格昂貴，且購買渠道有限，安裝時通常還需要搭配專用治具。

其他的封裝形式

除了上述介紹的四種封裝形式（DIP、QFP、QFN、BGA）之外，IC封裝還有各式各樣的方式。市面上亦有對應這些封裝的各類插座可供選購，因此需依據實際用途與技術需求來挑選合適的插座。

• PLCC（Plastic Leaded Chip Carrier）用插座：這是一種側邊帶有引腳的封裝形式，PLCC用插座使用將IC嵌入插槽中的安裝方式。拆卸時需使用專用的拔取工具。
• PGA（Pin Grid Array）用插座：早期曾廣泛應用於個人電腦CPU的封裝形式。其接腳以網格狀密集排列，用具備ZIF（Zero Insertion Force）機構的插座進行安裝與拆卸。
• LGA（Land Grid Array）用插座：如同把BGA的錫球部分改為平坦焊墊的封裝形式，透過基板端的接觸探針對焊墊施加壓力以實現接觸。是近年來常見於個人電腦CPU上的主流封裝形式之一。
• SOIC/SOP系列插座：用來固定如SOIC或SSOP等小型長方形封裝元件的插座，與DIP插座相比，其需支援更細微的引腳間距。

關於測試插座的探針形狀

在選擇IC插座時，除了需確認對應的IC封裝形式外，也應特別注意插座端接觸探針的形狀與品質。大致可分為以下兩種主要的接觸探針結構。

圓針（機械加工針）型

• 特點
  • 亦稱為「車削針（Turned Pin）」，是透過精密切削加工製成的圓柱狀金屬套筒，用來與IC的引腳進行接觸。
  • 接觸面為圓周形，有助於獲得穩定的接觸壓力。
• 優點
  • 具備高接觸可靠性與優異的耐久性，適用於需頻繁插拔或對高可靠性有嚴格要求的應用環境。
  • 具有較高的強度，即使長期使用，也不容易發生針腳變形或接觸不良。
• 缺點
  • 製造成本較高，相較於平針型，價格容易上升。

平針（衝壓針）型

• 特點
  • 由於使用金屬板進行壓製（打孔）或彎曲加工，因此探針的截面呈現方形或板狀。
  • 長邊方向具備彈性，用來與IC的引腳接觸。
• 優點
  • 製造成本較低，適合應用於量產用途。
  • 由於結構較薄，在DIP插座等應用中有助於降低整體高度。
• 缺點
  • 由於無法確保如機械加工針那樣的接觸面積，在反覆插拔次數較多或處於嚴苛環境下時，較容易發生接觸不良。

選擇哪一種接觸探針結構，關鍵在於成本與所需可靠性之間的均衡。在試作或評估階段需要頻繁插拔IC時，選用圓針型在性能方面會比較安心。但若是在量產階段希望壓低成本，則多半會選擇平針型。

關於IC測試插座的探針數

IC的引腳數量種類繁多，從DIP封裝的8腳到BGA封裝的數千腳，依據不同用途與性能需求，各種封裝形式被最佳化設計。因此，當然也必須根據對應的引腳數量來選擇合適的IC插座。

DIP插座的情況下

市面上有多種規格的DIP插座可選購，例如 8 腳、14 腳、16 腳、20 腳、28 腳、40 腳等，種類多樣。大多數情況下，這些插座皆依照標準規格設計，以對應常見的通用邏輯IC（如 74 系列、4000 系列）、運算放大器IC，以及微控制器等元件的引腳數量。

• 注意事項
  • 由於引腳數量越多插座尺寸也變得越大，因此需要考慮基板布局中的空間分配。
  • 插座的厚度會因為是開放式框架還是封閉式框架，以及探針形狀是圓針型還是平針型等因素而有所不同，安裝高度也會有所變化。

QFP / QFN / BGA插座的情況下

QFP、QFN、BGA等封裝從約20腳的小型芯片到數千腳的大型IC，擁有各種規格。測試插座也被設計成可以對應各種不同的探針數量和間距需求。除了具有廣泛適應範圍的通用型插座外，還有針對特定IC進行優化設計的專用插座。

• 注意事項
  • 引腳間距越小，就越需要高精度且高價格的插座。
  • 由於主要用於評估、試作等有限的用途，較少用於量產實裝，因此有時可能會需要較長的時間來採購。

PGA插座的情況下

PGA封裝的接腳以網格狀密集排列，早期曾廣泛應用於個人電腦的CPU等用途。其引腳數量有時超過100腳，大多數的插座通常配備有ZIF杠杆的機構。近年來，大多數CPU已經轉向使用LGA或BGA封裝，但在一些工業設備和部分嵌入式應用中，有些情況仍然會使用PGA封裝。

其他選擇條件

在選擇IC插座時，除了考慮封裝形狀、引腳形狀和引腳數量外，還應注意以下幾個要點。

是否有ZIF（Zero Insertion Force）機構

ZIF插座配有杠杆或滑動機構，在將IC插入插座時幾乎不需要任何壓力。將IC安裝好後，透過下壓杠杆來固定，因此可以將引腳損傷的風險降到最低。

• 優點
  • 對需要頻繁插拔IC的評估板等場合中特別實用。
  • 可以減少探針彎折與接點磨損。
• 注意事項
  • 比一般插座的零件結構較為複雜，價格也相對較高。
  • 在安裝面積與高度方面，也需要預留出ZIF機構所需的空間。

插座高度・框架結構

在安裝IC插座時，需考慮基板上的高度限制、散熱性以及IC的拆卸便利性。選擇開放式框架或低高度型插座，可以在保持良好通風的同時實現薄型化設計。另一方面，封閉式框架或高型插座則較能確實保護IC，但也需要較多的基板空間。

接點材質・鍍金規格

插座的接點通常使用磷青銅或鈹銅等材料製成，並且表面可能會實施鍍金或鍍錫等處理。

• 鍍金：不易氧化，接觸電阻也低，因此適用於需要高可靠性的場合。成本較高。
• 鍍錫：廣泛用於一般用途，但由於有氧化的風險，因此需考慮妥善的保存方式與使用環境。

燒機測試插座（Burn-in Socket）

在進行IC的長時間運作測試或高溫測試（Burn-in Test）時，並不使用一般的插座，而是使用具有高耐熱性與耐久性的「燒機插座（Burn-in Socket）」。這類插座設計上能在高溫環境下防止接觸不良與變形，因此是進行可靠性測試時必不可缺的元件。

IC插座可讓IC在不經過焊接的情況下安裝至電路板上，使更換與維護變得更加容易。近年來，隨著IC性能提升與小型化的發展，引腳數量與封裝形式日益多樣化，對插座的要求也相應提高。選擇合適的IC插座，有助於提升開發效率與維護便利性。

適應新一代半導體的高頻率・大電流等挑戰的測試插座

本公司開發的半導體測試插座「MMS」，是針對半導體IC的進化設計的創新的封裝測試插座。在5G和AI技術普及的背景下，MMS能夠應對高頻率和大電流要求的半導體IC測試需求。此外，還能夠適應半導體的小型化和狹間距設計，為下一代半導體的開發、設計和製造提供強力的支持。