Электронная упаковка - Electronic packaging

Электронная упаковка это разработка и производство корпусов для электронных устройств, начиная от отдельных полупроводниковых устройств и заканчивая комплексными системами, такими как универсальный компьютер. Упаковка электронной системы должна учитывать защиту от механических повреждений, охлаждения, излучение радиочастотного шума и электростатический разряд. Стандарты безопасности продукта могут диктовать особые характеристики потребительского продукта, например температуру внешнего корпуса или заземление открытых металлических частей. В прототипах и промышленном оборудовании, изготовленных в небольших количествах, могут использоваться стандартные коммерчески доступные корпуса, такие как каркасы для карточек или сборные коробки. Потребительские устройства для массового рынка могут иметь узкоспециализированную упаковку для повышения потребительской привлекательности. Электронная упаковка - важнейшая дисциплина в области машиностроения.

Дизайн

Электронную упаковку можно организовать по уровням:

  • Уровень 0 - «Чип», защищающий неизолированный полупроводниковый кристалл от загрязнения и повреждения.
  • Уровень 1 - Компонент, например полупроводниковый корпус дизайн и упаковка других дискретных компонентов.
  • Уровень 2 - Протравленная монтажная плата (печатная плата).
  • Уровень 3 - Сборка, одна или несколько монтажных плат и связанных компонентов.
  • Уровень 4 - Модуль, сборки, интегрированные в общий корпус.
  • Уровень 5 - Система, набор модулей, объединенных для какой-то цели.[1]

Та же электронная система может быть упакована как портативное устройство или адаптирована для стационарной установки в приборной стойке или постоянной установки. Упаковка для аэрокосмических, морских или военных систем требует различных критериев проектирования.

Электронная упаковка основана на таких принципах машиностроения, как динамика, анализ напряжений, теплопередача и механика жидкости. Оборудование высокой надежности часто должно выдерживать испытания на падение, вибрацию незакрепленного груза, вибрацию закрепленного груза, экстремальные температуры, влажность, погружение в воду или брызги, дождь, солнечный свет (УФ, ИК и видимый свет), солевой туман, взрывной удар и многое другое. Эти требования выходят за рамки электрического проектирования и взаимодействуют с ним.

Узел электроники состоит из компонентов устройств, узлов печатных плат (CCA), разъемов, кабелей и компонентов, таких как трансформаторы, источники питания, реле, переключатели и т. Д., Которые могут не устанавливаться на печатной плате.

Многие электротехнические изделия требуют изготовления больших объемов недорогих деталей, таких как корпуса или крышки, с использованием таких технологий, как литье под давлением, литье под давлением, литье по выплавляемым моделям и т. Д. Конструкция этих продуктов зависит от метода производства и требует тщательного рассмотрения размеров, допусков и конструкции инструментов. Некоторые детали могут быть изготовлены с помощью специальных процессов, таких как литье металлических корпусов из гипса или в песчаные формы.

При разработке электронных продуктов инженеры по электронной упаковке проводят анализ для оценки таких вещей, как максимальные температуры компонентов, структурные резонансные частоты, а также динамические напряжения и прогибы в наихудших условиях. Такие знания важны для предотвращения немедленных или преждевременных отказов электронного продукта.

Соображения по дизайну

При выборе методов упаковки дизайнеру необходимо уравновесить множество целей и практических соображений.

  • Опасности, от которых необходимо защищаться: механические повреждения, воздействие погодных условий и грязи, электромагнитные помехи,[2] и Т. Д.
  • Требования к теплоотдаче
  • Компромисс между капитальными затратами на инструмент и удельной стоимостью
  • Компромисс между временем до первой поставки и производительностью
  • Наличие и возможности поставщиков
  • Дизайн и удобство пользовательского интерфейса
  • Легкость доступа к внутренним частям при необходимости обслуживания
  • Безопасность продукции и соответствие нормативным стандартам
  • Эстетика и другие маркетинговые соображения
  • Срок службы и надежность

Упаковочные материалы

Листовой металл

Перфорированный и формованный листовой металл - один из старейших видов электронной упаковки. Он может быть механически прочным, обеспечивать электромагнитное экранирование, когда продукт требует этой функции, и легко изготавливаться для прототипов и небольших производственных партий с небольшими затратами на специальные инструменты.

Литой металл

Металлические отливки с разборками иногда используются для упаковки электронного оборудования в исключительно суровых условиях, например, в тяжелой промышленности, на борту судна или глубоко под водой. Отливки из алюминия под давлением встречаются чаще, чем отливки из чугуна или стали.

Обработанный металл

Электронные блоки иногда изготавливают путем механической обработки твердых блоков металла, обычно алюминия, в сложные формы. Они довольно распространены в СВЧ-узлах для аэрокосмического использования, где прецизионные линии передачи требуют сложных металлических форм в сочетании с герметически герметичные корпуса. Количество обычно невелико; иногда требуется только одна единица нестандартной конструкции. Стоимость штучных деталей высока, но стоимость специальной оснастки небольшая или отсутствует, а доставка первой части может занять всего полдня. Выбранный инструмент - вертикальный фрезерный станок с числовым программным управлением и автоматическим переводом файлов автоматизированного проектирования (САПР) в командные файлы траектории.

Формованный пластик

Формованные пластмассовые корпуса и конструктивные детали можно изготавливать различными способами, предлагая компромисс между стоимостью детали, стоимостью инструментов, механическими и электрическими свойствами и простотой сборки. Примерами являются литье под давлением, трансферное формование, вакуумное формование и высечка. Pl может подвергаться последующей обработке для получения проводящих поверхностей.

Горшечные растения

Основная статья: Заливка (электроника)

Заливка, также называемая «инкапсулированием», заключается в погружении детали или сборки в жидкую смолу с последующим ее отверждением. Другой метод помещает деталь или сборку в форму, в которую заливают компаунд, и после отверждения форма не удаляется, становясь частью детали или сборки. Заливку можно производить в предварительно отформованной заливочной оболочке или непосредственно в форме. Сегодня он наиболее широко используется для защиты полупроводниковых компонентов от влаги и механических повреждений, а также в качестве механической конструкции, удерживающей вместе выводную рамку и микросхему. В прежние времена это часто использовалось, чтобы препятствовать обратному проектированию патентованных продуктов, построенных в виде модулей печатных схем. Он также обычно используется в высоковольтных изделиях, чтобы позволить расположить детали под напряжением ближе друг к другу (исключая коронные разряды из-за высокой диэлектрической прочности заливочного компаунда), так что изделие может быть меньше. Это также исключает грязь и токопроводящие загрязнения (например, нечистую воду) из чувствительных зон. Другое применение - защита глубоко погружаемых предметов, таких как датчики гидролокатора, от разрушения под экстремальным давлением, путем заполнения всех пустоты. Заливка может быть жесткой или мягкой. Когда требуется заливка без пустот, обычно помещают продукт в вакуумную камеру, пока смола все еще находится в жидком состоянии, выдерживают вакуум в течение нескольких минут, чтобы удалить воздух из внутренних полостей и самой смолы, затем сбрасывают вакуум. . Атмосферное давление сжимает пустоты и вытесняет жидкую смолу во все внутренние пространства. Вакуумная заливка лучше всего работает со смолами, которые отверждаются путем полимеризации, а не испарения растворителя.

Герметизация или пропитка пористости

Герметизация пористости или пропитка смолой похожа на заливку, но без оболочки или формы. Детали погружают в полимеризуемый мономер или раствор пластика с низкой вязкостью на основе растворителя. Давление над жидкостью понижается до полного вакуума. После сброса вакуума жидкость поступает в деталь. Когда деталь вынимается из ванны со смолой, ее сливают и / или очищают, а затем отверждают. Отверждение может состоять из полимеризации внутренней смолы или испарения растворителя, в результате чего остается изолирующий диэлектрический материал между различными компонентами напряжения. Герметизация пористости (пропитка смолой) заполняет все внутренние пространства и может оставлять или не оставлять тонкий слой на поверхности, в зависимости от эффективности стирки / полоскания. Основное применение вакуумной пропитки пористой герметизации - повышение диэлектрической прочности трансформаторов, соленоидов, многослойных пакетов или катушек, а также некоторых компонентов высокого напряжения. Это предотвращает образование ионизации между близко расположенными токоведущими поверхностями и инициирование отказа.

Жидкое наполнение

Жидкий наполнитель иногда используется как альтернатива заливке или пропитке. Обычно это диэлектрическая жидкость, выбранная из соображений химической совместимости с другими присутствующими материалами. Этот метод используется в основном в очень большом электрическом оборудовании, таком как трансформаторы, для увеличения пробивного напряжения. Его также можно использовать для улучшения теплопередачи, особенно если он циркулирует за счет естественной или принудительной конвекции через теплообменник. Жидкую начинку удалить для ремонта гораздо проще, чем заливку.

Защитное покрытие

Дальнейшая информация: Защитное покрытие и Парилен

Конформное покрытие - тонкое изоляционное покрытие, наносимое различными способами. Обеспечивает механическую и химическую защиту хрупких компонентов. Он широко используется в изделиях массового производства, таких как резисторы с осевыми выводами, а иногда и на печатных платах. Это может быть очень экономично, но довольно сложно обеспечить стабильное качество процесса.

Глоп-топ

Микросхема на плате (COB), покрытая темным эпоксидная смола

Glop-top - это вариант конформного покрытия, используемого при сборке микросхемы на плате (COB). Он состоит из капли специально разработанной эпоксидной смолы.[3]или смола, нанесенная на полупроводниковый чип и его проволочные соединения, чтобы обеспечить механическую поддержку и исключить загрязнения, такие как остатки отпечатков пальцев, которые могут нарушить работу схемы. Чаще всего он используется в электронных игрушках и недорогих устройствах.[4]

Чип на борту

Накладной Светодиоды часто продаются в чип на борту (COB) конфигурации. В них отдельные диоды смонтированы в виде массива, что позволяет устройству производить большее количество световой поток с большей способностью рассеивать образующееся тепло в корпусе меньшего размера, чем может быть достигнуто путем установки светодиодов, даже для поверхностного монтажа, по отдельности на печатной плате.[5]

Герметичные металлические / стеклянные ящики

Герметичная металлическая упаковка зародилась в производстве электронных ламп, где абсолютно герметичный корпус был необходим для работы. В этой отрасли был разработан электрический ввод со стеклянным уплотнением с использованием таких сплавов, как Ковар чтобы соответствовать коэффициенту расширения уплотнительного стекла, чтобы свести к минимуму механическое напряжение на критическом соединении металл-стекло при нагревании трубки. В некоторых более поздних трубках использовались металлические корпуса и вводы, и только изоляция вокруг отдельных вводов использовала стекло. Сегодня пакеты со стеклянным уплотнением используются в основном в критических компонентах и ​​узлах для аэрокосмической промышленности, где необходимо предотвращать утечку даже при резких изменениях температуры, давления и влажности.

Герметичные керамические пакеты

Пакеты, состоящие из выводной рамки, залитой слоем стекловидной пасты между плоской керамической верхней и нижней крышками, более удобны, чем корпуса из металла / стекла для некоторых продуктов, но обеспечивают эквивалентные характеристики. Примерами являются микросхемы интегральных схем в керамической форме Dual In-Line Package или сложные гибридные сборки компонентов микросхемы на керамической базовой пластине. Этот тип упаковки также можно разделить на два основных типа: многослойные керамические упаковки (например, LTCC и HTCC ) и прессованные керамические пакеты.

Печатные сборки

Печатные схемы - это в первую очередь технология соединения компонентов вместе, но они также обеспечивают механическую структуру. В некоторых продуктах, например, в дополнительных платах компьютеров, есть вся структура. Это делает их частью вселенной электронной упаковки.

электронная упаковка
[1] Электронная упаковка

Оценка надежности

Типичная квалификация надежности включает в себя следующие виды воздействия окружающей среды:

Гигротермическое испытание проводится в камерах с температурой и влажностью. Это стресс-тест на окружающую среду, используемый для оценки надежности продукта. Типичный гигротермический тест проводится при температуре 85 ° C и относительной влажности 85% (сокращенно 85 ° C / 85% относительной влажности). Во время испытания образец периодически вынимается для проверки его механических или электрических свойств. Некоторые исследования, связанные с гигротермическими испытаниями, можно увидеть в справочной литературе. [6]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Майкл Пехт и др., Электронные упаковочные материалы и их свойства, CRC Press, 2017ISBN  135183004X ,Предисловие
  2. ^ Судо, Тошио и Сасаки, Хидеки и Масуда, Норио и Древняк, Джеймс. (2004). Электромагнитные помехи (EMI) системы на упаковке (SOP). Расширенная упаковка, транзакции IEEE на. 27. 304 - 314. 10.1109 / TADVP.2004.828817.
  3. ^ Венкат Нандивада.«Улучшение электронных характеристик с помощью эпоксидных соединений».Design World.2013.
  4. ^ Джо Келли ".Улучшение сборки микросхемы на плате ". 2004.
  5. ^ Справочник по физике и химии редких земель: включая актиниды. Elsevier Science. 1 августа 2016. с. 89. ISBN  978-0-444-63705-5.
  6. ^ G. Wu et al.«Исследование деградации прочности на сдвиг соединений ACA, вызванной различными условиями гигротермического старения».Надежность микроэлектроники. 2013.