Электронная упаковка
 | Эта статья нуждается в дополнительных цитатах для проверки . ( декабрь 2006 г. ) |
Электронная упаковка — это проектирование и производство корпусов для электронных устройств, начиная от отдельных полупроводниковых приборов и заканчивая целыми системами, такими как мейнфреймы . Упаковка электронной системы должна обеспечивать защиту от механических повреждений, охлаждения, излучения радиочастотных помех и электростатических разрядов . Стандарты безопасности продукта могут диктовать особые характеристики потребительского продукта, например, температуру внешнего корпуса или заземление открытых металлических частей. В прототипах и промышленном оборудовании, изготовленном в небольших количествах, могут использоваться стандартные коммерчески доступные корпуса, такие как каркасы для карт или сборные коробки. Потребительские устройства массового рынка могут иметь узкоспециализированную упаковку для повышения потребительской привлекательности. Электронная упаковка является основной дисциплиной в области машиностроения.
Дизайн [ править ]
Электронную упаковку можно организовать по уровням:
- Уровень 0 – «Чип», защищающий голый полупроводниковый кристалл от загрязнений и повреждений.
- Уровень 1 — Компонент, например, конструкция корпуса полупроводников и упаковка других дискретных компонентов.
- Уровень 2 – Травленая монтажная плата (печатная плата).
- Уровень 3 — Сборка, одна или несколько монтажных плат и сопутствующие компоненты.
- Уровень 4 — Модуль, узлы интегрированы в общий корпус.
- Уровень 5 – Система, набор модулей, объединенных для какой-либо цели. [1]
Одна и та же электронная система может быть упакована как портативное устройство или приспособлена для стационарной установки в приборной стойке или стационарной установки. Упаковка для аэрокосмических, морских или военных систем налагает различные критерии проектирования.
Проектирование и производство электронных корпусов — это междисциплинарная область, основанная на таких принципах машиностроения, как динамика, анализ напряжений, теплопередача и механика жидкости, химия, материаловедение, технологическое проектирование и т. д. Высоконадежное оборудование часто должно выдерживать испытания на падение, вибрация незакрепленного груза, вибрация 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.
Электронный блок состоит из составных устройств, сборок печатных плат (CCA), разъемов, кабелей и компонентов, таких как трансформаторы, источники питания, реле, переключатели и т. д., которые могут не монтироваться на печатную плату.
Многие электротехнические изделия требуют производства больших объемов недорогих деталей, таких как корпуса или крышки, с использованием таких методов, как литье под давлением, литье под давлением, литье по выплавляемым моделям и т. д. Конструкция этих изделий зависит от метода производства и требует тщательного рассмотрения размеров, допусков и конструкции оснастки. Некоторые детали могут быть изготовлены с помощью специальных процессов, таких как литье металлических корпусов из гипса и песка.
При проектировании электронных продуктов инженеры по электронным упаковкам проводят анализ для оценки таких факторов, как максимальные температуры компонентов, структурные резонансные частоты, а также динамические напряжения и отклонения в наихудших условиях. Такие знания важны для предотвращения немедленных или преждевременных сбоев электронных изделий.
Аспекты дизайна [ править ]
Дизайнер должен сбалансировать множество целей и практических соображений при выборе методов упаковки.
- Опасности, от которых необходимо защититься: механические повреждения, воздействие погодных условий и грязи, электромагнитные помехи, [2] и т. д.
- Требования к отводу тепла
- Компромисс между капитальными затратами на оснастку и себестоимостью единицы продукции
- Компромисс между временем до первой поставки и производительностью
- Наличие и возможности поставщиков
- Дизайн и удобство пользовательского интерфейса
- Удобство доступа к внутренним частям при необходимости технического обслуживания.
- Безопасность продукции и соответствие нормативным стандартам.
- Эстетика и другие маркетинговые соображения
- Срок службы и надежность
Упаковочные материалы [ править ]
Листовой металл [ править ]
Перфорированный и формованный листовой металл является одним из старейших видов электронной упаковки. Он может быть механически прочным, обеспечивать электромагнитное экранирование, когда продукт требует этой функции, и его легко изготавливать для прототипов и небольших производственных партий с небольшими затратами на специальные инструменты.
Литой металл [ править ]
Металлические отливки с прокладками иногда используются для упаковки электронного оборудования, предназначенного для исключительно суровых условий, например, в тяжелой промышленности, на борту корабля или глубоко под водой. Литье алюминия под давлением встречается чаще, чем литье в песчаные формы из железа или стали.
Обработанный металл [ править ]
Электронные блоки иногда изготавливаются путем механической обработки твердых блоков металла, обычно алюминия, в сложные формы. Они довольно распространены в СВЧ-сборках аэрокосмического назначения, где прецизионные линии передачи требуют сложной металлической формы в сочетании с герметичными корпусами. Количества, как правило, небольшие; иногда требуется только одна единица индивидуальной конструкции. Затраты на отдельные детали высоки, но затраты на нестандартную оснастку невелики или вообще отсутствуют, а доставка первой детали может занять всего полдня. В качестве инструмента выбора выбран вертикальный фрезерный станок с числовым программным управлением и автоматическим переводом файлов автоматизированного проектирования (САПР) в файлы команд траектории движения инструмента.
Литой пластик [ править ]
Формованные пластиковые корпуса и конструкционные детали могут быть изготовлены различными методами, что обеспечивает компромисс между стоимостью детали, стоимостью оснастки, механическими и электрическими свойствами, а также простотой сборки. Примерами являются литье под давлением, трансферное формование, вакуумное формование и высечка. Pl может быть подвергнут постобработке для получения проводящих поверхностей.
Заливка [ править ]
Заливка, также называемая «инкапсуляцией», заключается в погружении детали или узла в жидкую смолу с последующим ее отверждением. Другой метод помещает деталь или сборку в форму, в нее заливают герметизирующий состав, и после отверждения форма не удаляется, становясь частью детали или узла. Заливку можно производить в заранее отформованную оболочку или непосредственно в форму. 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 кристалл. Раньше его часто использовали, чтобы препятствовать обратному проектированию запатентованных продуктов, созданных в виде модулей печатных плат. Он также широко используется в изделиях высокого напряжения, чтобы позволить размещать части, находящиеся под напряжением, ближе друг к другу (устраняя коронные разряды из-за высокой диэлектрической прочности заливочного компаунда), чтобы изделие было меньше по размеру. Это также исключает попадание грязи и проводящих загрязнений (например, нечистой воды) в чувствительные зоны. Другое применение — защита предметов, погружающихся на большую глубину, таких как гидролокационные преобразователи, от разрушения под экстремальным давлением путем заполнения всех пустоты . Посадка может быть жесткой или мягкой. Когда требуется заливка без пустот, обычно продукт помещают в вакуумную камеру, пока смола еще жидкая, выдерживают вакуум в течение нескольких минут, чтобы вытянуть воздух из внутренних полостей и самой смолы, а затем сбрасывают вакуум. . Атмосферное давление сжимает пустоты и выталкивает жидкую смолу во все внутренние пространства. Вакуумная заливка лучше всего работает со смолами, которые отверждаются путем полимеризации, а не испарения растворителя.
Закрытие пор или пропитка [ править ]
Герметизация пор или пропитка смолой аналогичны заливке, но без использования оболочки или формы. Детали погружаются в полимеризуемый мономер или пластиковый раствор низкой вязкости на основе растворителя. Давление над жидкостью снижается до полного вакуума. После сброса вакуума жидкость поступает в деталь. Когда деталь извлекается 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 между различными компонентами напряжения остается изолирующий диэлектрический материал. Герметик пор (пропитка смолой) заполняет все внутренние пространства и может оставлять или не оставлять тонкий слой на поверхности, в зависимости от эффективности стирки/полоскания. Основное применение герметизации пор вакуумной пропиткой заключается в повышении диэлектрической прочности трансформаторов, соленоидов, пакетов пластин или катушек, а также некоторых высоковольтных компонентов. Это предотвращает образование ионизации между близко расположенными токоведущими поверхностями и возникновение неисправности.
Жидкостное заполнение [ править ]
Жидкое наполнение иногда используется как альтернатива заливке или пропитке. Обычно это диэлектрическая жидкость, выбранная из-за химической совместимости с другими присутствующими материалами. Этот метод используется в основном в очень крупном электрооборудовании, таком как трансформаторы электросети, для увеличения напряжения пробоя . Его также можно использовать для улучшения теплопередачи, особенно если он циркулирует за счет естественной или принудительной конвекции через теплообменник. Жидкий наполнитель можно удалить для ремонта гораздо проще, чем заливку.
Конформное покрытие [ править ]
Конформное покрытие – это тонкое изолирующее покрытие, наносимое различными методами. Обеспечивает механическую и химическую защиту деликатных компонентов. Он широко используется в изделиях массового производства, таких как резисторы с осевыми выводами, а иногда и в печатных платах. Это может быть очень экономично, но довольно сложно добиться стабильного качества процесса.
Глоб-топ [ править ]
Glob-top — это вариант конформного покрытия, используемого при сборке чипа на плате (COB). Состоит из капли специально разработанной эпоксидной смолы. [3] или смола, нанесенная на полупроводниковый чип и его проводные 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 плате [ править ]
для поверхностного монтажа Светодиоды часто продаются в конфигурации «чип-на-плате » (COB). В них отдельные диоды монтируются в массив, который позволяет устройству производить больший световой поток с большей способностью рассеивать образующееся тепло в общем меньшем корпусе, чем это может быть достигнуто путем установки светодиодов, даже типов поверхностного монтажа, по отдельности. на плате. [5]
Герметичные металлические/стеклянные шкафы [ править ]
Герметичная металлическая упаковка появилась в промышленности электронных ламп, где для работы был необходим полностью герметичный корпус. В этой отрасли были разработаны электрические вводы со стеклянным уплотнением, используя такие сплавы, как Ковар , чтобы соответствовать коэффициенту расширения уплотняющего стекла, чтобы минимизировать механическое напряжение на критически важном соединении металл-стекло при нагревании трубки. В некоторых более поздних трубках использовались металлические корпуса и проходные отверстия, и только в изоляции вокруг отдельных проходных отверстий использовалось стекло. Сегодня стеклянные пакеты используются в основном в ответственных узлах и агрегатах аэрокосмической отрасли, где необходимо предотвратить утечку даже при экстремальных изменениях температуры, давления и влажности.
Герметичные керамические пакеты [ править ]
Упаковки, состоящие из свинцовой рамки, встроенной в слой стекловидной пасты между плоской керамической верхней и нижней крышками, для некоторых продуктов более удобны, чем металлические/стеклянные упаковки, но обеспечивают эквивалентные характеристики. Примерами являются микросхемы интегральных схем в керамическом двухрядном корпусе или сложные гибридные сборки компонентов микросхем на керамической базовой плате. Этот тип упаковки также можно разделить на два основных типа: многослойные керамические пакеты (типа LTCC и HTCC ) и прессованные керамические пакеты.
Печатные сборки [ править ]
Печатные схемы — это прежде всего технология соединения компонентов вместе, но они также обеспечивают механическую структуру. В некоторых продуктах, таких как дополнительные компьютерные платы, они представляют собой всю структуру. Это делает их частью вселенной электронной упаковки.
Оценка надежности [ править ]
Типичная квалификация надежности включает следующие типы экологических стрессов:
- Выгорание
- Температурный цикл
- Термический шок
- Паяемость
- Автоклав
- Визуальный осмотр
- Герметичность/влагостойкость
- Гигротермический тест
Гигротермическое испытание проводят в камерах с заданной температурой и влажностью. Это экологический стресс-тест, используемый для оценки надежности продукта. Типичное гигротермическое испытание проводится при температуре 85˚C и относительной влажности 85% (сокр. 85˚C/85% относительной влажности). Во время испытания образец периодически вынимают для проверки его механических или электрических свойств. Некоторые исследовательские работы, связанные с гидротермическими испытаниями, можно увидеть в ссылках. [6]
См. также [ править ]
Ссылки [ править ]
- ^ Майкл Пехт и др., Материалы для электронной упаковки и их свойства , CRC Press, 2017. ISBN 135183004X , Предисловие
- ^ Судо, Тошио и Сасаки, Хидеки и Масуда, Норио и Древняк, Джеймс. (2004). Электромагнитные помехи (EMI) системы на упаковке (SOP). Расширенная упаковка, транзакции IEEE включены. 27. 304 - 314. 10.1109/ТАДВП.2004.828817.
- ^ Нандивада, Венкат (16 января 2013 г.). «Улучшите характеристики электроники с помощью эпоксидных компаундов» . Мир дизайна . Проверено 17 февраля 2023 г.
- ^ Келли, Джо (декабрь 2004 г.). «Улучшение сборки чипа на плате» . empf.com . Архивировано из оригинала 23 сентября 2006 г.
- ^ Справочник по физике и химии редких земель: включая актиниды . Эльзевир Наука. 1 августа 2016 г. с. 89. ИСБН 978-0-444-63705-5 .
- ^ Г. Ву и др. «Исследование снижения прочности на сдвиг соединений ACA, вызванное различными условиями гигротермического старения» .Надежность микроэлектроники.2013.