电子封装

电子封装是电子设备外壳的设计和生产,从单个半导体设备到大型计算机 等完整系统。电子系统的封装必须考虑防止机械损坏、冷却、射频噪声发射和静电放电,产品安全标准可能规定消费产品的特定特性,例如外壳温度或裸露金属部件的接地。少量制造的原型和工业设备可以使用标准化的市售外壳,例如卡笼预制盒。大众市场消费设备可能具有高度专业化的包装,以增加消费者的吸引力。电子封装机械工程领域的一门主要学科。

设计(电子元器件外壳的设计和生产)

电子包装可以按层次组织:

  • 0 级 - “芯片”,保护裸露的半导体芯片免受污染和损坏。
  • 级别 1 - 组件,例如半导体封装设计和其他分立组件的封装。
  • 2 级 - 蚀刻线路板(印刷电路板)。
  • 3 级 - 组装、一个或多个接线板和相关组件。
  • 4 级 - 模块,组件集成在一个整体外壳中。
  • 第 5 级 - 系统,为某种目的而组合的一组模块。

相同的电子系统可以封装为便携式设备或适用于固定安装在仪器架或永久安装中。航空航天、海洋或军事系统的包装采用不同类型的设计标准。

电子封装依赖于力学、应力分析、传热和流体力学等机械工程原理。高可靠性设备通常必须经受住跌落测试、松散的货物振动、固定的货物振动、极端温度、湿度、水浸或喷水、雨水、阳光(紫外线、红外线和可见光)、盐雾、爆炸冲击等等。这些要求超越了电气设计并与电气设计相互作用。

电子组件由组件设备、电路卡组件 (CCA)、连接器、电缆和组件(如变压器、电源、继电器、开关等)组成,这些组件可能无法安装在电路卡上。

许多电气产品需要通过注塑、压铸、熔模铸造等技术制造大批量、低成本的零件,例如外壳或盖板。这些产品的设计取决于生产方法,需要仔细考虑尺寸和公差以及工装设计。一些零件可能通过特殊工艺制造,例如金属外壳的石膏和砂铸。

在电子产品的设计中,电子封装工程师进行分析以估计诸如组件的最高温度、结构谐振频率以及在最坏情况下的动态应力和变形等。这些知识对于防止立即或过早的电子产品故障很重要。

设计考虑

设计人员在选择封装方法时必须平衡许多目标和实际考虑因素。

  • 要防止的危险:机械损坏、暴露于天气和污垢、电磁干扰[2]等。
  • 散热要求
  • 工具资本成本和单位成本之间的权衡
  • 首次交付时间和生产率之间的权衡
  • 供应商的可用性和能力
  • 用户界面设计和便利性
  • 需要维护时易于接触内部零件
  • 产品安全,符合监管标准
  • 美学和其他营销考虑
  • 使用寿命和可靠性

包装材料

钣金

冲压成型的钣金是最古老的电子封装类型之一。它具有机械强度,在产品需要该功能时提供电磁屏蔽,并且很容易为原型和小批量生产制造,而定制工具费用很少。

铸造金属

密封金属铸件有时用于包装电子设备以适应异常恶劣的环境,例如重工业、船上或深水。铝压铸件比铁或钢砂铸件更常见。

机加工金属

电子封装有时是通过将实心金属块(通常是铝)加工成复杂形状而制成的。它们在航空航天用途的微波组件中相当常见,其中精密传输线需要复杂的金属形状,并结合密封外壳。数量往往很少;有时只需要一个定制设计单元。零件成本很高,但定制工具的成本很低或没有成本,而且首件交付可能只需半天时间。选择的工具是数控立式铣床,可将计算机辅助设计 (CAD) 文件自动转换为刀具路径命令文件。

模压塑料

模制塑料外壳和结构部件可以通过多种方法制造,在零件成本、工具成本、机械和电气性能以及组装方便性方面进行权衡。示例是注塑成型、传递成型、真空成型和模切。可以对 P1 进行后处理以提供导电表面。

灌封

也称为“封装”,灌封包括将零件或组件浸入液体树脂中,然后将其固化。另一种方法是将零件或组件放入模具中,然后将灌封料倒入其中,固化后,模具不取出,成为零件或组件的一部分。灌封可以在预成型的灌封壳中进行,也可以直接在模具中进行。今天,它最广泛地用于保护半导体元件免受湿气和机械损坏,并用作将引线框架和芯片固定在一起的机械结构。在早期,它经常被用来阻止对作为印刷电路模块构建的专有产品的逆向工程。它也常用于高压产品,以使带电部件更紧密地放置在一起(消除由于灌封化合物引起的电晕放电)s高介电强度),使产品可以更小。这也排除了敏感区域的污垢和导电污染物(如不纯水)。另一个用途是通过填充所有空隙。灌封可以是刚性的或柔软的。当需要无空隙灌封时,通常的做法是在树脂仍为液体时将产品置于真空室中,保持真空几分钟以将空气从内腔和树脂本身中抽出,然后释放真空. 大气压使空隙塌陷并迫使液态树脂进入所有内部空间。真空灌封最适用于通过聚合而不是溶剂蒸发固化的树脂。

孔隙率密封或浸渍

孔隙密封或树脂浸渍类似于灌封,但不使用外壳或模具。零件浸入可聚合单体或溶剂型低粘度塑料溶液中。流体上方的压力降低到完全真空。释放真空后,流体流入零件。当部件从树脂浴中取出时,将其排干和/或清洁,然后固化。固化可以包括聚合内部树脂或蒸发溶剂,从而在不同电压组件之间留下绝缘介电材料。孔隙密封(树脂浸渍)填充所有内部空间,并且可能会或可能不会在表面上留下薄涂层,具体取决于洗涤/漂洗性能。真空浸渍孔隙密封的主要应用是提高变压器、螺线管、叠层或线圈以及一些高压元件的介电强度。它可以防止在紧密间隔的带电表面之间形成电离并引发故障。

液体填充

液体填充有时用作灌封或浸渍的替代方法。它通常是介电流体,选择用于与存在的其他材料的化学相容性。这种方法主要用于大型电气设备,例如公用变压器,以提高击穿电压。它还可用于改善热传递,特别是如果允许通过热交换器通过自然对流或强制对流进行循环。液体填充物可以比灌封更容易去除以进行修复。

保形涂层

更多信息:保形涂层和聚对二甲苯

保形涂层是通过各种方法施加的薄绝缘涂层。它为精密部件提供机械和化学保护。它广泛用于批量生产的产品,如轴向引线电阻器,有时也用于印刷电路板。它可能非常经济,但要达到一致的工艺质量有些困难。

全局顶部

覆盖有深色环氧树脂的板上芯片 (COB)

Glob-top 是一种用于板上芯片组装 (COB) 的保形涂层的变体。它由一滴特殊配方的环氧树脂或沉积在半导体芯片及其引线键合上的树脂组成,以提供机械支撑并排除可能破坏电路运行的指纹残留物等污染物。它最常用于电子玩具和低端设备。

板载芯片

表面贴装LED经常以板载芯片(COB) 配置出售。在这些器件中,各个二极管安装在一个阵列中,与单独安装 LED(甚至表面贴装类型)相比,该器件能够在更小的整体封装中产生更多的光通量,并具有更大的散热能力在电路板上。

密封金属/玻璃外壳

密封金属包装在真空管行业开始使用,在该行业中,完全防漏的外壳对于操作至关重要。该行业开发了玻璃密封电馈通,使用诸如可伐合金之类的合金来匹配密封玻璃的膨胀系数,以便在管子升温时将关键金属-玻璃结合处的机械应力降至最低。后来的一些管子使用金属外壳和馈通,只有各个馈通周围的绝缘层使用玻璃。今天,玻璃密封封装主要用于航空航天领域的关键部件和组件,即使在温度、压力和湿度发生极端变化的情况下也必须防止泄漏。

密封陶瓷封装

对于某些产品,由嵌入平面陶瓷顶盖和底盖之间的玻璃浆层中的引线框架组成的封装比金属/玻璃封装更方便,但性能相当。例如陶瓷双列直插式封装形式的集成电路芯片,或陶瓷基板上芯片组件的复杂混合组件。这种封装也可以分为两种主要类型:多层陶瓷封装(如LTCC和HTCC)和压制陶瓷封装。

印刷电路组件

印刷电路主要是一种将组件连接在一起的技术,但它们也提供机械结构。在某些产品中,例如计算机附件板,它们都是存在的结构。这使它们成为电子包装领域的一部分。

可靠性评估

典型的可靠性鉴定包括以下类型的环境应力:

  • 老化
  • 温度循环
  • 热冲击
  • 可焊性
  • 高压釜
  • 视力检查
  • 气密性/耐湿性
  • 湿热试验

湿热测试在有温度和湿度的室内进行。它是用于评估产品可靠性的环境压力测试。典型的湿热测试是 85˚C 温度和 85% 相对湿度(简称 85˚C/85%RH)。在测试过程中,定期取出样品以测试其机械或电气性能。一些与湿热试验相关的研究工作可以在参考文献中看到。

版权声明:gdzimeiti 发表于 2022/5/30 16:55。
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