電子封裝

電子封裝是指設計和製造電子設備外殼的過程，涵蓋了從單個半導體設備到大型計算機等完整系統的範圍。在進行電子系統封裝時，必須考慮防止機械損壞、冷卻、射頻噪聲發射和靜電放電等因素。產品安全標準可能規定消費性產品的特定特徵，例如外殼溫度或外露金屬部件的接地。小規模生產的原型和工業設備可以採用標準化的商用外殼，例如卡籠或預製盒。大眾市場的消費性設備可能會採用高度專業化的包裝，以增加對消費者的吸引力。電子封裝是機械工程領域的重要學科。

## 設計

電子封裝可以按級別分類：

- 0級：晶片，保護裸露的半導體晶片免受污染和損壞。
- 1級：組件，例如半導體封裝設計和其他分立組件的封裝。
- 2級：線路板，例如印刷電路板。
- 3級：部件，一個或多個接線板和相關組件。
- 4級：模塊，組件集成在整個外殼中。
- 5級：系統，一組出於某種目的而組合的模塊。

相同的電子系統可以封裝為便攜式設備，也可以適合固定安裝在儀器架中或永久安裝。航空航太、航海或軍事系統的封裝採用不同類型的設計標準。

電子封裝的設計和產品化涉及多個學科領域，包括動力學、應力分析、熱力和流體力學、化學、材料科學、製造工程等。高可靠性設備通常需要經受跌落測試、鬆散貨物振動、固定貨物振動、極端溫度、濕度、浸水或噴水、雨水、陽光（紫外線、紅外線和可見光）、鹽霧、爆炸衝擊等多種考驗，這些 要求超出了電氣設計範圍並與電氣設計相互作用。

電子組件包括組件設備、電路卡組件（CCA）、連接器、電纜，以及可能未安裝在電路卡上的零件（如變壓器、電源、繼電器、開關等）。

許多電氣產品需要大量、低成本地製造零件，例如外殼或蓋子，透過注塑、壓鑄、熔模鑄造等技術。這些產品的設計需要考慮生產方法，尺寸和公差以及工裝設計。有些零件可以透過專門的工藝製造，例如金屬外殼的石膏鑄造和砂鑄。

在電子產品設計中，電子封裝工程師進行分析，以估計在最惡劣的環境條件下組件的最高溫度、結構諧振頻率、動態應力和變形等。這些知識對於防止電子產品立即或過早故障非常重要。

## 設計注意事項

設計師在選擇封裝方法時必須平衡許多目標和實際考慮。

- 需要防範的危險：機械損壞、暴露於天氣和污垢、電磁干擾等
- 散熱要求
- 模具資本成本和單位成本之間的權衡
- 首次交付時間和生產率之間的權衡
- 供應商的可用性和能力
- 使用者界面設計和便利性
- 需要維護時易於接觸內部零件
- 產品安全並符合監管標準
- 美觀和其他營銷考慮因素
- 使用壽命和可靠性

### 鈑金

衝壓成型金屬板材是電子封裝中最古老的一種類型。它具有很高的機械強度，可以為產品提供電磁屏蔽功能，並且可以輕鬆用於原型和小批量生產，而定製工具費用很少。

### 鑄造金屬

金屬鑄件有時帶有墊片，用於包裝在極端惡劣環境下的電子設備，比如重工業、船舶或深水作業。鋁壓鑄件比鐵或鋼砂鑄件更為常見。

### 機加工金屬

電子封裝有時是通過將固體金屬塊（通常是鋁）加工成複雜的形狀來製造的。它們在航空航天微波組件中相當常見，其中精密傳輸線需要複雜的金屬形狀，並與密封外殼相結合。數量往往較小；有時只需要一個定製設計單元。零件成本很高，但定製工具的成本很少或沒有，而且首件交付只需半天時間。選擇的工具是數控立式銑床，可自動將電腦輔助設計（computer-aided design，CAD）文件轉換為刀具路徑命令文件。

### 模壓塑料

模製塑料外殼和結構零件可以通過多種方法製造，在零件成本、模具成本、機械和電氣性能以及組裝簡易性方面進行權衡。例如注射成型、傳遞成型、真空成型和模切。Pl可以進行後處理以提供導電錶面。

### 灌封

灌封也稱為「封裝」，包括將零件或組件浸入液體樹脂中，然後將其固化。另一種方法是將零件或組件放入模具中，將灌封料（環氧塑封料）倒入其中，固化後不移開模具，成為零件或組件的一部分。灌封可以在預成型灌封殼中進行，也可以直接在模具中進行。如今，它最廣泛用於保護半導體元件免受潮濕和機械損壞，並用作將引線框架和晶片固定在一起的機械結構。在早期，它經常被用來阻止對作為印刷電路模塊構建的專有產品進行逆向工程。它也常用於高壓產品中，使帶電部件放置得更近（由於灌封膠的高介電強度而消除電暈放電），從而使產品可以更小。這也排除了敏感區域的污垢和導電污染物（例如不純水）。另一個用途是通過填充所有空隙來保護深潛物品（例如聲納換能器）免於在極端壓力下崩潰。灌封可以是硬質的，也可以是軟質的。當需要無空隙灌封時，通常的做法是在樹脂仍為液體時將產品放入真空室中，保持真空幾分鐘，以將空氣從內部空腔和樹脂本身中抽出，然後釋放真空。大氣壓力使空隙塌陷並迫使液態樹脂進入所有內部空間。真空灌封最適合通過聚合而不是溶劑蒸發來固化的樹脂。

### 孔隙密封或浸漬

孔隙密封或樹脂浸漬與灌封類似，但不使用外殼或模具。將零件浸入可聚合單體或溶劑型低粘度塑料溶液中。流體上方的壓力降低至完全真空。真空釋放後，流體流入零件中。當部件從樹脂浴中取出時，將其排乾和/或清潔，然後固化。固化可以包括聚合內部樹脂或蒸發溶劑，從而在不同電壓組件之間留下絕緣介電材料。孔隙密封（樹脂浸漬）填充所有內部空間，並且可能會或可能不會在表面上留下薄塗層，具體取決於洗滌/沖洗性能。真空浸漬孔隙密封的主要應用是提高變壓器、螺線管、疊片或線圈以及一些高壓元件的介電強度。它可以防止在緊密間隔的帶電錶面之間形成電離並引發故障。

### 液體灌裝

液體填充有時用作灌封或浸漬的替代方法。它通常是一種介電流體，選擇它是為了與現有的其他材料具有化學兼容性。這種方法主要用於大型電氣設備，例如公用變壓器，以提高擊穿電壓。它還可用於改善傳熱，特別是如果允許通過熱交換器通過自然對流或強制對流進行循環。與灌封相比，液體填充物可以更容易地移除以進行修復。

保形塗層是通過多種方法塗覆的薄絕緣塗層。它為精密部件提供機械和化學保護。它廣泛用於批量生產的產品，例如軸向引線電阻器，有時也用於印刷電路板。它可能非常經濟，但要實現一致的工藝質量有些困難。

### 球頂封裝

球頂封裝是COB封裝工藝中的一種保護手段，也屬於「敷形塗層」（conformal coating）的一種變體。該工藝通過在半導體晶片及其引線鍵合區域上覆蓋一滴專門配製的環氧樹脂或樹脂材料，以提供機械支撐，並防止如指紋殘留等污染物干擾電路的正常工作。球頂封裝廣泛應用於電子玩具和低端電子設備中。

### 板上晶片

表面貼裝LED經常以板上晶片（COB）配置形式出售。這些器件中，各個二極體安裝在一個陣列中。與單獨安裝的LED（甚至是表面貼裝型）相比，它們能夠在更小的整體封裝中產生更大的光通量，並具有更強的散熱能力。

### 密封金屬/玻璃外殼

密封金屬包裝始於真空管行業，完全防漏的外殼對於操作至關重要。該行業開發了玻璃密封電氣饋通，使用Kovar等合金來匹配密封玻璃的膨脹係數，以便在管升溫時最大限度地減少關鍵金屬-玻璃粘合處的機械應力。後來的一些管子使用金屬外殼和饋通件，並且只有各個饋通件周圍的絕緣材料使用玻璃。如今，玻璃密封封裝主要用於航空航天領域的關鍵部件和組件，即使在溫度、壓力和濕度極端變化的情況下也必須防止洩漏。

### 氣密陶瓷封裝

對於某些產品來說，由嵌入在平坦陶瓷頂蓋和底蓋之間的玻璃糊層中的引線框架組成的封裝比金屬/玻璃封裝更方便，但具有相同的性能。例如陶瓷雙列直插式封裝形式的積體電路晶片，或陶瓷基板上晶片組件的複雜混合組件。這種類型的封裝也可以分為兩種主要類型：多層陶瓷封裝（如LTCC和HTCC）和壓制陶瓷封裝。

### 印刷電路組件

印刷電路主要是一種將組件連接在一起的技術，但它們也提供機械結構。在某些產品中，例如電腦配件板，它們就是現有的結構。這使它們成為電子封裝領域的一部分。

## 可靠性評估

典型的可靠性鑑定包括以下類型的環境壓力：

- 老化
- 溫度循環
- 熱衝擊、表面輻射係數
- 可焊性、飛針測試
- 高壓蒸煮
- 視力檢查、AOI自動光學檢測
- 氣密性/防潮性
- 濕熱測試
- 耐燃燒性、耐溶劑性
- 電流產生的溫升、熱耗，外部熱源引起的溫升

濕熱試驗在具有溫度和濕度的室內進行。它是用於評估產品可靠性的環境壓力測試。典型的濕熱測試為85°C溫度和85%相對濕度（簡稱 85°C/85%RH）。試驗過程中，定期取出樣品，測試其機械或電性能。一些與濕熱試驗相關的研究工作可以參見參考文獻。

## 相關

- 半導體封裝
- 積體電路封裝
- 封裝（消歧義）
- 包裝