Electronic Packaging Material & Design
Welche Materialien werden beim Electronic Packaging verwendet?
Entdecken Sie die große Vielfalt an Materialien und deren typische Anwendungsfälle:Kleb- und Dichtstoffe:
Bei elektronischen Gehäusen werden häufig Klebstoffe und Dichtungsmittel wie Epoxidharz und Silikonkautschuk verwendet.
Epoxid bietet eine starke Haftung, während Silikon Flexibilität und Feuchtigkeitsbeständigkeit liefert.
Verbundwerkstoffe:
Glasfaser-Epoxid (FR-4) wird aufgrund seiner elektrischen Isolationseigenschaften häufig für Leiterplatten verwendet.
Metallmatrix-Verbundwerkstoffe kombinieren Metalle mit Keramik, um ein Material zu erschaffen, das aufgrund seiner verbesserten thermischen Leistung für Kühlkörper nützlich ist.
Metalle:
Metalle sind ein gängiges Material beim Electronic Packaging. Die Auswahl des Metalls hängt davon ab, welche Leitfähigkeit, thermische Eigenschaft und Umweltschutz erforderlich ist.
Aluminium wird häufig für leichte Gehäuse und Kühlkörper verwendet, während Kupfer für elektrische Anschlüsse geeignet ist. Stahl bietet eine ausgezeichnete strukturelle Unterstützung und Abschirmung.
Nickel und Zinn sind eine gute Wahl für die Korrosionsbeständigkeit, während Gold ideal für hochzuverlässige Steckverbinder ist.
Verschiedene Legierungen wie Berylliumkupfer und magnetische Legierungen können auch für spezielle Anwendungen nützlich sein.
Kunststoffe:
Polyethylen, Polypropylen und Polyvinylchlorid werden häufig zur kostengünstigen elektrischen Isolierung und zum Schutz elektronischer Komponenten vor Feuchtigkeit und Staub verwendet.
Polycarbonat – bekannt für seine Stoßfestigkeit und Transparenz – wird häufig zur Herstellung von Schutzhüllen für Geräte mit Displays verwendet.
Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) bietet ein gutes Gleichgewicht zwischen Festigkeit und Stoßfestigkeit für Gehäuse und strukturelle Komponenten.
Kunststoffe wie Polyetheretherketon (PEEK) werden zur Herstellung von feuchtigkeitssperrenden Dichtungen verwendet, sind aber nicht hermetisch.
Synthetische Harze wie Acrylate oder Epoxide werden häufig beim Spritzgießen verwendet. Dabei wird das synthetische Harz erhitzt, bis es biegsam wird, und dann in einen Formhohlraum gedrückt, um das Halbleitergerät zu verkapseln.
Keramik:
Aluminiumoxid wird bei Gehäusen zur elektrischen Isolierung und Wärmeleitfähigkeit verwendet.
Aluminiumnitrid besitzt ausgezeichnete elektrische Isolations- und Wärmemanagement-Eigenschaften.
Eine weitere gängige Keramik ist Siliziumkarbid, das für seine hohe Wärmeleitfähigkeit und den Einsatz in Hochleistungselektronik bekannt ist.
Thermische Schnittstellenmaterialien:
Diese Materialien leiten Wärme, wenn sie zwischen festen Oberflächen platziert werden. Im Zusammenhang mit Gehäusen werden häufig thermische Schnittstellenmaterialien in Form von Fetten und Pads zwischen wärmeerzeugenden Komponenten und Kühlkörpern eingesetzt, um eine Überhitzung durch eine weitere Verbesserung der Wärmeübertragung und des Temperaturmanagements zu verhindern.
Schaumstoffe und Dichtungen:
Polyurethan- und Silikonschaumstoffe sind flexible und weiche Materialien, die zur Stoßdämpfung und als gepolsterte Barriere verwendet werden. Dichtungen – in der Regel aus Gummi, Silikon oder Neopren – werden verwendet, um das Eindringen von Feuchtigkeit, Staub oder elektromagnetischen Störungen zu verhindern.
Metallisierung und Beschichtungen:
Die Metallisierung oder Beschichtung elektronischer Komponenten kann Funktionen wie elektrische Leitfähigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Umweltschutz verbessern. Gold, Silber und Kupfer werden häufig verwendet, um die elektrische Leitfähigkeit zu erhöhen, während Nickel, Palladium, Zinn und Platin verwendet werden können, um die Oxidation, Korrosionsbeständigkeit und ästhetische Eigenschaften zu verbessern.
Glas:
- Glas ist eine Schlüsselkomponente hermetischer Glas-Metall-Dichtungen, die verschiedene Glasarten mit Metallen mit kompatiblen Wärmeausdehnungskoeffizienten kombinieren.
- Für aufeinander abgestimmte Glas-Metall-Dichtungen — die aus Materialien mit ähnlichen thermischen Eigenschaften hergestellt werden – können Kovar, Stahl oder Edelstahl sowie Aluminiumkeramik verwendet werden.
- Für Glas-Metall-Kompressionsdichtungen, bei denen thermische Unterschiede verwendet werden, um ein mechanisch robustes Gehäuse zu schaffen, werden üblicherweise Kohlenstoffstahl, eine Superlegierung auf Nickel-Chrom-Basis, bekannt als Inconel, und Nickeleisen verwendet.
- Titan oder Platin sind typischerweise die Materialien der Wahl, wenn Biokompatibilität wichtig ist. Glas- und Glas-Metall-Dichtungen werden nicht nur für das Packaging eingesetzt, sondern finden auch breite Anwendung bei optischen Fenstern, Kappen und Abdeckungen.
Gängige Glasarten, die beim Electronic Packaging verwendet werden
- Bietet eine hohe thermische Beständigkeit und einen niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, wodurch es sich für Anwendungen mit erheblichen Temperaturveränderungen eignet.
- Typische Anwendungen sind hermetisch abgedichtete Glas-Metall-Komponenten wie Sensorgehäuse oder Steckverbinder.
- Geschmolzenes Siliziumdioxid, auch Quarzglas genannt, bietet günstige optische Eigenschaften und eine hohe UV- und Infrarottransparenz.
- Typische Anwendungen sind optische Komponenten, Hochfrequenzgeräte und Halbleitersubstrate.
Aufgrund seiner thermischen und mechanischen Eigenschaften wird Aluminosilikatglas häufig in Anwendungsfällen eingesetzt, die eine hohe Robustheit und Stoßfestigkeit erfordern.
- Glaskeramik kombiniert die vorteilhaften Eigenschaften von Glas und Keramik. Wie Gläser können sie direkt mit Metallen versiegelt werden, ohne dass Schnittstellenmaterialien erforderlich sind. Darüber hinaus bieten sie eine thermische Stabilität und mechanische Festigkeit, die mit der von Keramik vergleichbar ist.
- Zu den Anwendungen gehören Gehäusekomponenten und Dichtungsmaterialien in Umgebungen mit hohen Temperaturen.
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- Passivierungsgläser werden häufig als Passivierungsschichten oder Passivierungsbeschichtungen bezeichnet und werden in elektronischen Gehäusen verwendet, um Halbleitergeräten und elektronischen Komponenten dünne Schutzschichten hinzuzufügen.
- Diese Schutzschichten verhindern Korrosion, erhöhen die Zuverlässigkeit und schützen vor Umwelteinflüssen wie Feuchtigkeit, die die Leistung des Halbleiters beeinträchtigen können.
- Passivierungsgläser sind typischerweise Pb-Si-Borat-, Zn-Borat- oder Borosilikatgläser.
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- Dank ihres niedrigen Erweichungspunkts (unter 550°C) ermöglichen Lotgläser (auch Frittengläser genannt) das Bonden von Glas mit Keramik, Metallen oder anderen Gläsern, ohne thermische Schäden zu verursachen.
- Beim Glaslot-/Klebeverfahren wird das Lotglas (in der Regel in pulverförmigem oder vorgeformtem Zustand) auf die zu verbindenden Oberflächen aufgetragen und anschließend bis zum Erweichungspunkt erhitzt. Das Glas verflüssigt sich und geht beim Abkühlen eine Verbindung ein.
- Glaslöten wird häufig in Anwendungen wie optoelektronischen Gehäusen, MEMS-Gehäusen und der Versiegelung von Anzeigegeräten verwendet.
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- Einige Electronic Packaging Anwendungen erfordern spezielle Glastypen mit spezifischen Materialeigenschaften, wie z. B. Beständigkeit gegen Elektrolyte, Strahlung oder Glastypen mit niedriger Dielektrizitätskonstante (z. B. mikroelektronische Anwendungen).
SCHOTT bietet Hunderte von Standardgläsern an, entwickelt aber stets auch neue Gläser für neue Anwendungen und Kundenanforderungen.
- Obwohl Saphir keine Glasart ist, sondern eine kristalline Form von Aluminiumoxid, bietet er ähnliche Eigenschaften wie Glas wie zum Beispiel ausgezeichnete optische Transparenz, Härte und elektrische Isolierung.
- Beim Electronic Packaging wird Saphir häufig als Halbleitersubstrat oder zur Herstellung optischer Fenster und Kappen verwendet.
Was ist Electronic Packaging Design?
Bei der Gestaltung elektronischer Gehäuse kommt eine Vielzahl von Faktoren ins Spiel.In jedem Designpuzzle werden die verschiedenen Teile vor allem von der Umgebung beeinflusst, in der die Elektronik eingesetzt wird, einschließlich der Temperatur- und Druckbereiche.
Anwendungsorientierte Designüberlegungen umfassen die für die elektrischen Durchführungen benötigte Spannung, den Strom und die Frequenz. Die Vermeidung elektrostatischer Entladungen (ESD) sowie die Kompatibilität mit anderen Materialien sind weitere Faktoren.
Und im Hintergrund die unbesungenen Helden: Herstellbarkeit, Größe und Kosten. Die Berücksichtigung dieser Elemente stellt sicher, dass das Design eine optimale Leistung bietet, sich aber auch in die praktische Landschaft einfügt.
Im Folgenden finden Sie einen Überblick über die häufigsten und wichtigsten Designüberlegungen:
Elektrisch
Elektronische Geräte müssen Signalintegrität, Stromverteilung und elektromagnetische Verträglichkeit aufweisen. Dies erfordert ein Design, das minimale Signalverluste, Rauschen und Interferenzen vermeidet, gleichzeitig aber auch effiziente Stromverteilungsnetze schafft und elektromagnetische Störungen bewältigt. Für einige Anwendungen muss das Gehäuse so konstruiert sein, dass es Hochfrequenzsignale durchlässt oder mit optischen Fenstern ausgestattet ist, die bestimmte Wellenlängen des Lichts ein- und auslassen. Es kann auch notwendig sein, das Gehäuse so zu gestalten, dass es Hochfrequenzrauschen und elektrostatische Entladungen blockiert.
Mechanisch
Bei den mechanischen Faktoren sind die strukturelle Integrität, die Größe und die Materialauswahl entscheidend. Gehäuse müssen physikalischen Belastungen standhalten, in den verfügbaren Raum passen und Materialien verwenden, die ihre Festigkeit und Haltbarkeit erhöhen. Die Möglichkeit, das Gerät einfach zu montieren und zu warten, ist ebenfalls für die Herstellung und Instandhaltung wichtig.
Thermisch
Überhitzung kann nicht nur zu frühzeitigen Ausfällen führen, sondern auch zu Sicherheitsproblemen. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, die Temperatur durch die Konstruktion von Kühlkörpern und Wärmepfaden und die Auswahl wärmeleitender Materialien zu steuern.
Optisch
Wenn ein Gerät optische Komponenten verwendet, sind Transparenz, Strahlformung, Antireflexbeschichtung und Lichtmanagement wichtige Überlegungen. Für eine optimale Leistung muss das Gehäusedesign Licht- oder optische Signale durchlassen und gleichzeitig Blendung und Reflexionen minimieren.
Was ist SIP im Electronic Packaging Design?
System-in-Package (SIP) ist eine fortschrittliche Gehäusetechnologie, die mehrere integrierte Schaltkreise (ICs) oder elektronische Komponenten – wie Mikrocontroller, Speicherchips, passive Komponenten oder Sensoren – in einem einzigen Gehäuse integriert. SIP ist eine Untergruppe von Microelectronic Packaging, die mehr Funktionalität bei geringerem Platzbedarf ermöglicht und so die Entwicklung von leistungsstarken elektronischen Systemen erlaubt, die kompakter und miniaturisierter sind. Zu den Varianten gehören Multi-Chip-Module (MCM), Package-on-Package und 3D-Packaging.
Obwohl SIP-Methoden generell für verschiedene Arten von Bauteilen verwendet werden können, sind MCM-Gehäuse speziell für die Integration von ICs geeignet. MCM-Gehäuse werden häufig eingesetzt, wenn hohe Leistung, Miniaturisierung und verbesserte Systemintegration unerlässlich sind. Es wird für Mikroprozessoren, Speichermodule und fortschrittliche elektronische Systeme wie Smartphones und Hochgeschwindigkeits-Datenkommunikationsgeräte verwendet.
Vorteile von MCM Packaging in der SIP-Technologie
Was ist Thermomanagement beim Electronic Packaging?
Ein effektives Temperaturmanagement beim Electronic Packaging Design ist unerlässlich, um die Elektronik innerhalb sicherer Betriebstemperaturen zu halten. Eine ausreichende Wärmeabfuhr kann auch die Zuverlässigkeit und Leistung von Geräten und Systemen verbessern. Bei bestimmten Anwendungen kann die von der Elektronik erzeugte Wärme das Gerät beschädigen oder seine Lebensdauer verkürzen. Beispielsweise erzeugen optische Sensoren und andere bildgebende Systeme große Wärmemengen, weil sie große Datenmengen erfassen. Bei Telekommunikationslasern ermöglicht eine bessere Kühlung den Einsatz von Lasern mit höherer Leistung ohne Überhitzung.
Für die Kühlung von Elektronik gibt es eine Reihe von Packaging Konzepten. Beispielsweise kann das Gerät thermisch mit dem Gehäuse verbunden werden, um eine thermische Masse bereitzustellen. Desweiteren können zwischen der Komponente und dem Gehäuse thermoelektrische Kühler hinzugefügt werden oder aber Materialien wie Aluminiumnitrid, die eine gute Leitfähigkeit haben, können als Isolatoren verwendet werden. Darüber hinaus können Kühlkörper in elektronische Gehäuse eingelötet werden.
Zentrale Aspekte des Thermomanagements:
- Design: Sorgfältiges Design von Leiterplattenlayouts, die Auswahl wärmeleitender Materialien und optimierte Kühlkörper können dazu beitragen, einen optimalen Luftstrom zu erreichen und Überhitzung zu verhindern.
- Simulation und Prüfung: Computermodellierung und reale, physikalische Messungen und Tests sind für die Bewertung und Validierung der thermischen Leistung von Materialien und Komponenten unerlässlich.
Gängige Materialien und Komponenten, die für das Wärmemanagement verwendet werden
Kühlkörper sind Metallkomponenten, die Wärme absorbieren und abführen und sie von elektronischen Komponenten fernhalten. Sie vergrößern die Oberfläche für die Wärmeübertragung und werden oft mit Ventilatoren oder anderen Kühlmethoden kombiniert.
Zu den thermischen Schnittstellenmaterialien gehören thermische Pasten oder thermische Pads, die zwischen einem Bauteil und einem Kühlkörper platziert werden können, um die Wärmeleitfähigkeit zu verbessern und den thermischen Widerstand zu reduzieren.
Aktive Kühlsysteme wie thermoelektrische Kühler, Lüfter, Rohre oder Flüssigkeitskühlung können Wärme von elektronischen Komponenten entfernen.
Materialien mit Phasenwechsel wechseln die Phase (z. B. von fest zu flüssig) bei einer bestimmten Temperatur und können verwendet werden, um Wärme während des Phasenübergangs zu absorbieren und freizusetzen.
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Robert Hettler
Head of R&D Opto-electronics