Packaging of integrated circuit sensors.

Emballage électronique

Bienvenue dans le monde de l'emballage électronique. Que vous soyez nouveau sur le sujet ou que vous soyez un ingénieur expérimenté à la recherche d’informations techniques détaillées, cette page Web répond à tous les niveaux d’expertise. Elle sert de centre de connaissances, où vous trouverez une ressource complète destinées à un très large public : des ingénieurs, des fabricants ou des fournisseurs en électronique aux amateurs de technologie.

Si vous souhaitez un récapitulatif des principes de base, vous pouvez commencer par le début. Si vous souhaitez plutôt approfondir vos connaissances, vous pouvez directement passer aux technologies. De même, vous pouvez explorer les sous-pages relatives aux matériaux et à la conception, ainsi que les aspects importants concernant la fiabilité.

La section concernant les futures tendances vous offre un aperçu des innovations EP passionnantes qui vous attendent. Pour plus d’informations sur les solutions d’emballage proposées par SCHOTT, veuillez consulter l’aperçu des principaux produits.

Définition

Qu’est-ce que l’emballage électronique ?

L’emballage électronique est un terme qui peut être appliqué aussi bien aux procédures impliquées dans l’emballage électronique qu’aux produits ou systèmes finaux résultant de ces processus.

Elle inclut la conception et la fabrication de structures et de boîtiers qui protègent les composants électroniques, les dispositifs semi-conducteurs et les systèmes contre les dommages physiques, les contraintes environnementales et les interférences électromagnétiques tout en garantissant qu’ils fonctionnent correctement. Il s’agit également de sélectionner les meilleurs matériaux et la meilleure conception pour garantir la durabilité des composants et leur conférer diverses fonctionnalités telles que la prévention des décharges électrostatiques (ESD).

Aujourd’hui, l’emballage électronique est une partie importante de la vie quotidienne, car les composants, appareils et systèmes électriques sur lesquels nous nous appuyons quotidiennement – des smartphones aux ordinateurs, etc. – nécessitent tous un certain type d’emballage.

Quelles sont les principales fonctions des emballages électroniques ?

Support mécanique

À son niveau le plus basique, l’emballage de qualité offre un moyen fiable de fixer un composant ou un dispositif électronique à un système. Par exemple, l’unité centrale d’un ordinateur est solidement fixée à la carte de circuit imprimé principale et protégée par un boîtier qui garantit qu’elle reste en place pendant le fonctionnement.

Isolation électrique

L’emballage fournit généralement les connexions nécessaires pour alimenter l’électronique et transférer des signaux tels que le courant continu ou les fréquences radio. Il permet la transmission de signaux, le reroutage et les connexions d’entrée et de sortie (E/S). Par exemple, dans un smartphone, l’emballage comprend les connecteurs de carte de circuit imprimé qui permettent de charger le smartphone, de se connecter au Wi-Fi, etc.

Protection contre les facteurs environnementaux

L’emballage protège l’électronique de l’humidité, de la température, de la pression, des vibrations et des produits chimiques. Il empêche ou réduit la corrosion des semi-conducteurs et prolonge la durée de vie de l’appareil dans des environnements difficiles tels que l’espace extérieur, les centrales nucléaire ou l’intérieur du corps humain. Dans les satellites, l’emballage protège les composants électroniques des changements de température, des rayonnements et du vide.

Gestion thermique

En règle générale, pour chaque augmentation de 10 °C de la température de l’appareil, la durée de vie est réduite de moitié environ. Une gestion efficace de la température, souvent à l’aide de dissipateurs thermiques, est essentielle pour protéger les semi-conducteurs sensibles. Par exemple, dans un ordinateur portable, des dissipateurs thermiques et des matériaux d’interface sont utilisés pour empêcher la surchauffe de l’unité centrale et la défaillance des semi-conducteurs.

Quelles sont les applications courantes où l’emballage électronique est important ?

Aujourd’hui, les emballages électroniques se trouvent presque partout, des appareils portables aux satellites qui résistent à des conditions difficiles dans l’espace. Comme il joue un rôle central dans un grand nombre de domaines divers, il est impossible de répertorier toutes ses utilisations sur une seule page.

Exemples d’applications courantes :

Sleeping child in a car seat
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Automobile

Les solutions d’emballage sont essentielles pour protéger les composants électroniques et pyrotechniques et les capteurs qui garantissent la sécurité des passagers et le bon fonctionnement des véhicules. L’emballage est essentiel dans les unités de commande électriques qui pilotent les systèmes de la voiture et se retrouve également dans les systèmes LiDAR innovants utilisés pour l’assistance à la conduite.

Man looking at his smart watch
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Électronique grand public

Les composants de boîtier pour smartphones, tablettes, ordinateurs portables et appareils de consommation portables tels que les montres intelligentes ou les écouteurs sont essentiels pour garantir à la fois la fonctionnalité et l’esthétique.

Satellite in space
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Défense et aérospatiale

Les composants et systèmes électroniques utilisés dans la défense et l’aérospatiale nécessitent généralement un emballage hermétique pour résister à des conditions extrêmes et offrir une fiabilité critique.

Industrial plant
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Industrie

Les composants électroniques dans les applications de fabrication et d’automatisation industrielle ont souvent besoin d’un emballage spécialisé pour protéger les dispositifs de contrôle et les capteurs contre les conditions difficiles, qui résultent des produits chimiques et d’autres contaminants afin de fonctionner de manière fiable.

Medical professionals perform surgery.
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Dispositifs médicaux

Un emballage fiable est essentiel pour les dispositifs tels que les stimulateurs cardiaques, les pompes à insuline et les équipements de surveillance afin de garantir la fiabilité et la sécurité des patients. Les composants électroniques utilisés dans les dispositifs chirurgicaux tels que les endoscopes et les outils d’électrocautérisation doivent être correctement encapsulés pour faciliter la stérilisation.

Several cables connected to a telecommunication system.
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Télécommunications

Avec des exigences de vitesse de transmission de données de plus en plus élevées, les systèmes d’infrastructure de télécommunications ont besoin d’une protection fiable et d’une gestion efficace de la chaleur pour garantir une transmission de données à haut débit. Un emballage de haute qualité est essentiel pour les dispositifs optiques spécialisés tels que les lasers.

TECHNOLOGIES :

Technologie d'emballage électronique

Quels sont les différents niveaux d’emballage des systèmes électroniques ?

L’emballage des systèmes électroniques peut être classé en niveaux hiérarchiques. Le niveau auquel l’emballage appartient dépend de facteurs tels que les besoins de l’application, les conditions environnementales, les contraintes de taille et les considérations de coût. Cliquez sur les signes « plus » dans le graphique ci-dessous pour en savoir davantage sur les différents niveaux.

Niveaux d’emballage électronique

Niveau de wafer

Le processus de fabrication des semi-conducteurs commence souvent par le traitement d’une plaquette de silicium, qui implique la préparation, le nettoyage et d’autres étapes pour créer des circuits intégrés. Ces étapes peuvent inclure la photolithographie et la gravure pour définir les modèles de circuit. Après ces processus, la plaquette est coupée en puces ou en matrices individuelles, chacune étant ensuite prêt pour les boîtiers de circuits intégrés.

Niveau 0 – Puce de circuit intégré

Ce niveau d’emballage protège les circuits intégrés individuels, également appelés micropuces ou matrices. Il peut être non hermétique ou hermétique et fournit des connexions électriques à la puce tout en la protégeant des contraintes mécaniques et thermiques. L’emballage hermétique offre le plus haut niveau de protection contre les facteurs environnementaux, tandis que l’emballage non hermétique offre une option économique pour les cas d’utilisation moins exigeants.

Niveau 1 – Composant

Pour l’emballage au niveau des composants, les composants individuels, tels que les circuits intégrés, les transistors, les diodes et les résistances, sont enfermés dans des boîtiers de protection. Cela offre une protection contre les dommages physiques, la contamination et les interférences électromagnétiques. Les emballages hermétiques peuvent être utilisés pour des solutions personnalisées qui répondent à des exigences environnementales, de taille, de gestion de la chaleur ou d’exploitation spécifiques.

Niveau 2 – Carte de circuit imprimé

Les cartes de circuits imprimés constituent la colonne vertébrale de la plupart des composants électroniques en procurant des connexions électriques et un support mécanique pour les composants. Une fois les composants montés sur les cartes de circuits imprimés, les cartes peuvent être protégées par des boîtiers de protection.

Niveau 3 – Module

À ce niveau, un module fonctionnel est fabriqué en intégrant plusieurs composants, cartes de circuits imprimés ou circuits imprimés sur un seul substrat ou une seule carte mère. L’emballage au niveau des modules rationalise l’assemblage et les tests et peut améliorer les performances et la fiabilité de divers types de modules, y compris les modules de mémoire, les modules radiofréquence et les modules d’alimentation.

Niveau 4 – Système

Pour l’emballage au niveau du système, un système ou un produit complet est placé dans un boîtier ou une enceinte de protection. Plusieurs cartes de circuits imprimés, modules et sous-systèmes peuvent être intégrés dans un seul boîtier pour créer des systèmes essentiels pour l’électronique grand public, les équipements industriels et d’autres produits complexes.

Niveau de wafer

Niveau 0 – Puce de circuit intégré

Niveau 1 – Composant

Niveau 2 – Carte de circuit imprimé

Niveau 3 – Module

Niveau 4 – Système

Quels sont les différents types d’emballages électroniques ?

Les types d’emballages peuvent aller de simples boîtiers en plastique à des emballages spécialisés en céramique ou verre-métal. Le choix de l’emballage dépend de nombreux facteurs, notamment le type et la taille du composant, les exigences de l’application, les considérations relatives à la dissipation de chaleur, les caractéristiques électriques et le processus de fabrication. Une autre question clé est de savoir s’il faut un joint entièrement hermétique.

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Boîtiers CI

Les boîtiers de circuits imprimés offrent une protection physique, des connexions électriques et une gestion de la température pour les micropuces individuelles. Les boîtiers de circuits intégrés peuvent être subdivisés en boîtiers montés en surface (par ex. boîtiers quad-flat, boîtiers à billes BGA, boîtiers à l’échelle de la puce, boîtiers à matrice nue, etc.) les boîtiers à matrice de broches et les boîtiers à insertion tels que les boîtiers de Transistor Outline (TO).
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Boîtiers de cartes de circuits imprimés et à modules multi-puces (MCM)

Le boîtier de carte de circuit imprimé encapsule une ou plusieurs cartes de circuits imprimés sur lesquelles les circuits intégrés et autres composants électroniques sont fixés et interconnectés. Sur un circuit imprimé classique, tous les composants sont déjà emballés individuellement. En revanche, les emballages MCM intègrent plusieurs circuits intégrés ou matrices emballés et non emballés dans un seul module. L’ensemble du MCM est généralement logé dans un emballage de protection supplémentaire. Les supports MCM hermétiques sont utilisés pour les cas d'exposition à des contraintes telles que l’humidité, la poussière, les gaz et d’autres facteurs environnementaux. Lorsque l’accent est mis sur la rentabilité et que les exigences d’application sont moins exigeantes, il est possible d'utiliser des MCM non hermétiques.
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Emballages optoélectroniques

L’industrie optoélectronique travaille avec une large gamme de solutions d’emballage, chacune conçue pour des cas d’utilisation optoélectroniques spécifiques. À titre d'exemple, on peut citer les boîtiers de transistor-outline-can (TO-can) et les fenêtres et lentilles optiques pour lasers, les boîtiers pour LED, les connecteurs à fibre optique et les boîtiers personnalisés pour composants optiques, tels que les miroirs de systèmes micro-électromécaniques (MEMS).
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Conditionnement des MEMS et des capteurs

Les boîtiers de protection contribuent à garantir l’intégrité et la fonctionnalité des MEMS et des capteurs. Selon l’industrie, il est possible d’utiliser des emballages personnalisés, des boîtiers pour capteurs et des boîtiers spécialisés.
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Encapsulation des plaquettes (WLP)

Le conditionnement traditionnel des semi-conducteurs implique de découper des plaquettes en puces individuelles avant le conditionnement. À l’inverse, avec l'encapsulation des plaquettes, la plaquette entière est traitée en premier. Cela inclut la création d’interconnexions et l’application d’une couche de protection. Ce n’est qu’après cette étape de conditionnement que la plaquette est découpée ou coupée en dés dans des dispositifs individuels. Les avantages de la WLP incluent la miniaturisation, la rentabilité et le rendement des appareils électroniques. Les options WLP incluent les WLP fan-in, les WLP fan-out à travers le silicium via la technologie, les circuits intégrés 3D, les interposeurs en silicium et système en boîtier. Une WLP hermétique hautement fiable est possible grâce à une solution entièrement en verre de SCHOTT Primoceler.
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Connecteurs, embases et traversées

Les connecteurs, les embases et les traversées facilitent les connexions dans les systèmes électroniques. Des versions non hermétiques ou hermétiques peuvent être utilisées, en fonction des considérations environnementales, de longévité et de coût. Les connecteurs établissent des liaisons électriques ou mécaniques, permettant la connexion et la déconnexion répétées de câbles, de fils ou d’appareils avec des pièces mâles et femelles. Les embases, qui ressemblent à des prises, établissent des connexions entre des composants ou des dispositifs et une carte de circuit imprimé. Elles sont disponibles dans différentes configurations de broches et peuvent être montées en surface ou à travers un trou. Les traversées transmettent l’alimentation et les signaux à travers les barrières ou les parois tout en maintenant une étanchéité qui empêche les fuites et protège contre la poussière, l’humidité, les gaz ou autres éléments intrusifs.
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Boîtiers de batteries

Les boîtiers, couvercles et capuchons protègent les batteries contre les dommages physiques et les facteurs environnementaux tout en permettant un fonctionnement sûr et fiable.
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Comment les emballages électroniques sont-ils fabriqués ?

Les emballages électroniques sont fabriqués à l’aide d’une série de processus de fabrication conçus pour enfermer et protéger les circuits intégrés et d’autres composants. En même temps, ils doivent fournir des connexions électriques et assurer une dissipation de chaleur correcte.

Le processus de fabrication varie pour

  • Les boîtiers de circuits intégrés traditionnels :
    Ici, la puce est placée directement sur le cadre en plomb sans qu’une cavité ne soit nécessaire. Des matériaux époxy conducteurs, un collage eutectique ou un brasage sont utilisés pour monter l’électronique sur le support respectif. L’électronique intégrée est ensuite reliée aux conducteurs par un processus de liaison de fils ou de flip chip. L’étape finale consiste à utiliser l’encapsulation ou le surmoulage pour s’assurer qu’aucun gaz ne reste entre la puce et le matériau d’encapsulation.

  • Les boîtiers à cavité :
    Certains boîtiers, en particulier ceux utilisés pour les composants optiques ou les systèmes micro-électromécaniques (MEMS), peuvent nécessiter une cavité pour maintenir ou monter les composants électroniques et optiques. Des traversées sont intégrées pour permettre le passage des signaux électriques et de l’alimentation à travers l’enceinte. L’environnement à l’intérieur de l’emballage peut être de l’air ambiant, de l’air sec, un gaz d’insertion ou un vide. Une fois l’environnement interne souhaité obtenu, la cavité est fermée ou scellée.

 

 

Étapes clés de la fabrication d’emballages électroniques traditionnels

  • Design et choix des matériaux :
    La conception de l’ensemble tient compte du type, de la taille, de la puissance et de l’environnement des composants. Les matériaux, y compris le substrat et les interconnexions, sont choisis, ainsi que les composants de gestion de la température.
  • Accessoire de matrice :
    Une matrice semi-conductrice, ou puce, est fixée à un substrat ou à un emballage à l’aide de matériaux adhésifs, d’un collage eutectique de puces ou d’un brasage.
  • Branchement des câbles :
    La matrice est connectée aux fils de l’emballage à l’aide de fils fins (souvent en aluminium ou en or). Cette étape établit les connexions électriques entre la puce et le monde extérieur.
  • Encapsulation/étanchéité :
    Les composants et les câbles sont scellés dans de la résine de protection qui les protègent contre les dommages et l’environnement. Pour une étanchéité hermétique, un couvercle ou un capuchon métallique est soudé ou brasé pour créer une enceinte étanche au vide autour des composants.
  • Contrôles et inspections :
    Les emballages sont rigoureusement testés pour garantir la qualité et les performances.

 

Regardez les courtes vidéos suivantes pour approfondir chaque étape clé.

Matériaux et conception
Fiabilité
Man in front of a screen

Matériaux et conception des emballages électroniques

Apprenez-en davantage sur les matériaux typiques et leurs cas d’application, ou plongez dans les principes de conception courants. Vous trouverez ici des détails sur la technologie de système en boîtier ainsi que sur l’importance de la gestion thermique.

Woman looking through a microscope.

La ,fiabilité dans l’emballage électronique

Répondons aux questions relatives à la fiabilité dans la conception électronique. Vous comprendrez ce qu'est l’emballage et le scellement hermétiques et pourquoi ils sont nécessaires. Découvrez les différents degrés de protection des emballages de puces et de modules électroniques.

Tendances

Futures tendances dans l’emballage électronique

Qu’est-ce qui stimule le développement des emballages électroniques ?

Un certain nombre de facteurs influencent le développement des matériaux, des conceptions et des processus de fabrication pour répondre aux exigences en constante évolution de l’industrie électronique. Parmi les principaux moteurs de l’innovation figurent la miniaturisation, la fiabilité et le rendement énergétique. Malgré le besoin continu d’augmenter la fonctionnalité et les performances, il existe également une pression simultanée pour réduire les coûts.

En ce qui concerne les tendances spécifiques, il faut intégrer le plus de fonctionnalités possible directement sur la puce de semi-conducteur. Les approches système sur puce (SoC) et système en boîtier (SiP), par exemple, sont utilisées pour intégrer un large éventail de composants et de fonctions sur des puces uniques pour les applications mobiles ou l’Internet des objets.

Lorsque plusieurs fonctions sont intégrées sur une seule puce, il est nécessaire d'emballer un seul appareil, au lieu de plusieurs composants individuels. Cela simplifie le processus d’emballage global tout en augmentant les performances, en réduisant la consommation d’énergie et en réduisant le facteur de forme global.

Des efforts sont également déployés pour effectuer davantage de processus d’emballage au niveau des plaquettes, où plusieurs puces peuvent être traitées simultanément. Cela optimise l’efficacité de la production et le rendement global, tout en réduisant également le besoin d’emballages traditionnels.

Comment les emballages électroniques peuvent-ils répondre aux exigences de su marché de la miniaturisation ?

Aujourd’hui, la miniaturisation est l’une des tendances les plus importantes dans la technologie des emballages électroniques. Qu’il s’agisse d’un nouveau dispositif médical ou de la dernière technologie portable, le besoin de composants plus petits, plus légers et plus écoénergétiques repoussent les limites.

Alors que les appareils ne cessent devenir plus petits, de nouvelles approches sont envisagées pour créer des emballages légers et compacts tout en offrant une protection supérieure. Il s’agit notamment de l’empilage de puces et de l’emballage 3D, qui optimisent l’utilisation de l’espace, lequel est limité à l’intérieur des smartphones. À mesure que les composants électroniques deviennent plus petits, il est également devenu possible de les intégrer de manière transparente dans les tissus et les substrats flexibles. Cela permet une gamme de fonctions entièrement nouvelles telles que le suivi des signes vitaux et l’amélioration des performances sportives. Avec ces technologies avancées, de nouveaux types de solutions d’emballage spécialisées, compactes et biocompatibles sont nécessaires pour protéger et intégrer ces composants électroniques. Le mouvement plus large de sensibilisation à l'environnement dans l’électronique grand public a également mis de plus en plus l’accent sur l’utilisation de matériaux durables.

Crayon par rapport à un capteur

Conclusion

L’emballage électronique est essentiel non seulement pour protéger les composants et les appareils électroniques, mais aussi pour garantir leur fonctionnalité et leurs performances. En intégrant également la gestion thermique, les connexions électroniques, la réduction des interférences et le soutien structurel, l’emballage électronique permet d’obtenir des dispositifs efficaces, fiables et adaptés à une grande variété d’industries. Alors que l’électronique devient de plus en plus intégrée dans la vie quotidienne, les solutions d’emballage continueront de s’adapter au besoin d’améliorer les performances, la compacité et la durabilité.

Produits

Auteur Robert Hettler, Directeur R&D Optoélectronique

Références

  • Roth, A. (1994), Vacuum sealing techniques, Oxford

  • Blackwell, G. (2017), The Electronic Packaging Handbook, IEEE Press

  • Harper, C., Miller, M. (1993), Electronic Packaging, Microelectronics and Interconnection Dictionary, McGraw-Hill, Inc.

  • John Lau, C.P. Wong, John L. Prince, Wataru Nakayama (1998), Electronic Packaging, Design, Materials, Process and Reliability, McGraw-Hill, Inc.

  • Schneider, S. (1991), Engineered Materials Handbook, Volume 4, Ceramics and Glasses, The Materials Information Society

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Robert Hettler, Head of R&D Opto-electronics at SCHOTT
Robert Hettler

Directeur R&D Optoélectronique