Термопласты обладают необходимыми свойствами для корпусирования электронных компонентов – термостойкостью, влагостойкостью, огнестойкостью и способностью к прецизионному формованию. Из них изготавливаются полые корпуса, в которые помещаются рамки выводов и чипы. Универсальный процесс формования корпусов – инжекционное прессование.
При всем многообразии видов полимеров основных классов пластиков всего два – термопласты и термореактопласты. При этом термин "пластики" обычно относится к термопластам. Поначалу (более 50 лет назад) электронная промышленность в основном использовала термореактопласты, которые выдерживали температуру пайки, в то время как новые тогда термопласты имели относительно низкие температуры плавления. У современных термопластов температура размягчения свыше 300°C, так что и бессвинцовая пайка для них не представляет проблемы [1, 2].
Корпусирование электронных компонентов
Корпус компонента выполняет множество функций, самая значимая из которых – создание электрического межсоединения электронного прибора и печатной платы. От корпуса требуется также защита от внешних воздействий, степень которой колеблется от очень низкой, например для пассивных компонентов, до высокой для ряда сложных устройств. К другим атрибутам корпуса относятся миниатюрность, повышение рабочих характеристик, отвод тепла, ремонтопригодность, контролепригодность, стандартизированность, пригодность для автоматических процессов. К этому длинному перечню добавляются уникальные требования таких новых приборов, как МЭМС, микрооптоэлектромеханические, оптоэлектронные, СВЧ- и грядущие наноэлектронные компоненты [3–5]. Корпуса электронных компонентов подразделяются на два больших класса: герметичные и негерметичные. К полностью герметичным приборам можно отнести ЭЛТ и электронные лампы, в которых поддерживается вакуум. В наше время только незначительное число электронных устройств нуждается в вакууме, причем на смену стеклянным оболочкам пришли керамические и металлические корпуса.
Хотя герметичный корпус обеспечивает отличную защиту, он во многих случаях дорог и избыточен. Прорыв в удешевлении корпусов произошел полстолетия назад успешным внедрением технологии негерметичного корпусирования пластиком в массовое коммерческое производство транзисторов. Низкая стоимость, автоматизация технологического процесса и удовлетворительная надежность сделали пластмассовый корпус стандартным. И сегодня пластиковые корпуса занимают около 95% рынка.
Эпоксид был первым успешным органическим материалом для корпусирования компонентов. Ингредиенты эпоксидов как термореактопластов смешиваются и обычно охлаждаются для предотвращения преждевременной полимеризации. Уже 50 лет для корпусирования чипов применяется процесс литьевого прессования. При нем сначала кристаллы с помощью адгезива прикрепляются к металлической рамке выводов, которая помещается в полость формы пресса. Расплавленный пластик из загрузочной камеры под давлением поступает в полость, покрывая там кристалл (рис.1). Для полной полимеризации эпоксида может потребоваться еще один нагрев.
После полимеризации эпоксиды невозможно расплавить даже при сильном нагреве. К сожалению, эта особенность не позволяет использовать их повторно, и отходы производства в основном трактуются как вредные материалы.
Эпоксидные смолы не обеспечивают достаточную защиту от газов и влаги, однако пассивация чипов позволяет большинству устройств удовлетворительно функционировать. Относительно высокое влагопоглощение вызывает беспокойство в связи с ростом температуры пайки. Многие считают, что термореактопласты достигли максимума своих возможностей и их производство будет сокращаться по мере ужесточения требований к корпусированию компонентов и производству печатных плат.
Термопласты
Термопласты, как и термореактопласты, состоят из длинных полимерных цепей, но их цепи не образуют поперечных связей. Эта, казалось бы, незначительная разница позволяет термопластикам не только плавиться, но при охлаждении возвращаться к твердому состоянию без изменения прежних свойств. Им легко придавать любую форму, и это свойство позволяет применять инжекционное формование и другие способы термоформования. Промышленное потребление термопластиков превышает тысячи тонн для широкого диапазона изделий – от тонких пленок до сложных микроструктур.
Современные термопласты превосходят эпоксидные композиции по многим параметрам. К примеру, ЖК-полимеры обладают в 10 раз более высокой влагостойкостью и легко формуются в прецизионные трехмерные структуры. В таблице приведены некоторые свойства ЖК-полимеров и других высокотемпературных термопластов.
Термопласты для корпусов
Инжекционное прессование. При изготовлении изделий из термопластов широкое распространение получило инжекционное прессование. Процесс начинается с расплавления полимерной массы с последующим ее инжектированием (впрыскиванием) в форму, где материал застывает, и готовое изделие удаляется из формы. Весь технологический цикл укладывается в 10 секунд. Инжекционное прессование относится к числу наиболее универсальных производственных процессов в мире и применяется для изготовления больших и малых деталей во многих отраслях, в том числе в электронике и фотонике.
В отличие от литьевого прессования здесь электронный компонент добавляют после того, как сам корпус готов. Рамка выводов без чипа помещается в полость формы (рис.2). Инжекторный плунжер нагнетает расплавленный пластик в полость. Инжектированная масса быстро затвердевает, и полученное изделие выталкивается. Работу пресса можно вести в автоматическом режиме.
Этот метод позволяет получать сложной формы прецизионные трехмерные конструкции при низкой стоимости. Но при этом следует учитывать, что эти корпуса негерметичны. Некоторые компании сейчас предлагают корпуса из высокотемпературных термопластов, таких как ЖК-полимеры и PPS.
Корпус с низкорасположенными шариками. Мы провели исследование более простого решения – вместо рамки выводов вставляли дискретные соединители. В качестве оптимальных соединителей были выбраны металлические шарики. Такой выбор сделан не случайно. Как известно, изделиями сферической формы, благодаря их полной симметричности, легче манипулировать.
Поскольку припой плавится при температуре расплавления пластика (выше 300°C), выбор остановился на медных шариках. Мы испытали два различных покрытия на медных шариках – золото и палладий с подслоем из никеля. (В течение десятилетий фирма Motorola и ряд других компаний использовали палладий поверх никеля в рамках выводов.) Диаметр шариков составлял 0,75 мм, а толщина корпуса 0,25 мм, в результате чего каждый шарик проступал через дно корпуса в его полость.
Такой корпус полностью можно изготавливать на стандартном инжекционном прессе, но для полной автоматизации процесса необходим роботизированный укладчик шариков (вакуумного типа). Мы добавляли еще одну операцию, которая при модификации процесса может быть устранена: часть шарика, выступающая в корпус, расплющивалась с помощью микропресса для оптимальной пайки проволочных выводов и обеспечения лучшей герметизации (рис.3).
После того как кристалл прикреплен и выводы присоединены, корпус готов для герметизации. Его крышка может быть почти из любого проводящего или непроводящего материала в зависимости от дальнейшего применения изделия – металла, керамики, стекла или пластмассы. Прозрачные крышки из пластика и стекла герметизируются нагревом с помощью ИК-лазеров [6]. Для герметизации крышек пригодны также самые разные адгезивы.
Хотя литые полые корпуса пригодны для любых компонентов, наиболее эффективны они для чипов, которым необходима полость. У многих новых компонентов, особенно с механическими частями, активная лицевая часть должна оставаться свободной от контактов. И здесь инжекционное прессование пластика идеально подходит для получения полостей, отверстий и разнообразных трехмерных прецизионных структур. К этому добавляется простота создания прозрачных крышек. Особенно оптическим приборам подходят корпуса из термопласта, в том числе сложные структуры для видеокамер. На рис.4 показано, как тот же корпус с шариками, изготовленный инжекционным прессованием, может использоваться для камеры сотового телефона.
Большой популярностью пользуется конструкция корпус-на-корпус, которая создается просто с помощью корпусов с шариками из тугоплавкого металла (рис.5).
Литература
1. Gilleo K. What Quiet Revolution? – Circuits Assembly,
May 2004.
2. Lee H. and Neville K. Handbook of Epoxy Resins. –
McGrow Hill, NY, 1967.
3. NSF: Research Opportunities in MEMS Manufacturing
of Micro-Electro-Mechanical Systems. – Department
of Mechanical and Aerospace Engineering, AZ85287-6106.
4. Gilleo K. MEMS Packaging Solutions. – EP&P, June 2000.
5. Gilleo K. MOEMs the Word. – Circuits Assembly, Nov. 2000.
6. Wetzel K. Low Cost CCD Packaging. –
USP 6,011,294. April 1996.
Корпусирование электронных компонентов
Корпус компонента выполняет множество функций, самая значимая из которых – создание электрического межсоединения электронного прибора и печатной платы. От корпуса требуется также защита от внешних воздействий, степень которой колеблется от очень низкой, например для пассивных компонентов, до высокой для ряда сложных устройств. К другим атрибутам корпуса относятся миниатюрность, повышение рабочих характеристик, отвод тепла, ремонтопригодность, контролепригодность, стандартизированность, пригодность для автоматических процессов. К этому длинному перечню добавляются уникальные требования таких новых приборов, как МЭМС, микрооптоэлектромеханические, оптоэлектронные, СВЧ- и грядущие наноэлектронные компоненты [3–5]. Корпуса электронных компонентов подразделяются на два больших класса: герметичные и негерметичные. К полностью герметичным приборам можно отнести ЭЛТ и электронные лампы, в которых поддерживается вакуум. В наше время только незначительное число электронных устройств нуждается в вакууме, причем на смену стеклянным оболочкам пришли керамические и металлические корпуса.
Хотя герметичный корпус обеспечивает отличную защиту, он во многих случаях дорог и избыточен. Прорыв в удешевлении корпусов произошел полстолетия назад успешным внедрением технологии негерметичного корпусирования пластиком в массовое коммерческое производство транзисторов. Низкая стоимость, автоматизация технологического процесса и удовлетворительная надежность сделали пластмассовый корпус стандартным. И сегодня пластиковые корпуса занимают около 95% рынка.
Эпоксид был первым успешным органическим материалом для корпусирования компонентов. Ингредиенты эпоксидов как термореактопластов смешиваются и обычно охлаждаются для предотвращения преждевременной полимеризации. Уже 50 лет для корпусирования чипов применяется процесс литьевого прессования. При нем сначала кристаллы с помощью адгезива прикрепляются к металлической рамке выводов, которая помещается в полость формы пресса. Расплавленный пластик из загрузочной камеры под давлением поступает в полость, покрывая там кристалл (рис.1). Для полной полимеризации эпоксида может потребоваться еще один нагрев.
После полимеризации эпоксиды невозможно расплавить даже при сильном нагреве. К сожалению, эта особенность не позволяет использовать их повторно, и отходы производства в основном трактуются как вредные материалы.
Эпоксидные смолы не обеспечивают достаточную защиту от газов и влаги, однако пассивация чипов позволяет большинству устройств удовлетворительно функционировать. Относительно высокое влагопоглощение вызывает беспокойство в связи с ростом температуры пайки. Многие считают, что термореактопласты достигли максимума своих возможностей и их производство будет сокращаться по мере ужесточения требований к корпусированию компонентов и производству печатных плат.
Термопласты
Термопласты, как и термореактопласты, состоят из длинных полимерных цепей, но их цепи не образуют поперечных связей. Эта, казалось бы, незначительная разница позволяет термопластикам не только плавиться, но при охлаждении возвращаться к твердому состоянию без изменения прежних свойств. Им легко придавать любую форму, и это свойство позволяет применять инжекционное формование и другие способы термоформования. Промышленное потребление термопластиков превышает тысячи тонн для широкого диапазона изделий – от тонких пленок до сложных микроструктур.
Современные термопласты превосходят эпоксидные композиции по многим параметрам. К примеру, ЖК-полимеры обладают в 10 раз более высокой влагостойкостью и легко формуются в прецизионные трехмерные структуры. В таблице приведены некоторые свойства ЖК-полимеров и других высокотемпературных термопластов.
Термопласты для корпусов
Инжекционное прессование. При изготовлении изделий из термопластов широкое распространение получило инжекционное прессование. Процесс начинается с расплавления полимерной массы с последующим ее инжектированием (впрыскиванием) в форму, где материал застывает, и готовое изделие удаляется из формы. Весь технологический цикл укладывается в 10 секунд. Инжекционное прессование относится к числу наиболее универсальных производственных процессов в мире и применяется для изготовления больших и малых деталей во многих отраслях, в том числе в электронике и фотонике.
В отличие от литьевого прессования здесь электронный компонент добавляют после того, как сам корпус готов. Рамка выводов без чипа помещается в полость формы (рис.2). Инжекторный плунжер нагнетает расплавленный пластик в полость. Инжектированная масса быстро затвердевает, и полученное изделие выталкивается. Работу пресса можно вести в автоматическом режиме.
Этот метод позволяет получать сложной формы прецизионные трехмерные конструкции при низкой стоимости. Но при этом следует учитывать, что эти корпуса негерметичны. Некоторые компании сейчас предлагают корпуса из высокотемпературных термопластов, таких как ЖК-полимеры и PPS.
Корпус с низкорасположенными шариками. Мы провели исследование более простого решения – вместо рамки выводов вставляли дискретные соединители. В качестве оптимальных соединителей были выбраны металлические шарики. Такой выбор сделан не случайно. Как известно, изделиями сферической формы, благодаря их полной симметричности, легче манипулировать.
Поскольку припой плавится при температуре расплавления пластика (выше 300°C), выбор остановился на медных шариках. Мы испытали два различных покрытия на медных шариках – золото и палладий с подслоем из никеля. (В течение десятилетий фирма Motorola и ряд других компаний использовали палладий поверх никеля в рамках выводов.) Диаметр шариков составлял 0,75 мм, а толщина корпуса 0,25 мм, в результате чего каждый шарик проступал через дно корпуса в его полость.
Такой корпус полностью можно изготавливать на стандартном инжекционном прессе, но для полной автоматизации процесса необходим роботизированный укладчик шариков (вакуумного типа). Мы добавляли еще одну операцию, которая при модификации процесса может быть устранена: часть шарика, выступающая в корпус, расплющивалась с помощью микропресса для оптимальной пайки проволочных выводов и обеспечения лучшей герметизации (рис.3).
После того как кристалл прикреплен и выводы присоединены, корпус готов для герметизации. Его крышка может быть почти из любого проводящего или непроводящего материала в зависимости от дальнейшего применения изделия – металла, керамики, стекла или пластмассы. Прозрачные крышки из пластика и стекла герметизируются нагревом с помощью ИК-лазеров [6]. Для герметизации крышек пригодны также самые разные адгезивы.
Хотя литые полые корпуса пригодны для любых компонентов, наиболее эффективны они для чипов, которым необходима полость. У многих новых компонентов, особенно с механическими частями, активная лицевая часть должна оставаться свободной от контактов. И здесь инжекционное прессование пластика идеально подходит для получения полостей, отверстий и разнообразных трехмерных прецизионных структур. К этому добавляется простота создания прозрачных крышек. Особенно оптическим приборам подходят корпуса из термопласта, в том числе сложные структуры для видеокамер. На рис.4 показано, как тот же корпус с шариками, изготовленный инжекционным прессованием, может использоваться для камеры сотового телефона.
Большой популярностью пользуется конструкция корпус-на-корпус, которая создается просто с помощью корпусов с шариками из тугоплавкого металла (рис.5).
Литература
1. Gilleo K. What Quiet Revolution? – Circuits Assembly,
May 2004.
2. Lee H. and Neville K. Handbook of Epoxy Resins. –
McGrow Hill, NY, 1967.
3. NSF: Research Opportunities in MEMS Manufacturing
of Micro-Electro-Mechanical Systems. – Department
of Mechanical and Aerospace Engineering, AZ85287-6106.
4. Gilleo K. MEMS Packaging Solutions. – EP&P, June 2000.
5. Gilleo K. MOEMs the Word. – Circuits Assembly, Nov. 2000.
6. Wetzel K. Low Cost CCD Packaging. –
USP 6,011,294. April 1996.
Отзывы читателей
