電子パッケージ

電子パッケージングとは、個々の半導体デバイスからメインフレーム コンピュータなどの完全なシステムまで、電子デバイスの筐体を設計および製造することです。電子システムのパッケージングでは、機械的損傷、冷却、無線周波数ノイズの放出、静電放電からの保護を考慮する必要があります。製品安全基準では、外部ケース温度や露出した金属部品の接地など、消費者向け製品の特定の機能を規定する場合があります。少量生産のプロトタイプや産業機器では、カード ケージやプレハブ ボックスなどの標準化された市販の筐体が使用される場合があります。大量販売される消費者向けデバイスでは、消費者の魅力を高めるために、高度に特殊化されたパッケージングが使用される場合があります。電子パッケージングは​​、機械工学の分野における主要な学問分野です。

電子パッケージはレベル別に整理できます。

• レベル 0 - 「チップ」、裸の半導体ダイを汚染や損傷から保護します。
• レベル 1 -半導体パッケージ設計やその他の個別コンポーネントのパッケージングなどのコンポーネント。
• レベル2 - エッチング配線基板（プリント基板）。
• レベル 3 - アセンブリ、1 つ以上の配線基板および関連コンポーネント。
• レベル 4 - モジュール、全体的な筐体に統合されたアセンブリ。
• レベル5 - システム、何らかの目的のために組み合わせられたモジュールのセット。^[1]

同じ電子システムをポータブル デバイスとしてパッケージ化することも、計器ラックまたは恒久的な設備に固定して取り付けるように適合させることもできます。航空宇宙、海洋、または軍事システムのパッケージ化では、異なるタイプの設計基準が適用されます。

電子パッケージの設計と製品化は、力学、応力解析、熱伝達と流体力学、化学、材料科学、プロセス工学などの機械工学の原理に基づく多分野にわたる分野です。信頼性の高い機器は、落下試験、緩んだ貨物の振動、固定された貨物の振動、極端な温度、湿度、水没または水しぶき、雨、日光 (紫外線、赤外線、可視光線)、塩水噴霧、爆発衝撃など、さまざまな条件に耐えなければなりません。これらの要件は電気設計の範囲を超え、電気設計と相互作用します。

電子アセンブリは、コンポーネント デバイス、回路カード アセンブリ (CCA)、コネクタ、ケーブル、および回路カードにマウントされない可能性のある変圧器、電源、リレー、スイッチなどのコンポーネントで構成されます。

多くの電気製品では、射出成形、ダイカスト、精密鋳造などの技術を使用して、筐体やカバーなどの大量かつ低コストの部品を製造する必要があります。これらの製品の設計は製造方法によって異なり、寸法や許容差、ツール設計を慎重に考慮する必要があります。一部の部品は、金属筐体の石膏鋳造や砂型鋳造などの特殊なプロセスで製造されることがあります。

電子製品の設計では、電子パッケージング エンジニアが分析を行い、コンポーネントの最大温度、構造共振周波数、最悪の環境下での動的応力とたわみなどを予測します。このような知識は、電子製品の即時または早期の故障を防ぐために重要です。

設計者は、パッケージング方法を選択する際に、多くの目的と実際的な考慮事項のバランスを取る必要があります。

• 保護すべき危険：機械的損傷、天候や汚れへの暴露、電磁干渉^[2]など。
• 放熱要件
• ツールの資本コストとユニットあたりのコストのトレードオフ
• 初回納品までの時間と生産率のトレードオフ
• サプライヤーの可用性と能力
• ユーザーインターフェースのデザインと利便性
• メンテナンスが必要な場合に内部部品に簡単にアクセスできる
• 製品の安全性と規制基準への準拠
• 美観やその他のマーケティング上の考慮事項
• 耐用年数と信頼性

パンチング加工と成形加工を施した板金は、最も古いタイプの電子パッケージの 1 つです。機械的強度が高く、製品に必要な場合には電磁シールド機能を備えており、カスタム ツールの費用をほとんどかけずに試作品や少量生産用に簡単に作成できます。

ガスケット付き金属鋳造品は、重工業、船上、深海など、非常に厳しい環境で使用される電子機器のパッケージに使用されることがあります。アルミダイカストは、鉄や鋼の砂型鋳造よりも一般的です。

電子パッケージは、通常はアルミニウムの固体金属ブロックを複雑な形状に機械加工して作られることがあります。航空宇宙用のマイクロ波アセンブリでは、精密伝送ラインに複雑な金属形状と密閉ハウジングの組み合わせが必要になるため、電子パッケージはごく一般的です。数量は少ない傾向があり、カスタム設計のユニットが 1 つだけ必要な場合もあります。部品の単価は高いですが、カスタム ツールのコストはほとんどまたはまったくかからず、最初の部品の納品には半日ほどしかかかりません。選択されるツールは、コンピュータ支援設計 (CAD) ファイルをツールパス コマンド ファイルに自動的に変換する数値制御の垂直フライス盤です。

成形プラスチックケースと構造部品は、さまざまな方法で製造できますが、部品コスト、ツールコスト、機械的および電気的特性、組み立ての容易さなどの点でトレードオフがあります。例としては、射出成形、トランスファー成形、真空成形、ダイカットなどがあります。PL は、導電性表面を提供するために後処理できます。

「カプセル化」とも呼ばれるポッティングは、部品またはアセンブリを液体樹脂に浸し、硬化させる方法です。別の方法としては、部品またはアセンブリを型に入れ、その中にポッティング剤を注ぎ、硬化後、型を外さずに部品またはアセンブリの一部にします。ポッティングは、あらかじめ成形されたポッティング シェルで行うことも、直接型で行うこともできます。今日では、湿気や機械的損傷から半導体部品を保護するため、またリード フレームとチップを一緒に保持する機械構造として最も広く使用されています。以前は、プリント回路モジュールとして構築された独自製品のリバース エンジニアリングを阻止するためによく使用されていました。また、高電圧製品では、通電部品をより近くに配置できるようにするためによく使用され (ポッティング剤の高い誘電強度によりコロナ放電が排除されます)、製品を小型化できます。これにより、敏感な領域から汚れや導電性汚染物質 (不純な水など) も排除されます。もう 1 つの用途は、ソナー トランスデューサーなどの深海に沈むアイテムが極度の圧力で崩壊するのを防ぐため、すべての空隙を埋めることです。ポッティングは硬質または軟質にすることができます。空隙のないポッティングが必要な場合、樹脂がまだ液体である間に製品を真空チャンバーに入れ、数分間真空状態を維持して内部の空洞と樹脂自体から空気を抜き、その後真空を解除するのが一般的な方法です。大気圧によって空隙が崩壊し、液体樹脂がすべての内部空間に押し込まれます。真空ポッティングは、溶媒の蒸発ではなく重合によって硬化する樹脂に最適です。

多孔性シーリ​​ングまたは樹脂含浸はポッティングに似ていますが、シェルや金型を使用しません。部品は、重合性モノマーまたは溶剤ベースの低粘度プラスチック溶液に浸されます。流体上の圧力は、完全な真空まで下げられます。真空が解放された後、流体が部品に流れ込みます。部品を樹脂槽から引き出すと、排水および/または洗浄されてから硬化されます。硬化は、内部樹脂の重合または溶剤の蒸発で構成され、異なる電圧コンポーネント間に絶縁誘電体を残します。多孔性シーリ​​ング (樹脂含浸) は、すべての内部空間を満たし、洗浄/すすぎの性能に応じて、表面に薄いコーティングを残す場合と残さない場合があります。真空含浸多孔性シーリ​​ングの主な用途は、変圧器、ソレノイド、積層スタックまたはコイル、および一部の高電圧コンポーネントの絶縁強度を高めることです。これにより、近接した通電面間でイオン化が発生して故障が発生するのを防ぎます。

液体充填は、ポッティングや含浸の代替として使用されることがあります。通常は誘電性流体で、他の材料との化学的適合性を考慮して選択されます。この方法は、主にユーティリティ変圧器などの非常に大きな電気機器で、絶縁破壊電圧を高めるために使用されます。また、熱交換器を介した自然対流または強制対流によって循環させる場合は特に、熱伝達を改善するために使用できます。液体充填は、ポッティングよりもはるかに簡単に修理のために除去できます。

コンフォーマルコーティングは、さまざまな方法で塗布される薄い絶縁コーティングです。繊細な部品を機械的および化学的に保護します。アキシャルリード抵抗器などの大量生産品に広く使用され、プリント回路基板に使用されることもあります。非常に経済的ですが、一貫したプロセス品質を実現するのはやや困難です。

グロブトップは、チップオンボードアセンブリ（COB）で使用されるコンフォーマルコーティングの一種です。これは、半導体チップとそのワイヤボンドの上に堆積された特別に配合されたエポキシ^[3]または樹脂の滴で構成されており、機械的なサポートを提供し、回路の動作を妨げる可能性のある指紋残留物などの汚染物質を排除します。これは、電子玩具やローエンドデバイスで最も一般的に使用されています。^[4]

表面実装型LEDは、チップオンボード（COB）構成で販売されることが多い。この構成では、個々のダイオードがアレイ状に実装されており、表面実装型であっても回路基板上に個別にLEDを実装するよりも、デバイスはより大きな光束を生成し、発生する熱をより小さなパッケージで放散することができる。^[5]

密閉金属パッケージは真空管業界で誕生しました。真空管業界では、完全に漏れのないハウジングが動作に不可欠でした。この業界では、ガラスシール電気フィードスルーが開発されました。これは、真空管が温まったときに重要な金属とガラスの結合にかかる機械的ストレスを最小限に抑えるために、シールガラスの膨張係数に一致するコバールなどの合金を使用しました。後期の真空管では、金属製のケースとフィードスルーが使用され、個々のフィードスルーの周囲の絶縁体のみがガラスで覆われていました。今日、ガラスシールパッケージは、温度、圧力、湿度の極端な変化があっても漏れを防止する必要がある航空宇宙用の重要なコンポーネントとアセンブリで主に使用されています。

平らなセラミックの上部カバーと下部カバーの間にあるガラス質ペースト層に埋め込まれたリードフレームで構成されるパッケージは、一部の製品では金属/ガラス パッケージよりも便利ですが、性能は同等です。例としては、セラミック デュアル インライン パッケージ形式の集積回路チップや、セラミック ベース プレート上のチップ コンポーネントの複雑なハイブリッド アセンブリがあります。このタイプのパッケージは、多層セラミック パッケージ ( LTCCやHTCCなど) とプレス セラミック パッケージの 2 つの主なタイプに分けられます。

プリント回路は主にコンポーネントを接続する技術ですが、機械的な構造も提供します。コンピューターのアクセサリ ボードなどの一部の製品では、プリント回路が唯一の構造です。そのため、プリント回路は電子パッケージングの世界の一部となっています。

一般的な信頼性認定には、次の種類の環境ストレスが含まれます。

• バーンイン
• 温度サイクル
• 熱衝撃
• はんだ付け性
• オートクレーブ
• 目視検査
• 気密性/耐湿性
• 湿熱試験

湿熱試験は、一定の温度と湿度のチャンバー内で実施されます。これは、製品の信頼性を評価するために使用される環境ストレス試験です。典型的な湿熱試験は、温度 85˚C、相対湿度 85% (略称 85˚C/85%RH) です。試験中、サンプルは定期的に取り出され、機械的または電気的特性が試験されます。湿熱試験に関連するいくつかの研究は、参考文献で参照できます。^[6]

• 半導体パッケージ
• 集積回路パッケージ
• パッケージング（曖昧さ回避）
• パッケージ