Packaging of integrated circuit sensors.

Emballage électronique

Bienvenue dans l'univers de l'emballage électronique. Novice dans le domaine ou ingénieur expérimenté en quête d'informations techniques détaillées, cette page est un véritable centre de ressources, offrant un contenu complet pour un public diversifié : ingénieurs, fabricants, fournisseurs en électronique, et passionnés de technologie.

Aperçu

  • L’emballage électronique et sa fonctionnalité
  • Domaines d'application types
  • Informations sur la technologie constitutive et les processus de fabrication
  • Description des différents types et niveaux
  • Matériaux et principes de conception communs
  • La fiabilité, un facteur clé
  • Futures tendances
  • L’expertise et les produits SCHOTT

En remontant la page, vous accéderez à un récapitulatif des notions fondamentales. Si vous souhaitez approfondir vos connaissances, rendez-vous à la rubrique dédiée à la technologie des produits. Accédez aux rubriques concernant les matériaux et la conception, ainsi que celles liées aux aspects spécifiques de la fiabilité.

La section concernant les futures tendances vous offre un aperçu des innovations EP. 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 désigne à la fois les processus de conception et de fabrication qui protègent les composants électroniques, ainsi que les produits ou systèmes issus de ces procédés.

Il englobe la création de structures et de boîtiers destinés à protéger les composants électroniques, les dispositifs semi-conducteurs et les systèmes contre les dommages physiques, les contraintes environnementales et les interférences électromagnétiques. Cela inclut également le choix des matériaux et des conceptions optimisés pour garantir la durabilité des composants, tout en leur conférant des fonctionnalités spécifiques, comme la protection contre les décharges électrostatiques (ESD).

L'emballage électronique joue un rôle crucial. Les appareils et systèmes électroniques que nous utilisons au quotidien – des smartphones aux ordinateurs – nécessitent tous une forme d'emballage qui assure leur performance et leur fiabilité.

 

Quelles sont les principales fonctions des emballages électroniques ?

Support mécanique

L’emballage électronique assure une fixation solide et fiable des composants ou dispositifs électroniques dans un système. Le processeur d'un ordinateur, par exemple, est fixé de manière sécurisée à la carte mère et protégé par un boîtier qui le maintien en place pendant le fonctionnement.

Isolation électrique

L’emballage permet d’établir les connexions nécessaires à l’alimentation électronique et à la transmission des signaux, qu’il s’agisse de courant continu ou de fréquences radio. Il facilite ainsi la transmission de signaux, le routage, ainsi que les connexions d’entrée et de sortie (E/S). Par exemple, dans un smartphone, l’emballage comprend les connecteurs de la carte de circuit imprimé, essentiels à la charge de l’appareil ou à la connexion WI-FI.

Protection contre les facteurs environnementaux

L’emballage protège les composants électroniques des agressions extérieures telles que l'humidité, les températures extrêmes, la pression, les vibrations et les produits chimiques. Il empêche la corrosion des semi-conducteurs et prolonge la durée de vie des appareils dans des environnements difficiles, tels que l’espace, les centrales nucléaires ou même l’intérieur du corps humain. Dans les satellites, l’emballage protège les composants contre les variations de température, les radiations et le vide spatial.

Gestion thermique

Une augmentation de 10°C de la température d’un appareil réduit sa durée de vie de moitié. Une gestion thermique efficace, souvent assurée par des dissipateurs de chaleur, est cruciale pour préserver les semi-conducteurs sensibles. Dans un ordinateur portable, des dissipateurs thermiques et des matériaux spécifiques empêchent la surchauffe du processeur et évitent les défaillances des semi-conducteurs.

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

Les emballages électroniques sont devenus, dans nombre de domaines, absolument indispensables. Des appareils portables aux satellites résistant à des conditions extrêmes dans l’espace, la liste des principaux domaines d’application est longue, et non-exhaustive.

Quelques 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, pyrotechniques et capteurs garantissant la sécurité des passagers et le bon fonctionnement des véhicules. L'emballage est crucial dans les unités de commande électriques qui pilotent les systèmes de la voiture, ainsi que 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 portables tels que les montres connectées 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 un emballage hermétique résistant à des conditions extrêmes et offrant une fiabilité critique.

    Industrial plant
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    Industrie

    Dans la fabrication et l’automatisation industrielle, les composants électroniques nécessitent un emballage spécialisé protégeant les dispositifs de contrôle et les capteurs contre les conditions difficiles dues aux produits chimiques et autres contaminants.

    Medical professionals perform surgery.
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    Dispositifs médicaux

    Un emballage fiable est essentiel aux dispositifs tels que les stimulateurs cardiaques, les pompes à insuline et les équipements de surveillance, garantissant la sécurité des patients. Les composants électroniques utilisés dans des 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 transmission de données de plus en plus élevées, les systèmes d'infrastructure de télécommunications nécessitent une protection fiable et une gestion efficace de la chaleur pour garantir des transmissions à haut débit. Un emballage de haute qualité est essentiel aux dispositifs optiques spécialisés, tels que les lasers.

    Technologies

    La technologie des emballages électroniques

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

    L’emballage des systèmes électroniques peut être classé en niveaux hiérarchiques. Le niveau dépend alors de divers facteurs tels que les besoins de l’application, les conditions environnementales, les contraintes de taille et le coût. Pour en savoir davantage sur les différents niveaux, cliquez sur « plus » dans le graphique ci-dessous.
    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 varient de simples boîtiers en plastique à des solutions spécialisées en céramique ou en verre-métal. Le choix de l’emballage dépend de plusieurs facteurs : le type et la taille du composant, les exigences de l’application, les impératifs de dissipation de chaleur, les caractéristiques électriques, le processus de fabrication et la nécessité ou non d’un joint totalement 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 destinés à enfermer et protéger les circuits intégrés et d’autres composants, tout en assurant des connexions électriques et une dissipation de chaleur adéquate.

      Le processus de fabrication varie selon :

      • Les boîtiers de circuits intégrés traditionnels :
        Dans ce cas, la puce est directement placée sur le cadre en plomb sans nécessiter de cavité. Des matériaux époxy conducteurs, un collage eutectique ou un brasage sont utilisés pour monter l’électronique sur le support. 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 éviter toute présence de gaz entre la puce et le matériau d’encapsulation.

      • Les boîtiers à cavité :
        Certains boîtiers, notamment ceux utilisés pour les composants optiques ou les systèmes micro-électromécaniques (MEMS), nécessitent 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. 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 scellée.

       

       

      Étapes clés de la fabrication d’emballages électroniques traditionnels

      • Design et choix des matériaux :
        La conception prend en compte le type, la taille, la puissance et l’environnement des composants. Les matériaux, y compris le substrat et les interconnexions, sont sélectionnés, ainsi que les éléments 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 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), établissant ainsi les connexions électriques entre la puce et l'extérieur.
      • Encapsulation/étanchéité :
        Les composants et les câbles sont scellés dans une résine de protection qui les préserve des dommages et des influences environnementales. Pour une étanchéité hermétique, un couvercle ou un capuchon métallique est soudé ou brasé pour créer une enceinte étanche autour des composants.
      • Contrôles et inspections :
        Les emballages sont rigoureusement testés pour garantir leur qualité et leurs performances.

       

      Regardez les courtes vidéos suivantes pour approfondir chaque étape clé.

      Matériaux et conception
      Fiabilité
      Man in front of a screen

      Matériaux & conception

      Apprenez-en davantage sur les matériaux typiques et leurs applications, ou explorez les principes de conception courants. Vous trouverez ici des informations sur la technologie des systèmes en boîtier, ainsi que sur l’importance de la gestion thermique.

      Woman looking through a microscope.

      Fiabilité des emballages

      Des réponses aux questions relatives à la fiabilité dans la conception électronique. Découvrez l’importance de l’emballage hermétique. Explorez les différents niveaux de protection offerts par les emballages de puces et de modules électroniques.

      Tendances

      Tendances futures dans l’emballage électronique

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

      La miniaturisation constante des systèmes, la recherche de fiabilité et de l’efficacité énergetique sont des facteurs qui viennent influencer l’évolution des matériaux, des conceptions et des processus de fabrication. De plus, la nécessité de la réduction des coûts vient s’ajouter aux exigences d’amélioration de la fonctionnalité et de la performance des produits.

      L'intégration du plus grand nombre de fonctionnalités sur les semi-conducteurs représente un impératif absolu. Le système sur puce (SoC) et le système en boîtier (SiP) permettent de regrouper un large éventail de composants et de fonctions sur une seule puce, notamment pour les applications mobiles ou l'Internet des objets.

      Cette intégration de multiples fonctions sur une seule puce nécessite un emballage unique, plutôt que plusieurs composants individuels. Cela simplifie le processus d’emballage global tout en augmentant les performances, réduisant la consommation d’énergie et diminuant le facteur de forme.

      Des efforts sont également déployés pour réaliser davantage de processus d’emballage au niveau des plaquettes, permettant ainsi de traiter plusieurs puces simultanément. Cette approche optimise l’efficacité de la production et le rendement global, tout en diminuant 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 marquantes dans la technologie des emballages électroniques. Que ce soit pour un nouveau dispositif médical ou une technologie portable dernier cri, les besoins en composants toujours plus petits, plus légers et plus économes poussent sans cesse à l’innovation.

      Avec la diminution continue de la taille des appareils, de nouvelles méthodes sont explorées pour concevoir des emballages légers et compacts tout en garantissant une protection optimale. Des techniques comme l’empilage de puces et l’emballage 3D maximisent l'utilisation de l'espace, souvent limité dans les smartphones. Par ailleurs, la miniaturisation des composants électroniques a permis leur intégration harmonieuse dans des tissus et substrats flexibles, ouvrant ainsi la voie à des fonctionnalités innovantes telles que le suivi des signes vitaux et l’optimisation des performances sportives. Cette avancée technologique nécessite des solutions d’emballage spécialisées, compactes et biocompatibles. En outre, la prise de conscience croissante des enjeux environnementaux dans le secteur de l'électronique grand public accentue l'importance de l'utilisation de matériaux durables.

      Crayon par rapport à un capteur

      Conclusion

      L’emballage électronique est crucial non seulement pour protéger les composants et appareils électroniques, mais aussi pour garantir leur fonctionnalité et leur performance. En intégrant la gestion thermique, les connexions électroniques, la réduction des interférences et le soutien structurel, l’emballage électronique permet de concevoir des dispositifs efficaces, fiables et adaptés à de nombreux secteurs. Alors que l'électronique s'intègre de plus en plus dans notre quotidien, les solutions d'emballage continueront d'évoluer pour répondre aux besoins d'amélioration des performances, de compacité et de 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

      Robert Hettler

      Directeur R&D Optoélectronique

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