电子封装材料和设计
电子封装中使用哪些材料？
了解各种材料及其典型应用案例：粘合剂和密封剂：
在电子封装中，通常使用环氧树脂和硅橡胶等粘合剂和密封剂。
环氧树脂可提供强粘合力，而硅树脂可提供柔韧性和防潮性。
复合材料：
玻璃纤维环氧树脂 (FR-4) 由于其电气绝缘特性，通常用于印刷电路板 (PCB) 。
金属基体复合材料将金属与陶瓷相结合，形成一种可改善热性能的材料，可用于热沉。
金属：
金属是一种常见的电子封装材料。所用的特定金属取决于所需的导电性、热性能和环境保护。
铝通常用于轻质外壳和热沉，而铜则适用于电气连接。钢材提供出色的结构支撑和屏蔽。
镍和锡是耐腐蚀材料的良好选择，而金则是高度可靠连接器的理想选择。
还有其他多种合金（如硼铜和磁性合金）也可用于专业应用。
塑料：
聚乙烯、聚丙烯和聚氯乙烯通常用于经济实惠的电气绝缘，以及保护电子元件免受潮湿和灰尘的影响。
聚碳酸酯以其抗冲击性和透明度而闻名，通常用于为带有显示屏的设备制造保护罩。
丙烯腈-丁二烯-苯乙烯 (ABS) 为外壳和结构组件提供良好的强度和抗冲击性平衡。
聚醚醚酮 (PEEK) 等塑料用于形成防潮密封，但并非气密性密封。
丙烯酸酯或环氧树脂等合成树脂广泛用于传递成型。该过程涉及加热合成树脂直到其变成流体，然后将其强制注入模具腔体中以封装半导体装置。
陶瓷：
氧化铝用于封装，以实现电气绝缘和导热。
氮化铝具有出色的电气绝缘和热管理性能。
另一种常见的陶瓷是碳化硅，以其高导热性和在大功率电子设备中的使用而闻名。
热界面材料：
这些材料在放置于固体表面之间时会传导热量。在封装环境中，通常在热生成部件和热沉之间应用油脂和垫片形式的热界面材料，以通过进一步改善热传递和温度管理来防止过热。
泡沫材料和垫圈：
聚氨酯和硅胶泡沫是柔软的材料，用于吸收冲击并提供缓冲屏障。垫圈通常由橡胶、硅胶或氯丁橡胶制成，用于防止湿气、灰尘或电磁干扰侵入。
金属化处理和涂层：
电子元件的金属化或涂层可增强导电性、耐腐蚀性和环境保护等功能。金、银和铜通常用于提高导电性，而镍、钯、锡和铂可用于改善氧化、耐腐蚀性和美观性。
玻璃：
- 玻璃是气密玻璃-金属密封的关键组件，它将不同类型的玻璃与具有相容热膨胀系数的金属相结合。
- 对于使用具有类似热性能的材料制成的匹配玻璃-金属密封件，可使用可伐、钢或不锈钢以及氧化铝陶瓷。
- 对于压缩玻璃-金属密封件（使用温差来形成机械坚固的封装），通常使用碳钢、不锈钢、镍铬基超级合金 Inconel 和镍铁。
- 如果生物相容性很重要，则钛或铂通常是首选材料。玻璃和玻璃-金属密封不仅用于包装，还广泛应用于光学窗口和管帽和封帽 。
电子封装中使用的常见玻璃类型
- 具有高耐热性和低热膨胀系数，适用于温度变化较大的应用。
- 典型应用包括气密密封的玻璃-金属组件，如传感器封装或连接器。
- 熔融石英也称为石英玻璃，具有良好的光学特性和高紫外线和红外线透明度。
- 典型应用包括光学元件、高频设备和半导体基板。
由于具有出色的热学和机械特性，铝硅酸盐玻璃通常用于需要高坚固性和抗冲击性的应用场合。
- 微晶玻璃将玻璃和陶瓷的优点集于一身。与玻璃一样，它们可以直接与金属密封，无需任何界面材料。它们还具有与陶瓷相当的热稳定性和机械强度。
- 应用包括高温环境中的包装组件和密封材料。
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- 钝化玻璃通常被称为钝化层或钝化涂层，用于电子封装应用，为半导体设备和电子元件添加保护性薄膜层。
- 这些保护层有助于防止腐蚀，提高可靠性，并耐受可能降低半导体性能的环境因素（如湿度）。
- 钝化玻璃通常为硼酸铅硅、硼酸锌或硼硅酸盐玻璃。
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- 由于软化点低（低于 550°C），焊接玻璃（也称为熔晶玻璃）能够将玻璃粘合到陶瓷、金属或其他玻璃上，而不会造成热损坏。
- 玻璃焊接/粘合工艺涉及将焊接玻璃（通常为粉末状或预成型状态）施加到待接合表面上，然后将其加热至软化点。玻璃液化，在冷却时形成粘结。
- 玻璃焊接通常用于光电封装、MEMS 封装和显示设备密封等应用。
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- 有些电子封装应用需要具有特定材料特性的特殊玻璃类型，例如耐电解质、辐射或介电常数低的玻璃类型（例如微电子应用）。
肖特提供数百种标准玻璃类型，且仍在不断开发新玻璃，以满足新的应用和客户要求。
- 虽然蓝宝石不是玻璃类型，而是氧化铝的晶体形式，但它具有与玻璃相似的特性，如出色的光学透明度、硬度和电绝缘性。
- 在电子封装中，蓝宝石通常用作半导体基板或用于制造光学窗口和封帽。
什么是电子封装设计？
电子封装设计涉及到许多因素。在每个设计拼图中，不同的部件主要受电子设备工作环境（包括温度和压力范围）的影响。
以应用为导向的设计会考虑包括电气馈通件所需的电压、电流和频率在内的各种因素。还会考虑到防止静电放电 (ESD) 以及与其他材料的兼容性。
而在背景中则是无名英雄：可制造性、规模和成本。考虑这些要素可确保设计提供最佳性能，但也适合实际场景。
以下是最常见的关键设计考虑因素概述：
电气
电子封装必须确保信号完整性、功率分配和电磁兼容性。这需要在设计时最大限度地减少信号损失、噪音和干扰，同时创建高效的配电网络并管理电磁干扰。对于某些应用，封装必须设计为允许射频信号通过，或配备允许特定波长光线射入和射出的光学窗口。可能还需要设计封装，以阻止射频噪声发射和静电放电。
机械学
涉及到机械方面因素时，必须考虑结构完整性、尺寸和材料选择。封装必须能够承受物理应力，适合可用空间，并使用可增强其强度和耐用性的材料。设备是否易于组装和维修对于制造和维护也很重要。
热学
过热不仅会导致早期故障，还会引发安全问题。因此，通过设计热沉和热路径以及选择导热材料来管理温度就变得至关重要。
光学
如果设备使用光学元件，则透明度、光束成形、抗反射涂层和光管理是重要的考虑因素。为了优化性能，封装设计必须允许光线或光学信号通过，同时最大限度地减少眩光和反射。
什么是电子封装设计中的 SIP？
系统封装 (SIP) 是一种先进的封装技术，将多个集成电路 (IC) 或电子元件（如微控制器、存储芯片、无源组件或传感器）集成到一个封装中。SIP 属于微电子封装范畴，可在更小的空间内实现更多功能，从而实现更紧凑和微型化的高性能电子系统的开发。变体包括多芯片模块 (MCM) 、封装式封装和 3D 封装。
尽管 SIP 方法通常可用于各种类型的组件，但 MCM 封装专门集成了 IC。MCM 封装通常用于注重高性能、小型化、增强系统集成的应用。它用于微处理器、存储器模块和先进的电子系统，如智能手机和高速数据通信设备。
MCM 封装在 SIP 技术中的优势
什么是电子封装中的热管理？
在电子封装设计中，有效的温度管理对于保持电子元件在安全工作温度范围内至关重要。充分的散热还可以提高设备和系统的可靠性和性能。对于某些应用，电子元件产生的热量可能会损坏设备，或缩短其使用寿命。例如，光学传感器和其他成像系统因为需要采集大量数据会产生大量热量。对于电信激光器而言，更好的冷却可使更高功率的激光器在不过热的情况下使用。
可使用多种封装方法来保持电子元件的冷却。例如，可将装置热粘结到包装以提供热容，可在部件和包装之间添加热电冷却器，或者可将具有良好导电性的材料（例如氮化铝）用作绝缘体。此外，热沉可以焊接到电子封装中。
热管理的关键方面包括：
- 设计：仔细设计 PCB 布局、选择导热材料和优化热沉，有助于实现优化气流并防止过热。
- 模拟和测试 ：计算机建模和现实生活、物理测量和测试对于评估和验证材料和组件的热性能至关重要。
用于实现热管理的常用材料和组件
热沉是吸收和散热的金属部件，使热量远离电子部件。它们增加了传热表面积，通常与风扇或其他冷却方法结合使用。
热界面材料包括可放置在部件和热沉之间的热膏或热垫，旨在改善导热性并降低热阻。
热电冷却器、风扇、管道或液体冷却等主动冷却系统可以冷却电子元件的热量。
相变材料在特定温度下发生相变（例如从固态变为液态），可用于在相变期间吸收和释放热量。
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