Elektronische Verpackung

Elektronische Gehäusetechnik umfasst die Entwicklung und Fertigung von Gehäusen für elektronische Geräte – von einzelnen Halbleiterbauelementen bis hin zu kompletten Systemen wie Großrechnern . Die Gehäusetechnik muss Schutz vor mechanischen Beschädigungen, Kühlung, Hochfrequenzstörungen und elektrostatischer Entladung gewährleisten . Produktsicherheitsnormen können bestimmte Merkmale eines Konsumprodukts vorschreiben, beispielsweise die Gehäusetemperatur oder die Erdung freiliegender Metallteile. Prototypen und in kleinen Stückzahlen gefertigte Industrieanlagen können standardisierte, handelsübliche Gehäuse wie Kartenkäfige oder vorgefertigte Boxen verwenden. Massenmarktprodukte hingegen verfügen oft über hochspezialisierte Verpackungen, um die Attraktivität für die Verbraucher zu steigern. Elektronische Gehäusetechnik ist ein wichtiger Teilbereich des Maschinenbaus.

Elektronische Gehäuse können nach Ebenen organisiert werden:

• Stufe 0 – „Chip“, Schutz eines blanken Halbleiterchips vor Verunreinigung und Beschädigung.
• Ebene 1 - Komponente, wie z. B. Halbleitergehäusedesign und die Gehäusekonstruktion anderer diskreter Bauteile.
• Stufe 2 - Geätzte Leiterplatte (gedruckte Leiterplatte).
• Stufe 3 - Montage, eine oder mehrere Leiterplatten und zugehörige Komponenten.
• Stufe 4 – Modul, Baugruppen, die in ein Gesamtgehäuse integriert sind.
• Stufe 5 – System, eine Gruppe von Modulen, die zu einem bestimmten Zweck kombiniert wurden. ^{[ 1 ]}

Dasselbe elektronische System kann als tragbares Gerät verpackt oder für die feste Montage in einem Instrumentenschrank oder einer permanenten Installation angepasst werden. Die Verpackung für Systeme in der Luft- und Raumfahrt, der Schifffahrt oder dem Militär unterliegt unterschiedlichen Konstruktionskriterien.

Die Entwicklung und Produktentwicklung elektronischer Gehäuse ist ein interdisziplinäres Feld, das auf Prinzipien des Maschinenbaus wie Dynamik, Spannungsanalyse, Wärmeübertragung und Strömungsmechanik, Chemie, Materialwissenschaften, Verfahrenstechnik usw. basiert. Hochzuverlässige Geräte müssen häufig Falltests, Vibrationen bei losem und gesichertem Transport, extreme Temperaturen, Feuchtigkeit, Wasserkontakt, Regen, Sonnenlicht (UV-, IR- und sichtbares Licht), Salznebel, Explosionsstöße und vieles mehr überstehen. Diese Anforderungen gehen über die reine elektrische Konstruktion hinaus und interagieren mit ihr.

Eine Elektronikbaugruppe besteht aus Bauteilen, Leiterplattenbaugruppen (CCAs), Steckverbindern, Kabeln und Komponenten wie Transformatoren, Netzteilen, Relais, Schaltern usw., die möglicherweise nicht auf der Leiterplatte montiert werden.

Viele elektrische Produkte erfordern die Fertigung von kostengünstigen Bauteilen in großen Stückzahlen, wie z. B. Gehäusen oder Abdeckungen. Diese werden mittels Verfahren wie Spritzguss, Druckguss oder Feinguss hergestellt. Die Konstruktion dieser Produkte hängt vom jeweiligen Produktionsverfahren ab und erfordert eine sorgfältige Berücksichtigung von Abmessungen, Toleranzen und der Werkzeugkonstruktion. Einige Bauteile werden in Spezialverfahren wie dem Gips- oder Sandguss von Metallgehäusen gefertigt.

Bei der Entwicklung elektronischer Produkte führen Elektronikgehäuse-Ingenieure Analysen durch, um beispielsweise maximale Bauteiltemperaturen, strukturelle Resonanzfrequenzen sowie dynamische Spannungen und Verformungen unter extremen Bedingungen abzuschätzen. Dieses Wissen ist wichtig, um unmittelbare oder vorzeitige Ausfälle elektronischer Produkte zu verhindern.

Bei der Auswahl von Verpackungsmethoden muss ein Designer viele Ziele und praktische Erwägungen gegeneinander abwägen.

• Zu schützende Gefahren: mechanische Beschädigung, Witterungseinflüsse und Verschmutzung, elektromagnetische Störungen, ^{[ 2 ]} usw.
• Anforderungen an die Wärmeableitung
• Abwägung zwischen Werkzeugkapitalkosten und Stückkosten
• Abwägung zwischen der Zeit bis zur ersten Lieferung und der Produktionsrate
• Verfügbarkeit und Leistungsfähigkeit der Lieferanten
• Benutzeroberflächendesign und Benutzerfreundlichkeit
• Leichter Zugang zu den internen Bauteilen, wenn Wartungsarbeiten erforderlich sind.
• Produktsicherheit und Einhaltung regulatorischer Standards
• Ästhetik und andere Marketingüberlegungen
• Lebensdauer und Zuverlässigkeit

Gestanztes und geformtes Blech zählt zu den ältesten Gehäusearten für Elektronikbauteile. Es bietet hohe mechanische Festigkeit, elektromagnetische Abschirmung, wenn dies vom Produkt gefordert wird, und lässt sich mit geringem Aufwand für Spezialwerkzeuge einfach für Prototypen und Kleinserien herstellen.

Abgedichtete Metallgussteile werden mitunter zur Verpackung elektronischer Geräte für besonders anspruchsvolle Umgebungen eingesetzt, beispielsweise in der Schwerindustrie, auf Schiffen oder in der Tiefsee. Aluminium-Druckguss ist dabei gebräuchlicher als Eisen- oder Stahl-Sandguss.

Elektronische Bauteile werden mitunter durch die Bearbeitung massiver Metallblöcke, meist Aluminium, in komplexe Formen gefertigt. Sie sind weit verbreitet in Mikrowellenbaugruppen für die Luft- und Raumfahrt, wo präzise Übertragungsleitungen komplexe Metallformen in Kombination mit hermetisch abgedichteten Gehäusen erfordern. Die Stückzahlen sind in der Regel gering; manchmal wird nur ein einziges Exemplar einer kundenspezifischen Ausführung benötigt. Die Kosten für Einzelteile sind hoch, die Kosten für kundenspezifische Werkzeuge hingegen gering oder gar nicht, und die Lieferung des ersten Teils kann in nur einem halben Tag erfolgen. Das bevorzugte Werkzeug ist eine numerisch gesteuerte Vertikalfräsmaschine mit automatischer Umwandlung von CAD-Dateien in Werkzeugwegbefehle.

Formteile und Gehäuse aus Kunststoff lassen sich mit verschiedenen Verfahren herstellen, die Kompromisse hinsichtlich Stückkosten, Werkzeugkosten, mechanischen und elektrischen Eigenschaften sowie Montagefreundlichkeit erfordern. Beispiele hierfür sind Spritzgießen, Transferformen, Vakuumformen und Stanzen. PL kann nachbearbeitet werden, um leitfähige Oberflächen zu erzeugen.

Das sogenannte Vergießen, auch „Einkapseln“ genannt, besteht darin, das Bauteil oder die Baugruppe in ein flüssiges Harz einzutauchen und dieses anschließend auszuhärten. Bei einem anderen Verfahren wird das Bauteil oder die Baugruppe in eine Form gelegt, mit Vergussmasse gefüllt und nach dem Aushärten mit dem Bauteil oder der Baugruppe verbunden. Das Vergießen kann in einer vorgeformten Vergussmasse oder direkt in einer Form erfolgen. Heute wird es hauptsächlich zum Schutz von Halbleiterbauteilen vor Feuchtigkeit und mechanischen Beschädigungen sowie als mechanische Struktur zur Verbindung von Leadframe und Chip eingesetzt. Früher diente es oft dazu, Reverse Engineering von proprietären Produkten, die als Leiterplattenmodule gefertigt wurden, zu verhindern. Es wird auch häufig bei Hochspannungsprodukten verwendet, um spannungsführende Teile enger beieinander zu platzieren (wodurch Koronaentladungen aufgrund der hohen Durchschlagsfestigkeit der Vergussmasse vermieden werden) und so kleinere Bauteile zu ermöglichen. Außerdem werden Schmutz und leitfähige Verunreinigungen (wie z. B. verunreinigtes Wasser) von empfindlichen Bereichen ferngehalten. Ein weiteres Anwendungsgebiet ist der Schutz von Tiefseegeräten wie Sonarwandlern vor dem Zusammenfallen unter extremem Druck durch das Ausfüllen aller Hohlräume . Vergussmassen können starr oder weich sein. Wenn eine porenfreie Vergussmasse erforderlich ist, wird das Produkt üblicherweise in eine Vakuumkammer gegeben, solange das Harz noch flüssig ist. Dort wird mehrere Minuten lang ein Vakuum aufrechterhalten, um die Luft aus den inneren Hohlräumen und dem Harz selbst zu entfernen. Anschließend wird das Vakuum aufgehoben. Der atmosphärische Druck lässt die Hohlräume kollabieren und presst das flüssige Harz in alle inneren Bereiche. Das Vakuumvergießen eignet sich am besten für Harze, die durch Polymerisation und nicht durch Verdunstung des Lösungsmittels aushärten.

Die Porenversiegelung oder Harzimprägnierung ähnelt dem Vergießen, kommt jedoch ohne Form oder Gehäuse aus. Die Bauteile werden in eine polymerisierbare, monomer- oder lösungsmittelbasierte, niedrigviskose Kunststofflösung getaucht. Der Druck über der Flüssigkeit wird auf ein vollständiges Vakuum reduziert. Nach dem Aufheben des Vakuums fließt die Flüssigkeit in das Bauteil. Nach dem Entnehmen aus dem Harzbad wird das Bauteil entwässert und/oder gereinigt und anschließend ausgehärtet. Die Aushärtung kann durch Polymerisation des inneren Harzes oder durch Verdampfen des Lösungsmittels erfolgen, wodurch ein isolierendes dielektrisches Material zwischen den verschiedenen Spannungskomponenten zurückbleibt. Die Porenversiegelung (Harzinprägnierung) füllt alle Innenräume und kann, abhängig von der Wasch- und Spülleistung, eine dünne Beschichtung auf der Oberfläche hinterlassen. Hauptanwendungsgebiet der Vakuumimprägnierung ist die Erhöhung der Durchschlagsfestigkeit von Transformatoren, Magnetspulen, Lamellenstapeln oder Spulen sowie einigen Hochspannungskomponenten. Sie verhindert die Ionisation zwischen eng beieinander liegenden, spannungsführenden Oberflächen und damit verbundene Ausfälle.

Flüssigkeitsfüllung wird mitunter als Alternative zum Vergießen oder Imprägnieren eingesetzt. Dabei handelt es sich in der Regel um eine dielektrische Flüssigkeit, die aufgrund ihrer chemischen Verträglichkeit mit den anderen vorhandenen Materialien ausgewählt wird. Dieses Verfahren findet vor allem in sehr großen elektrischen Anlagen wie Transformatoren Anwendung, um die Durchschlagspannung zu erhöhen . Es kann auch zur Verbesserung der Wärmeübertragung eingesetzt werden, insbesondere wenn die Flüssigkeit durch natürliche oder erzwungene Konvektion in einem Wärmetauscher zirkulieren kann. Flüssigkeitsfüllungen lassen sich im Vergleich zum Vergießen deutlich einfacher für Reparaturen entfernen.

Die Schutzlackierung ist eine dünne Isolierschicht, die mit verschiedenen Verfahren aufgebracht wird. Sie bietet mechanischen und chemischen Schutz für empfindliche Bauteile. Sie findet breite Anwendung bei Massenprodukten wie axial bedrahteten Widerständen und gelegentlich auch bei Leiterplatten. Das Verfahren ist sehr wirtschaftlich, jedoch ist es mitunter schwierig, eine gleichbleibende Prozessqualität zu erzielen.

Glob-Top ist eine Variante der Schutzlackierung, die bei der Chip-on-Board-Montage (COB) eingesetzt wird. Dabei wird ein Tropfen speziell formulierten Epoxidharzes ^{[ 3 ]} auf einen Halbleiterchip und dessen Drahtverbindungen aufgetragen, um mechanische Stabilität zu gewährleisten und Verunreinigungen wie Fingerabdrücke fernzuhalten, die die Funktion der Schaltung beeinträchtigen könnten. Glob-Top wird am häufigsten bei elektronischem Spielzeug und Geräten der unteren Preisklasse verwendet. ^{[ 4 ]}

Surface-mounted LEDs are frequently sold in chip-on-board (COB) configurations. In these, the individual diodes are mounted in an array that allows the device to produce a greater amount of luminous flux with greater ability to dissipate the resulting heat in an overall smaller package than can be accomplished by mounting LEDs, even surface mount types, individually on a circuit board.^[5]

Hermetic metal packaging began life in the vacuum tube industry, where a totally leak-proof housing was essential to operation. This industry developed the glass-seal electrical feedthrough, using alloys such as Kovar to match the coefficient of expansion of the sealing glass so as to minimize mechanical stress on the critical metal-glass bond as the tube warmed up. Some later tubes used metal cases and feedthroughs, and only the insulation around the individual feedthroughs used glass. Today, glass-seal packages are used mostly in critical components and assemblies for aerospace use, where leakage must be prevented even under extreme changes in temperature, pressure, and humidity.

Packages consisting of a lead frame embedded in a vitreous paste layer between flat ceramic top and bottom covers are more convenient than metal/glass packages for some products, but give equivalent performance. Examples are integrated circuit chips in ceramic Dual In-line Package form, or complex hybrid assemblies of chip components on a ceramic base plate. This type of packaging can also be divided into two main types: multilayer ceramic packages (like LTCC and HTCC) and pressed ceramic packages.

Printed circuits are primarily a technology for connecting components together, but they also provide mechanical structure. In some products, such as computer accessory boards, they're all the structure there is. This makes them part of the universe of electronic packaging.

A typical reliability qualification includes the following types of environmental stresses:

• Burn-in
• Temperature cycling
• Thermal shock
• Solderability
• Autoclave
• Visual inspection
• Hermeticity/moisture resistance
• Hygrothermal test

Hygrothermal test is performed in chambers with temperature and humidity. It is an environmental stress test used in evaluating product reliability. The typical hygrothermal test is 85˚C temperature and 85% relative humidity (abbr. 85˚C/85%RH). During the test, the sample is periodically taken out to test its mechanical or electrical properties. Some research works related to hygrothermal test can be seen in the references. ^[6]

• Semiconductor package
• Integrated circuit packaging
• Packaging (disambiguation)
• Packaging