eng
Выпуск #8/2025
С. Воробьев
Пластиковые корпуса с открытой полостью – преимущества, проблемы и решения
Пластиковые корпуса с открытой полостью – преимущества, проблемы и решения
Просмотры: 602
DOI: 10.22184/1992-4178.2025.250.8.120.126
В статье рассматриваются конструктивные особенности пластиковых корпусов с открытой полостью (OCPP) и материалы, используемые для их изготовления, в частности, жидкокристаллические полимеры. Анализируются преимущества OCPP-корпусов, такие как улучшенные ВЧ-параметры и повышенная термостойкость.
Ключевые слова: эпоксидный формовочный компаунд, пластиковые корпуса с открытой полостью, жидкокристаллический полимер, термопласты
В статье рассматриваются конструктивные особенности пластиковых корпусов с открытой полостью (OCPP) и материалы, используемые для их изготовления, в частности, жидкокристаллические полимеры. Анализируются преимущества OCPP-корпусов, такие как улучшенные ВЧ-параметры и повышенная термостойкость.
Ключевые слова: эпоксидный формовочный компаунд, пластиковые корпуса с открытой полостью, жидкокристаллический полимер, термопласты
Пластиковые корпуса с открытой полостью – преимущества,
проблемы и решения
С. Воробьев1
В статье рассматриваются конструктивные особенности пластиковых корпусов с открытой полостью (OCPP) и материалы, используемые
для их изготовления. Описываются свойства жидкокристаллических полимеров (LCP), включая их диэлектрические, термические и адгезионные характеристики. Проанализированы ключевые преимущества OCPP-корпусов по сравнению с традиционными решениями, такие как улучшенные высокочастотные параметры
и повышенная термостойкость, что делает их оптимальным выбором
для применения в современных электронных системах.
Герметизация в пластик
В течение последних 2–3 лет российские предприятия, занимающиеся сборкой полупроводниковых компонентов, активизировали внедрение технологии корпусирования в пластик (рис. 1). Следует отметить, что термин «корпусирование в пластик» не является профессиональным, а используется преимущественно в разговорной речи; в технической документации применяется обозначение «металлополимерный корпус». Данное наименование более точно отражает суть технологии, поскольку сборка выполняется на металлическом носителе (медной выводной рамке), а для герметизации используются специа-
лизированные полимеры – эпоксидные компаунды с наполнителем. В зарубежной литературе и технической документации эти полимеры фигурируют под аббревиатурой EMC, то есть Epoxy Molding Compound. Для простоты и удобства в настоящей статье мы будем использовать оба обозначения – пластик и EMC.
Методы герметизации в пластик
Для герметизации в пластик применяют два основных метода:
литье компаунда EMC под давлением (transfer molding, трансферное прессование или просто молдинг);
компрессионное прессование (compression molding).
В первом случае в нижнюю часть пресс-формы закладывается групповая заготовка. Обычно это выводная рамка или FCBGA/FCCSP-подложка. В более продвинутых сис-
темах в качестве подложки возможно использование полупроводниковых пластин (в этом случае речь уже идет о корпусировании на уровне пластины или WLP – Wafer Level Packaging). Далее пресс-форма смыкается, и в нее под давлением подается расплавленный EMC-компаунд. По завершении процесса, когда компаунд полимеризовался, форма размыкается и заготовка с отлитыми корпусами вынимается из нее.
Процесс компрессионного прессования реализуется несколько иначе. Во-первых, групповая заготовка размещается не в нижней, а верхней части пресс-формы. Во-вторых, материал подается (дозируется) в нижнюю часть пресс-формы. После дозирования необходимого объема материала обе части пресс-формы смыкаются, и далее процесс осуществляется так же, как и в случае литьевого прессования.
Литьевое прессование применяется в основном для производства компонентов в стандартных корпусах для поверхностного монтажа (рис. 2). Компрессионное прессование используется для изготовления корпусов сложной формы (например, первичной оптики для светодио-
дов). Общим для обоих методов является то, что в результате герметизации компаунд, полимеризуясь, создает монолитный корпус, который вплотную контактирует как с кристаллом, так и со сварными перемычками.
Корпуса на основе EMC –
преимущества и недостатки
Как и любая технология, корпусирование в пластик имеет свои преимущества и недостатки. Рассмотрим их пос-
ледовательно, начиная с преимуществ.
Первое и главное достоинство герметизации в пластик – высокая производительность процесса, обеспечивающая массовое производство электронных компонентов. За счет массовости, несмотря на достаточно высокие исходные затраты на проектирование и изготовление пресс-формы, достигается низкая себестоимость производства каждого отдельного корпуса.
Во-вторых, этот метод позволяет выпускать широкую номенклатуру стандартных корпусов, он успешно адаптирован для использования разных типов подложек, будь то металлическая выводная рамка, органическая подложка (стрип) для корпусов FCBGA/FCCSP или полупровод-
никовая пластина.
Кроме того, некоторые современные марки EMC-материалов могут иметь высокую теплопроводность за счет применения наполнителя из оксида алюминия (Al2O3), нитрида алюминия (AlN), нитрида бора (BN) и др. Отличные электроизоляционные характеристики позволяют эффективно использовать такие EMC-компаунды в производстве силовых компонентов, например, IGBT- или MOSFET-модулей.
Теперь о недостатках.
Первый из них кроется в самой технологии: так как литье корпуса выполняется под давлением и при повышенных температурах (порядка 170 °С), то достаточно велик риск разрушения или деформации сварных перемычек, что может привести к коротким замыканиям. Кроме того, для некоторых кристаллов, чувствительных к механическим и температурным воздействиям, герметизация методом литья под давлением может вообще не подходить.
Второй значительный фактор – это различие в тепловых коэффициентах расширения (ТКР) материалов, используемых при корпусировании. В табл. 1 приведены значения ТКР некоторых материалов, которые применяются при герметизации в пластик. Отметим, что существенное различие ТКР кремния, меди (материала, из которого изготавливаются выводные рамки) и EMC может привести к короблению корпуса и даже к обрыву сварных перемычек внутри компонента.
Далее, фактор надежности с точки зрения герметичности EMC-корпуса. Пластиковые корпуса не герметичны. Материалы EMC гигроскопичны, влагопоглощение
у них порядка 0,1–0,5 %, в зависимости от состава и наполнителей. Накопление влаги в корпусе может приводить к такому дефекту, как эффект попкорна, то есть вздутию корпуса во время процесса пайки.
И, наконец, самый главный недостаток (с точки зрения производителей СВЧ-компонентов) – достаточно высокая диэлектрическая проницаемость EMC, что неизбежно приводит к возникновению паразитных емкостей и высоким потерям при работе в СВЧ-диапазоне, ведь компаунд, как упоминалось выше, контактирует как с крис-
таллом, так и со сварными перемычками. Фактически, пластиковые корпуса непригодны для компонентов, работающих в диапазоне свыше 2 ГГц.
Если проанализировать недостатки пластиковых корпусов, то становится очевидно, что они не соответствуют требованиям, предъявляемым к изделиям ответственного применения и СВЧ-компонентам. В этой области применяются металлокерамические корпуса, которые лишены всех этих недостатков. Но так ли все однозначно? Да, надежность металлокерамических корпусов бесспорна. Однако их высокая стоимость ограничивает их использование в производстве гражданской электроники. Какая же есть альтернатива для производителей СВЧ-компонентов?
Пластиковые корпуса с открытой полостью
Альтернатива есть – это пластиковые корпуса с открытой полостью или OCPP (Open Cavity Plastic Packages).
В зарубежной литературе такой тип корпусов также именуется Open Air Plastic Packages, то есть пластиковые корпуса с воздушной полостью, что не меняет сути. Некоторые производители подчеркивают, то это pre-molded
(то есть предварительно отлитые) корпуса, так как иногда под OCPP понимается следующее: некий декапсулированный EMC-корпус реального компонента, из которого удален кристалл и сварные перемычки и который можно использовать для повторной макетной сборки.
В рамках настоящей статьи договоримся, что под OCPP мы будем понимать именно pre-molded-корпуса.
Конструкция такого корпуса, фактически, аналогична металлокерамическому, с той лишь разницей, что стенки корпуса изготовлены не из керамики, а из полимерного материала (рис. 3, рис. 4). В качестве полимера могут использоваться уже хорошо известные нам EMC-компаунды. Поскольку все их преимущества и недостатки перечислены в предыдущем разделе, то становятся вполне очевидными и потребительские качества OCPP-корпусов на базе EMC.
Также отметим, что OCPP-корпуса не являются чем-то новым даже на российском рынке. Например, хорошо известные российским производителям белых светодиодов выводные рамки с корпусами таких типов, как 2835, 3030 или 5050 – это не что иное, как предварительно отлитые корпуса с открытой полостью (рис. 5).
Далее в статье мы будем говорить не об EMC, а о так называемом LCP-полимере в качестве базового материа-
ла для изготовления OCPP-корпусов.
LCP – основные свойства
Что же такое LCP? Эта аббревиатура расшифровывается как Liquid Crystal Polymer, то есть жидкокристаллический полимер. Это высокотехнологичный термопластичный материал с уникальными свойствами, широко используемый в электронике, аэрокосмической отрасли и медицинских устройствах. LCP содержат бензольные кольца
в полимерных цепях (рис. 6), которые являются стержнеобразными структурами, организованными в большие параллельные матрицы [1].
То есть LCP отличаются уникальностью строения их молекул с возможностью самоорганизации в упорядоченные структуры при определенных условиях.
Объясним проще, что делает материал «жидкокристаллическим». В обычных полимерах (например, полиэтилене или EMC) молекулы расположены хаотично.
В LCP молекулы выстраиваются в упорядоченные структуры
(как в кристаллах), но при этом LCP сохраняет текучесть при нагреве, как жидкость.
Наглядная аналогия – представьте сваренные спагетти в кастрюле. Это обычный полимер. А LCP – это сырые спагетти, аккуратно уложенные параллельно друг другу, но которые еще можно согнуть или сдвинуть (рис. 7).
При нагреве LCP его молекулы самопроизвольно выравниваются в направлении течения материала (например, при литье под давлением). При этом резко снижается вязкость материала, позволяя ему заполнять микроскопические формы.
Перечислим основные свойства LCP-материалов:
LCP – это термопласты, в отличие от EMC, которые являются реактопластами. Термопласты при нагревании размягчаются и могут многократно переходить в вязкотекучее состояние, а при охлаждении – затвердевать. Реактопласты же при нагревании претерпевают необратимые химические изменения, образуя трехмерную сшитую структуру,
и не способны к повторному размягчению;
диэлектрическая проницаемость εr ≈ 3, тангенс угла диэлектрических потерь tg δ < 0,002 (при 1 ГГц), стабильность параметров вплоть до 110 ГГц [2];
термостойкость до 240–300 °С [3];
чрезвычайно низкое влагопоглощение порядка 0,02–0,04 % [3];
ТКР в диапазоне 10–17 ppm/°C (сравните с ТКР меди или EMC в табл. 1);
химическая инертность;
анизотропия свойств (прочность, термостойкость, ТКР);
высокая текучесть: возможность заполнения пустот размером вплоть до 1 мкм.
Благодаря таким характеристикам LCP достаточно давно и успешно применяются в производстве смартфонов (антенны iPhone), ВЧ-фильтров в поверхностно-монтируемом исполнении, фотонных ИС, разъемов (USB-C, Thunderbolt), хирургических инструментов
и имплантов.
Преимущества корпусов с открытой полостью на основе LCP
Преимущества OCPP-корпусов из жидкокристаллических полимеров проистекают из свойств этих материалов. Отметим, что форм-факторы корпусов могут быть различными – QFN, QFP, PLCC, Butterfly и др. (рис. 8).
Частотные характеристики OCPP из LCP:
низкие потери на гигагерцовых частотах, радиопрозрачность;
возможна интеграция пассивных ВЧ-компонентов, антенн, фильтров в стенки или крышку корпуса [2];
кристалл находится в воздушной полости – минимальные паразитные емкости (этот тезис справедлив и для OCPP из EMC).
Миниатюризация (важно для авионики, аэрокосмической электроники и портативной техники):
возможность изготавливать корпуса со сверхмалым шагом благодаря высокой текучести LCP;
возможность изготавливать корпуса с малой высотой;
низкий вес (относительно металлокерамики);
возможность многослойной интеграции (встроенные медные слои, переходные отверстия), данное свойство более применимо для производства плат и многослойных подложек из LCP.
Термомеханика:
высокая механическая прочность, поглощение виб-
рации/удара без риска растрескивания;
возможность использования оснований корпусов из разных материалов с теплопроводностью в диапазоне 10–1 000 Вт/(м·К) [4].
Экономическая эффективность:
стоимость LCP ниже, чем у керамики;
если формировать корпуса из LCP на выводной рамке методом молдинга, то благодаря массовости стои-
мость таких корпусов будет ниже, чем стоимость металлокерамических аналогов.
Применение LCP и корпусов
с открытой полостью на их основе
Итак, еще раз перечислим области, в которых возможно эффективное применение OCPP-корпусов на базе жидкокристаллических полимеров.
Модули ВЧ-усилителей мощности:
устройства беспроводной передачи данных (GaN-
усилители для базовых станций 5G);
спутники специального и гражданского назначения.
Фотоника, МЭМС:
корпуса Butterfly для фотонных ИС и лазерных дио-
дов;
ВЧ-МЭМС-переключатели, гироскопы, оптические МЭМС;
автомобильные РЛС, работающие в диапазоне
24–79 ГГц.
Интегрированные модули СВЧ:
«антенна-в-корпусе» (AiP – Antenna-in-Package);
многокристальные модули (5G-модули для IoT,
например сборка на LCP-интерпозере);
носимая и имплантируемая электроника.
Проблемы и решения
Важно отметить, что, при всех достоинствах жидкокристаллических полимеров, корпуса на их основе не обладают такой степенью герметичности, как их металлокерамические аналоги. Да, по потребительским качествам они значительно превосходят обычные пластиковые корпуса с точки зрения герметичности и низкого влагопоглощения. Но полностью быть равными по герметичности и теплопроводности металлокерамическим корпусам они не могут.
Однако не всегда и не везде требуется высокая степень герметичности. Например, фотонные ИС или лазерные диоды изготавливаются в корпусах типа Butterfly
в металлокерамическом исполнении. Минусы металлокерамики – высокая стоимость корпусов и невозможность масштабирования производства до уровней, характерных для корпусирования в пластик. Возможно, что для производителей фотоники или СВЧ-компонентов компромисс между несколько сниженной герметичностью OCPP-корпусов и их преимуществами с точки зрения себестоимости и масштабируемости производства будет технологически и экономически оправданным как для текущих потребностей рынка, так и для будущих разработок.
Второй важный момент. Адгезия LCP к меди недостаточно высока, чтобы применять эти полимеры для изготовления корпусов в формате выводных рамок так же, как и EMC. Поэтому OCPP-корпуса в формате рамок чаще производятся на базе EMC-материалов. Это является ограничением для LCP, и сложность изготовления (а значит и себестоимость) OCPP-корпусов из этих полимеров выше, чем стандартных pre-mold корпусов.
Именно поэтому, для обеспечения надежности
и герметичности соединения, боковые стенки из LCP монтируются на металлическое основание корпуса с помощью специального клея, чаще всего на эпоксидной основе. Экспериментально доказано, что такие специальные эпоксидные адгезивы формируют термостойкое соединение LCP-полимеров с металлами, сохраняя структурную целостность корпусов при 500 циклах температурных воздействий в диапазоне от -65 до +150 °С [3].
Третьим недостатком LCP является более низкая, по сравнению с керамикой, теплопроводность, что может быть проблемой для корпусирования мощных компонентов. Потенциальным решением может быть, как указывалось выше, использование металлических оснований корпусов из материалов с высокой теплопровод-
ностью.
Ну, и наконец, анизотропия свойств LCP также играет свою роль –
при отливке корпуса на медной выводной рамке происходит анизотропная усадка материала, что может привести к возникновению микротрещин
и микрозазоров на границе «LCP – металл». Решением может быть симметричный дизайн рамок и корпусов,
а также контролируемое охлаждение после молдинга для снятия механи-
ческих напряжений.
Сборка в корпуса с открытой
полостью на основе LCP
С точки зрения технологии корпусирования, сборка
в OCPP-корпуса ничем принципиальным не отличается от сборки на выводные рамки или металлокерамические корпуса. Основные операции все те же, кроме одного этапа – герметизации смонтированного в корпус и разваренного кристалла.
Здесь возможна вариативность – частичная или полная заливка кристалла компаундом (в том числе, оптически прозрачным), монтаж крышек и даже молдинг (рис. 9).
Наиболее часто используемым методом герметизации является монтаж крышек, как и в случае сборки в металлокерамические корпуса. Крышки могут быть как полимерными (из EMC или LCP), так и керамическими. Также могут быть использованы стеклянные крышки, если это конструктивно необходимо.
С технологической точки зрения монтаж крышек является наиболее узким местом в процессе сборки компонентов в OCPP-корпуса: во-первых, это последовательный,
а не групповой процесс; во-вторых, компоненты (особенно QFN) могут быть малых размеров, например, от 3 × 3 мм.
Стандартные линии для монтажа крышек на FCBGA/FCCSP-корпуса имеют ограничение по минимальному размеру крышек (обычно от 7 × 7 мм), поэтому не могут быть использованы для корпусов меньшего размера.
Для монтажа крышек могут использоваться следующие процессы:
Вариант 1:
дозирование клея по периметру корпуса;
монтаж крышки;
полимеризация клея.
Вариант 2 (рис. 10):
монтаж крышки, на которую предварительно нанесен слой частично отвержденного эпоксидного адгезива (так называемого B-stage Epoxy);
полимеризация клея.
Оба рассматриваемых метода монтажа крышек имеют ограничения по производительности, поскольку представляют собой последовательные технологические операции, требующие дополнительного времени для полного отверждения клеевого состава. Кроме того, использование предотвержденного эпоксидного адгезива на крышке также накладывает свои ограничения. Во-первых, срок хранения крышек с таким адгезивом сос-
тавляет не более одного года при температуре -40 °С. Во-вторых, нет информации, что такие крышки производятся в России, а стоимость их доставки из-за рубежа может быть достаточно высокой, поскольку необходимо выполнять требования по поддержке низкой температуры во время транспортировки (сухой лед в упаковке).
При этом транспортировка должна быть максимально быстрой, не более 5–7 дней – именно столько сухой лед сохраняет свои свойства.
Выводы
Корпуса с открытой полостью – это технологически оптимизированное решение, органично сочетающее ключевые преимущества металлокерамических и металлополимерных корпусов. От первых заимствованы такие критически важные для высокочастотных применений характеристики, как наличие воздушной полости и минимальные ди-
электрические потери в гигагерцовом диапазоне. От вторых – экономическая эффективность и технологическая адаптируемость к условиям массового производства.
Для СВЧ-устройств OCPP-корпуса обеспечивают стабильность характеристик в широком частотном диапазоне, особенно в сравнении с традиционными пластиковыми корпусами. Перспективные области применения:
телекоммуникационное оборудование нового поколения (5G/6G-системы);
фотонные устройства и оптоэлектронные модули;
компоненты интернета вещей (IoT);
аэрокосмическая и спутниковая электроника;
радиолокационные системы;
медицинская диагностическая аппаратура.
Такая универсальность делает OCPP-корпуса потенциально интересным решением для производства сов-
ременных электронных компонентов, особенно в сегменте СВЧ-техники.
ЛИТЕРАТУРА
Высокоэффективные жидкокристаллические
полимеры [Электронный ресурс].
Режим доступа: https://www.newchemistry.ru/
letter.php?n_id=586&cat_id=8.
Дата обращения: 15.08.2025.
Takata K., Pham A.-V. Electrical properties
and practical applications of Liquid Crystal Polymer flex // Proceedings of IEEE Polytronic 2007 Conference.
Kisarazu, Chiba, 2007. pp. 67–72.
Koelnik M. H., Vanstraten G.,
Salhuana W., Bregante R., Knippscheer S.
Reliability Considerations on LCP Air-Cavity
Packages for Photonics Integrated
Circuits (PICs). PHIX Photonics Assembly, 2025.
Packaging options expand in RF power. Jeff Crowder,
RJR Polymers, Inc. 2010 [Электронный ресурс].
Режим доступа: https://www.eetimes.com/
packaging-options-expand-in-rf-power/.
Дата обращения: 05.08.2025
проблемы и решения
С. Воробьев1
В статье рассматриваются конструктивные особенности пластиковых корпусов с открытой полостью (OCPP) и материалы, используемые
для их изготовления. Описываются свойства жидкокристаллических полимеров (LCP), включая их диэлектрические, термические и адгезионные характеристики. Проанализированы ключевые преимущества OCPP-корпусов по сравнению с традиционными решениями, такие как улучшенные высокочастотные параметры
и повышенная термостойкость, что делает их оптимальным выбором
для применения в современных электронных системах.
Герметизация в пластик
В течение последних 2–3 лет российские предприятия, занимающиеся сборкой полупроводниковых компонентов, активизировали внедрение технологии корпусирования в пластик (рис. 1). Следует отметить, что термин «корпусирование в пластик» не является профессиональным, а используется преимущественно в разговорной речи; в технической документации применяется обозначение «металлополимерный корпус». Данное наименование более точно отражает суть технологии, поскольку сборка выполняется на металлическом носителе (медной выводной рамке), а для герметизации используются специа-
лизированные полимеры – эпоксидные компаунды с наполнителем. В зарубежной литературе и технической документации эти полимеры фигурируют под аббревиатурой EMC, то есть Epoxy Molding Compound. Для простоты и удобства в настоящей статье мы будем использовать оба обозначения – пластик и EMC.
Методы герметизации в пластик
Для герметизации в пластик применяют два основных метода:
литье компаунда EMC под давлением (transfer molding, трансферное прессование или просто молдинг);
компрессионное прессование (compression molding).
В первом случае в нижнюю часть пресс-формы закладывается групповая заготовка. Обычно это выводная рамка или FCBGA/FCCSP-подложка. В более продвинутых сис-
темах в качестве подложки возможно использование полупроводниковых пластин (в этом случае речь уже идет о корпусировании на уровне пластины или WLP – Wafer Level Packaging). Далее пресс-форма смыкается, и в нее под давлением подается расплавленный EMC-компаунд. По завершении процесса, когда компаунд полимеризовался, форма размыкается и заготовка с отлитыми корпусами вынимается из нее.
Процесс компрессионного прессования реализуется несколько иначе. Во-первых, групповая заготовка размещается не в нижней, а верхней части пресс-формы. Во-вторых, материал подается (дозируется) в нижнюю часть пресс-формы. После дозирования необходимого объема материала обе части пресс-формы смыкаются, и далее процесс осуществляется так же, как и в случае литьевого прессования.
Литьевое прессование применяется в основном для производства компонентов в стандартных корпусах для поверхностного монтажа (рис. 2). Компрессионное прессование используется для изготовления корпусов сложной формы (например, первичной оптики для светодио-
дов). Общим для обоих методов является то, что в результате герметизации компаунд, полимеризуясь, создает монолитный корпус, который вплотную контактирует как с кристаллом, так и со сварными перемычками.
Корпуса на основе EMC –
преимущества и недостатки
Как и любая технология, корпусирование в пластик имеет свои преимущества и недостатки. Рассмотрим их пос-
ледовательно, начиная с преимуществ.
Первое и главное достоинство герметизации в пластик – высокая производительность процесса, обеспечивающая массовое производство электронных компонентов. За счет массовости, несмотря на достаточно высокие исходные затраты на проектирование и изготовление пресс-формы, достигается низкая себестоимость производства каждого отдельного корпуса.
Во-вторых, этот метод позволяет выпускать широкую номенклатуру стандартных корпусов, он успешно адаптирован для использования разных типов подложек, будь то металлическая выводная рамка, органическая подложка (стрип) для корпусов FCBGA/FCCSP или полупровод-
никовая пластина.
Кроме того, некоторые современные марки EMC-материалов могут иметь высокую теплопроводность за счет применения наполнителя из оксида алюминия (Al2O3), нитрида алюминия (AlN), нитрида бора (BN) и др. Отличные электроизоляционные характеристики позволяют эффективно использовать такие EMC-компаунды в производстве силовых компонентов, например, IGBT- или MOSFET-модулей.
Теперь о недостатках.
Первый из них кроется в самой технологии: так как литье корпуса выполняется под давлением и при повышенных температурах (порядка 170 °С), то достаточно велик риск разрушения или деформации сварных перемычек, что может привести к коротким замыканиям. Кроме того, для некоторых кристаллов, чувствительных к механическим и температурным воздействиям, герметизация методом литья под давлением может вообще не подходить.
Второй значительный фактор – это различие в тепловых коэффициентах расширения (ТКР) материалов, используемых при корпусировании. В табл. 1 приведены значения ТКР некоторых материалов, которые применяются при герметизации в пластик. Отметим, что существенное различие ТКР кремния, меди (материала, из которого изготавливаются выводные рамки) и EMC может привести к короблению корпуса и даже к обрыву сварных перемычек внутри компонента.
Далее, фактор надежности с точки зрения герметичности EMC-корпуса. Пластиковые корпуса не герметичны. Материалы EMC гигроскопичны, влагопоглощение
у них порядка 0,1–0,5 %, в зависимости от состава и наполнителей. Накопление влаги в корпусе может приводить к такому дефекту, как эффект попкорна, то есть вздутию корпуса во время процесса пайки.
И, наконец, самый главный недостаток (с точки зрения производителей СВЧ-компонентов) – достаточно высокая диэлектрическая проницаемость EMC, что неизбежно приводит к возникновению паразитных емкостей и высоким потерям при работе в СВЧ-диапазоне, ведь компаунд, как упоминалось выше, контактирует как с крис-
таллом, так и со сварными перемычками. Фактически, пластиковые корпуса непригодны для компонентов, работающих в диапазоне свыше 2 ГГц.
Если проанализировать недостатки пластиковых корпусов, то становится очевидно, что они не соответствуют требованиям, предъявляемым к изделиям ответственного применения и СВЧ-компонентам. В этой области применяются металлокерамические корпуса, которые лишены всех этих недостатков. Но так ли все однозначно? Да, надежность металлокерамических корпусов бесспорна. Однако их высокая стоимость ограничивает их использование в производстве гражданской электроники. Какая же есть альтернатива для производителей СВЧ-компонентов?
Пластиковые корпуса с открытой полостью
Альтернатива есть – это пластиковые корпуса с открытой полостью или OCPP (Open Cavity Plastic Packages).
В зарубежной литературе такой тип корпусов также именуется Open Air Plastic Packages, то есть пластиковые корпуса с воздушной полостью, что не меняет сути. Некоторые производители подчеркивают, то это pre-molded
(то есть предварительно отлитые) корпуса, так как иногда под OCPP понимается следующее: некий декапсулированный EMC-корпус реального компонента, из которого удален кристалл и сварные перемычки и который можно использовать для повторной макетной сборки.
В рамках настоящей статьи договоримся, что под OCPP мы будем понимать именно pre-molded-корпуса.
Конструкция такого корпуса, фактически, аналогична металлокерамическому, с той лишь разницей, что стенки корпуса изготовлены не из керамики, а из полимерного материала (рис. 3, рис. 4). В качестве полимера могут использоваться уже хорошо известные нам EMC-компаунды. Поскольку все их преимущества и недостатки перечислены в предыдущем разделе, то становятся вполне очевидными и потребительские качества OCPP-корпусов на базе EMC.
Также отметим, что OCPP-корпуса не являются чем-то новым даже на российском рынке. Например, хорошо известные российским производителям белых светодиодов выводные рамки с корпусами таких типов, как 2835, 3030 или 5050 – это не что иное, как предварительно отлитые корпуса с открытой полостью (рис. 5).
Далее в статье мы будем говорить не об EMC, а о так называемом LCP-полимере в качестве базового материа-
ла для изготовления OCPP-корпусов.
LCP – основные свойства
Что же такое LCP? Эта аббревиатура расшифровывается как Liquid Crystal Polymer, то есть жидкокристаллический полимер. Это высокотехнологичный термопластичный материал с уникальными свойствами, широко используемый в электронике, аэрокосмической отрасли и медицинских устройствах. LCP содержат бензольные кольца
в полимерных цепях (рис. 6), которые являются стержнеобразными структурами, организованными в большие параллельные матрицы [1].
То есть LCP отличаются уникальностью строения их молекул с возможностью самоорганизации в упорядоченные структуры при определенных условиях.
Объясним проще, что делает материал «жидкокристаллическим». В обычных полимерах (например, полиэтилене или EMC) молекулы расположены хаотично.
В LCP молекулы выстраиваются в упорядоченные структуры
(как в кристаллах), но при этом LCP сохраняет текучесть при нагреве, как жидкость.
Наглядная аналогия – представьте сваренные спагетти в кастрюле. Это обычный полимер. А LCP – это сырые спагетти, аккуратно уложенные параллельно друг другу, но которые еще можно согнуть или сдвинуть (рис. 7).
При нагреве LCP его молекулы самопроизвольно выравниваются в направлении течения материала (например, при литье под давлением). При этом резко снижается вязкость материала, позволяя ему заполнять микроскопические формы.
Перечислим основные свойства LCP-материалов:
LCP – это термопласты, в отличие от EMC, которые являются реактопластами. Термопласты при нагревании размягчаются и могут многократно переходить в вязкотекучее состояние, а при охлаждении – затвердевать. Реактопласты же при нагревании претерпевают необратимые химические изменения, образуя трехмерную сшитую структуру,
и не способны к повторному размягчению;
диэлектрическая проницаемость εr ≈ 3, тангенс угла диэлектрических потерь tg δ < 0,002 (при 1 ГГц), стабильность параметров вплоть до 110 ГГц [2];
термостойкость до 240–300 °С [3];
чрезвычайно низкое влагопоглощение порядка 0,02–0,04 % [3];
ТКР в диапазоне 10–17 ppm/°C (сравните с ТКР меди или EMC в табл. 1);
химическая инертность;
анизотропия свойств (прочность, термостойкость, ТКР);
высокая текучесть: возможность заполнения пустот размером вплоть до 1 мкм.
Благодаря таким характеристикам LCP достаточно давно и успешно применяются в производстве смартфонов (антенны iPhone), ВЧ-фильтров в поверхностно-монтируемом исполнении, фотонных ИС, разъемов (USB-C, Thunderbolt), хирургических инструментов
и имплантов.
Преимущества корпусов с открытой полостью на основе LCP
Преимущества OCPP-корпусов из жидкокристаллических полимеров проистекают из свойств этих материалов. Отметим, что форм-факторы корпусов могут быть различными – QFN, QFP, PLCC, Butterfly и др. (рис. 8).
Частотные характеристики OCPP из LCP:
низкие потери на гигагерцовых частотах, радиопрозрачность;
возможна интеграция пассивных ВЧ-компонентов, антенн, фильтров в стенки или крышку корпуса [2];
кристалл находится в воздушной полости – минимальные паразитные емкости (этот тезис справедлив и для OCPP из EMC).
Миниатюризация (важно для авионики, аэрокосмической электроники и портативной техники):
возможность изготавливать корпуса со сверхмалым шагом благодаря высокой текучести LCP;
возможность изготавливать корпуса с малой высотой;
низкий вес (относительно металлокерамики);
возможность многослойной интеграции (встроенные медные слои, переходные отверстия), данное свойство более применимо для производства плат и многослойных подложек из LCP.
Термомеханика:
высокая механическая прочность, поглощение виб-
рации/удара без риска растрескивания;
возможность использования оснований корпусов из разных материалов с теплопроводностью в диапазоне 10–1 000 Вт/(м·К) [4].
Экономическая эффективность:
стоимость LCP ниже, чем у керамики;
если формировать корпуса из LCP на выводной рамке методом молдинга, то благодаря массовости стои-
мость таких корпусов будет ниже, чем стоимость металлокерамических аналогов.
Применение LCP и корпусов
с открытой полостью на их основе
Итак, еще раз перечислим области, в которых возможно эффективное применение OCPP-корпусов на базе жидкокристаллических полимеров.
Модули ВЧ-усилителей мощности:
устройства беспроводной передачи данных (GaN-
усилители для базовых станций 5G);
спутники специального и гражданского назначения.
Фотоника, МЭМС:
корпуса Butterfly для фотонных ИС и лазерных дио-
дов;
ВЧ-МЭМС-переключатели, гироскопы, оптические МЭМС;
автомобильные РЛС, работающие в диапазоне
24–79 ГГц.
Интегрированные модули СВЧ:
«антенна-в-корпусе» (AiP – Antenna-in-Package);
многокристальные модули (5G-модули для IoT,
например сборка на LCP-интерпозере);
носимая и имплантируемая электроника.
Проблемы и решения
Важно отметить, что, при всех достоинствах жидкокристаллических полимеров, корпуса на их основе не обладают такой степенью герметичности, как их металлокерамические аналоги. Да, по потребительским качествам они значительно превосходят обычные пластиковые корпуса с точки зрения герметичности и низкого влагопоглощения. Но полностью быть равными по герметичности и теплопроводности металлокерамическим корпусам они не могут.
Однако не всегда и не везде требуется высокая степень герметичности. Например, фотонные ИС или лазерные диоды изготавливаются в корпусах типа Butterfly
в металлокерамическом исполнении. Минусы металлокерамики – высокая стоимость корпусов и невозможность масштабирования производства до уровней, характерных для корпусирования в пластик. Возможно, что для производителей фотоники или СВЧ-компонентов компромисс между несколько сниженной герметичностью OCPP-корпусов и их преимуществами с точки зрения себестоимости и масштабируемости производства будет технологически и экономически оправданным как для текущих потребностей рынка, так и для будущих разработок.
Второй важный момент. Адгезия LCP к меди недостаточно высока, чтобы применять эти полимеры для изготовления корпусов в формате выводных рамок так же, как и EMC. Поэтому OCPP-корпуса в формате рамок чаще производятся на базе EMC-материалов. Это является ограничением для LCP, и сложность изготовления (а значит и себестоимость) OCPP-корпусов из этих полимеров выше, чем стандартных pre-mold корпусов.
Именно поэтому, для обеспечения надежности
и герметичности соединения, боковые стенки из LCP монтируются на металлическое основание корпуса с помощью специального клея, чаще всего на эпоксидной основе. Экспериментально доказано, что такие специальные эпоксидные адгезивы формируют термостойкое соединение LCP-полимеров с металлами, сохраняя структурную целостность корпусов при 500 циклах температурных воздействий в диапазоне от -65 до +150 °С [3].
Третьим недостатком LCP является более низкая, по сравнению с керамикой, теплопроводность, что может быть проблемой для корпусирования мощных компонентов. Потенциальным решением может быть, как указывалось выше, использование металлических оснований корпусов из материалов с высокой теплопровод-
ностью.
Ну, и наконец, анизотропия свойств LCP также играет свою роль –
при отливке корпуса на медной выводной рамке происходит анизотропная усадка материала, что может привести к возникновению микротрещин
и микрозазоров на границе «LCP – металл». Решением может быть симметричный дизайн рамок и корпусов,
а также контролируемое охлаждение после молдинга для снятия механи-
ческих напряжений.
Сборка в корпуса с открытой
полостью на основе LCP
С точки зрения технологии корпусирования, сборка
в OCPP-корпуса ничем принципиальным не отличается от сборки на выводные рамки или металлокерамические корпуса. Основные операции все те же, кроме одного этапа – герметизации смонтированного в корпус и разваренного кристалла.
Здесь возможна вариативность – частичная или полная заливка кристалла компаундом (в том числе, оптически прозрачным), монтаж крышек и даже молдинг (рис. 9).
Наиболее часто используемым методом герметизации является монтаж крышек, как и в случае сборки в металлокерамические корпуса. Крышки могут быть как полимерными (из EMC или LCP), так и керамическими. Также могут быть использованы стеклянные крышки, если это конструктивно необходимо.
С технологической точки зрения монтаж крышек является наиболее узким местом в процессе сборки компонентов в OCPP-корпуса: во-первых, это последовательный,
а не групповой процесс; во-вторых, компоненты (особенно QFN) могут быть малых размеров, например, от 3 × 3 мм.
Стандартные линии для монтажа крышек на FCBGA/FCCSP-корпуса имеют ограничение по минимальному размеру крышек (обычно от 7 × 7 мм), поэтому не могут быть использованы для корпусов меньшего размера.
Для монтажа крышек могут использоваться следующие процессы:
Вариант 1:
дозирование клея по периметру корпуса;
монтаж крышки;
полимеризация клея.
Вариант 2 (рис. 10):
монтаж крышки, на которую предварительно нанесен слой частично отвержденного эпоксидного адгезива (так называемого B-stage Epoxy);
полимеризация клея.
Оба рассматриваемых метода монтажа крышек имеют ограничения по производительности, поскольку представляют собой последовательные технологические операции, требующие дополнительного времени для полного отверждения клеевого состава. Кроме того, использование предотвержденного эпоксидного адгезива на крышке также накладывает свои ограничения. Во-первых, срок хранения крышек с таким адгезивом сос-
тавляет не более одного года при температуре -40 °С. Во-вторых, нет информации, что такие крышки производятся в России, а стоимость их доставки из-за рубежа может быть достаточно высокой, поскольку необходимо выполнять требования по поддержке низкой температуры во время транспортировки (сухой лед в упаковке).
При этом транспортировка должна быть максимально быстрой, не более 5–7 дней – именно столько сухой лед сохраняет свои свойства.
Выводы
Корпуса с открытой полостью – это технологически оптимизированное решение, органично сочетающее ключевые преимущества металлокерамических и металлополимерных корпусов. От первых заимствованы такие критически важные для высокочастотных применений характеристики, как наличие воздушной полости и минимальные ди-
электрические потери в гигагерцовом диапазоне. От вторых – экономическая эффективность и технологическая адаптируемость к условиям массового производства.
Для СВЧ-устройств OCPP-корпуса обеспечивают стабильность характеристик в широком частотном диапазоне, особенно в сравнении с традиционными пластиковыми корпусами. Перспективные области применения:
телекоммуникационное оборудование нового поколения (5G/6G-системы);
фотонные устройства и оптоэлектронные модули;
компоненты интернета вещей (IoT);
аэрокосмическая и спутниковая электроника;
радиолокационные системы;
медицинская диагностическая аппаратура.
Такая универсальность делает OCPP-корпуса потенциально интересным решением для производства сов-
ременных электронных компонентов, особенно в сегменте СВЧ-техники.
ЛИТЕРАТУРА
Высокоэффективные жидкокристаллические
полимеры [Электронный ресурс].
Режим доступа: https://www.newchemistry.ru/
letter.php?n_id=586&cat_id=8.
Дата обращения: 15.08.2025.
Takata K., Pham A.-V. Electrical properties
and practical applications of Liquid Crystal Polymer flex // Proceedings of IEEE Polytronic 2007 Conference.
Kisarazu, Chiba, 2007. pp. 67–72.
Koelnik M. H., Vanstraten G.,
Salhuana W., Bregante R., Knippscheer S.
Reliability Considerations on LCP Air-Cavity
Packages for Photonics Integrated
Circuits (PICs). PHIX Photonics Assembly, 2025.
Packaging options expand in RF power. Jeff Crowder,
RJR Polymers, Inc. 2010 [Электронный ресурс].
Режим доступа: https://www.eetimes.com/
packaging-options-expand-in-rf-power/.
Дата обращения: 05.08.2025
Отзывы читателей
