スイッチ・リレーにおけるポッティング技術とフラットリボン封止で信頼性を確保

電子デバイスに気密封止を実現するさらなる方法

前回は、電子製品における真空気密ガラス-金属封止の重要性について語りました。同様に、ポッティング（封止樹脂充填）も、電子スイッチングデバイス、特に固体リレーに用いられる半導体のフラットリボンを気密封止パッケージで保護する手段として広く用いられています。

ポッティングとは？

ポッティングでは、電子部品やアセンブリ全体を固体またはゼラチン状の化合物で完全に覆い、衝撃・振動耐性を付与し、粉塵・汚染物質・湿気・腐食性物質の侵入を防ぎます。通常、電子部品をシリコーン、エポキシ、ウレタンなどの液体誘電体に浸漬または注入し、硬化させます。ボイドフリーなポッティングを実現するには、樹脂が液体状態のときに製品を真空チャンバーに入れ、真空引きして内部キャビティと樹脂から空気を追い出し、大気圧に戻すことでボイドを潰し、液体樹脂を隅々まで行き渡らせます。

誘電体ポッティングは、電子性能の確保と固体電子部品を環境的・機械的ダメージから守るために広く用いられます。おまけに、ポッティングはアセンブリを保持する構造体の役割も果たします。

フラットリボンと半導体：固体リレーの心臓部

現代のスイッチング用途の多くは、固体リレー（SSR）を用いて電力回路を制御・遮断します。フラットリボン上のパワー半導体デバイスで、最大約100アンペアの電流をスイッチングします。SSRは電磁リレーより高速で、可動部がないため摩耗せず、接点のピッティングやカーボン堆積もなく、長寿命で使用量に関わらず一定の出力抵抗を維持します。

パワー半導体は、個別のディスクリートデバイスまたは多くの場合、フラットリボン上にアレイされた集積回路で構成され、高電流・高電圧用途（スイッチング電源など）のスイッチや整流器として機能します。代表的なパワーデバイスには、パワーダイオード、サイリスタ、MOSFET、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（IGBT）があります。

ヒートシンクと半導体からの放熱

半導体は高温下で性能が低下するため、SSRのパワーデバイスには、高温と熱サイクルで発生する熱を取り除くヒートシンクが必要です。パッケージングは、半導体デバイスから外部環境へ熱を伝導し放熱する手段を提供します。パワーデバイスをヒートシンクに取り付けることで、動作損失による発熱も除去できます。また、パッケージングは機械的衝撃、振動、湿度、外部磁場などへの感度を低減します。

ポッティングは、フラットリボンを用いる半導体部品のパッケージ作成によく用いられます。ハーメチックパッケージングも、半導体ダイをパッケージキャビティに配置し真空引きした後、セラミックや金属キャップで封止することで実現できます。

ガラス-金属封止と同様に、パッケージング材料の熱膨張係数がシリコン半導体デバイスと適合しているか確認することが重要です。同様に、フラットリボンに割れ、クラック、その他表面欠陥がないか確認し、封止パッケージの完全性を損なわないようにすることが不可欠です。フラットリボンの目視検査と渦電流検査（ECT）を慎重に行い、表面およびサブサーフェスの欠陥がないか検証できます（ECTについては過去のブログをご覧いただくか、メタルカッティング社へお問い合わせください）。

また、ポッティング樹脂を電子部品に直接注入する場合、精密製造装置が正しくプログラムされ、適切な材料比率で供給され、デリケートな半導体デバイスを傷つけずに気密パッケージを形成できているか確認する必要があります。

水銀スイッチの封止

ポッティングがよく適用されるもう一つの電子デバイスが水銀スイッチです。名前の通り、少量の液体水銀を使って電気回路を開閉します。水銀はわずかな量でも重力に極めて敏感なため、シンプルで低力なスイッチ機構に独自のセンシング機能を提供します。

水銀スイッチは、1組以上の電気接点を、水銀ビーズを含む密封ガラスエンベロープ内に収めています。エンベロープには空気、不活性ガス、または真空が充填されることもあります。スイッチを傾けると水銀が接点に触れたり離れたりして回路を開閉します。複数の接点組を備え、異なる角度で異なる接点を閉じることで、多方向の動きを検知できます。

水銀は用途と廃棄が厳しく規制されている有毒金属であるため、かつての多くの用途は代替されてきました。例えば、新車での照明制御やABS用途は、10年以上前に米国で中止されました。しかし、建設機械の転倒・転落警告用チルトスイッチ、航空機の電動式姿勢指示器（人工水平儀）のジャイロ軸垂直維持、自販機の傾き検知アラームなど、安全デバイスでは依然として貴重な役割を果たしています。

気密封止の結論

電球のガラス-金属接合、固体リレーのフラットリボン構成半導体のポッティングパッケージ、水銀スイッチのエンベロープ、いずれにおいても気密封止を確実にすることが極めて重要です。適切なパートナーと連携すれば、こうした重要電子部品とプロセスがサプライチェーン全体で検証され、望む最終結果が得られます。

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