Embalaje electrónico - Electronic packaging
El empaquetado electrónico es el diseño y producción de carcasas para dispositivos electrónicos que van desde dispositivos semiconductores individuales hasta sistemas completos como una computadora central . El empaque de un sistema electrónico debe considerar la protección contra daños mecánicos, enfriamiento, emisión de ruido de radiofrecuencia y descarga electrostática . Los estándares de seguridad del producto pueden dictar características particulares de un producto de consumo, por ejemplo, la temperatura externa de la carcasa o la conexión a tierra de las partes metálicas expuestas. Los prototipos y equipos industriales fabricados en pequeñas cantidades pueden utilizar recintos estandarizados disponibles comercialmente, como jaulas para tarjetas o cajas prefabricadas. Los dispositivos de consumo masivo pueden tener empaques altamente especializados para aumentar el atractivo del consumidor. El embalaje electrónico es una disciplina importante dentro del campo de la ingeniería mecánica.
Diseño
Los envases electrónicos se pueden organizar por niveles:
- Nivel 0: "Chip", que protege un semiconductor desnudo de la contaminación y los daños.
- Nivel 1: componente, como el diseño de paquetes de semiconductores y el empaquetado de otros componentes discretos.
- Nivel 2 - Placa de cableado grabada (placa de circuito impreso).
- Nivel 3 - Ensamblaje, una o más placas de cableado y componentes asociados.
- Nivel 4 - Módulo, ensamblajes integrados en un gabinete general.
- Nivel 5: sistema, un conjunto de módulos combinados para algún propósito.
El mismo sistema electrónico puede empaquetarse como un dispositivo portátil o adaptarse para montaje fijo en un bastidor de instrumentos o instalación permanente. El embalaje para sistemas aeroespaciales, marinos o militares impone diferentes tipos de criterios de diseño.
El embalaje electrónico se basa en principios de ingeniería mecánica como la dinámica, el análisis de tensión, la transferencia de calor y la mecánica de fluidos. El equipo de alta confiabilidad a menudo debe sobrevivir a pruebas de caída, vibración de carga suelta, vibración de carga segura, temperaturas extremas, humedad, inmersión en agua o rocío, lluvia, luz solar (UV, IR y luz visible), niebla salina, choque explosivo y muchos más. Estos requisitos se extienden más allá del diseño eléctrico e interactúan con él.
Un conjunto de componentes electrónicos consta de dispositivos de componentes, conjuntos de tarjetas de circuito (CCA), conectores, cables y componentes como transformadores, fuentes de alimentación, relés, interruptores, etc. que pueden no montarse en la tarjeta de circuito.
Muchos productos eléctricos requieren la fabricación de piezas de gran volumen y bajo costo, como envolventes o cubiertas, mediante técnicas como moldeo por inyección, fundición a presión, fundición a presión, etc. El diseño de estos productos depende del método de producción y requiere una consideración cuidadosa de las dimensiones y tolerancias y el diseño de las herramientas. Algunas piezas pueden fabricarse mediante procesos especializados, como yeso y fundición en arena de cerramientos metálicos.
En el diseño de productos electrónicos, los ingenieros de envasado electrónico realizan análisis para estimar cosas como las temperaturas máximas de los componentes, las frecuencias de resonancia estructural y las tensiones y deflexiones dinámicas en los entornos más desfavorables. Este conocimiento es importante para evitar fallos de productos electrónicos inmediatos o prematuros.
Consideraciones de diseño
Un diseñador debe equilibrar muchos objetivos y consideraciones prácticas al seleccionar métodos de empaque.
- Peligros contra los que protegerse: daños mecánicos, exposición a la intemperie y suciedad, interferencias electromagnéticas, etc.
- Requisitos de disipación de calor
- Compensación entre el costo de capital de las herramientas y el costo unitario
- Compensaciones entre el tiempo hasta la primera entrega y la tasa de producción
- Disponibilidad y capacidad de proveedores
- Diseño y conveniencia de la interfaz de usuario
- Facilidad de acceso a las piezas internas cuando sea necesario para el mantenimiento
- Seguridad del producto y cumplimiento de las normas reglamentarias
- Estética y otras consideraciones de marketing
- Vida útil y confiabilidad
Materiales de embalaje
Hoja de metal
La chapa metálica perforada y formada es uno de los tipos más antiguos de embalaje electrónico. Puede ser mecánicamente fuerte, proporciona blindaje electromagnético cuando el producto requiere esa característica y se fabrica fácilmente para prototipos y pequeñas series de producción con poco gasto de herramientas personalizadas.
Metal fundido
Las piezas de fundición de metal con juntas se utilizan a veces para empaquetar equipos electrónicos para entornos excepcionalmente severos, como en la industria pesada, a bordo de un barco o bajo el agua. Las fundiciones a presión de aluminio son más comunes que las fundiciones en arena de hierro o acero.
Metal mecanizado
Los paquetes electrónicos a veces se fabrican mecanizando bloques sólidos de metal, generalmente aluminio, en formas complejas. Son bastante comunes en conjuntos de microondas para uso aeroespacial, donde las líneas de transmisión de precisión requieren formas metálicas complejas, en combinación con carcasas herméticamente selladas. Las cantidades tienden a ser pequeñas; a veces solo se requiere una unidad de un diseño personalizado. Los costos de las piezas son altos, pero el costo de las herramientas personalizadas es mínimo o nulo, y las entregas de la primera pieza pueden demorar tan solo medio día. La herramienta de elección es una fresadora vertical controlada numéricamente, con traducción automática de archivos de diseño asistido por computadora (CAD) a archivos de comando de trayectoria.
Plástico moldeado
Las cajas de plástico moldeado y las piezas estructurales se pueden fabricar mediante una variedad de métodos, ofreciendo compensaciones en el costo de la pieza, el costo de las herramientas, las propiedades mecánicas y eléctricas y la facilidad de ensamblaje. Algunos ejemplos son el moldeo por inyección, el moldeo por transferencia, el conformado al vacío y el troquelado. Pl puede procesarse posteriormente para proporcionar superficies conductoras.
Macetas
También llamado "encapsulación", el encapsulado consiste en sumergir la pieza o ensamblaje en una resina líquida y luego curarlo. Otro método coloca la pieza o ensamblaje en un molde, y en él se vierte el compuesto para macetas, y después del curado, el molde no se quita, pasando a formar parte de la pieza o ensamblaje. El encapsulado se puede realizar en una carcasa de encapsulado premoldeada o directamente en un molde. Hoy en día se usa más ampliamente para proteger los componentes semiconductores de la humedad y los daños mecánicos, y para servir como una estructura mecánica que mantiene unidos el marco de plomo y el chip. En épocas anteriores, a menudo se usaba para desalentar la ingeniería inversa de productos patentados construidos como módulos de circuitos impresos. También se usa comúnmente en productos de alto voltaje para permitir que las partes activas se coloquen más juntas (eliminando las descargas de corona debido a la alta resistencia dieléctrica del compuesto de relleno), de modo que el producto pueda ser más pequeño. Esto también excluye la suciedad y los contaminantes conductores (como el agua impura) de las áreas sensibles. Otro uso es proteger los elementos de inmersión profunda, como los transductores de sonda, para que no colapsen bajo presión extrema, llenando todos los vacíos . El encapsulado puede ser rígido o blando. Cuando se requiere un encapsulado sin huecos, es una práctica común colocar el producto en una cámara de vacío mientras la resina aún está líquida, mantener el vacío durante varios minutos para sacar el aire de las cavidades internas y la resina misma, luego liberar el vacío . La presión atmosférica colapsa los vacíos y fuerza a la resina líquida a entrar en todos los espacios internos. El envasado al vacío funciona mejor con resinas que curan por polimerización, en lugar de evaporación del solvente.
Sellado o impregnación de porosidad
El sellado de porosidad o la impregnación de resina es similar al encapsulado, pero no utiliza una cáscara ni un molde. Las piezas se sumergen en un monómero polimerizable o una solución de plástico de baja viscosidad a base de disolvente. La presión sobre el fluido se reduce a un vacío total. Después de que se libera el vacío, el fluido fluye hacia la pieza. Cuando la pieza se retira del baño de resina, se escurre y / o se limpia y luego se cura. El curado puede consistir en polimerizar la resina interna o evaporar el solvente, lo que deja un material dieléctrico aislante entre diferentes componentes de voltaje. El sellado de porosidad (impregnación de resina) llena todos los espacios interiores y puede o no dejar una capa delgada en la superficie, según el rendimiento del lavado / enjuague. La principal aplicación del sellado de porosidad por impregnación al vacío es aumentar la rigidez dieléctrica de transformadores, solenoides, pilas o bobinas de laminación y algunos componentes de alto voltaje. Evita que se forme ionización entre superficies vivas poco espaciadas e inicie la falla.
Llenado de liquido
En ocasiones, el relleno líquido se utiliza como alternativa al encapsulado o la impregnación. Por lo general, es un fluido dieléctrico, elegido por su compatibilidad química con los otros materiales presentes. Este método se utiliza principalmente en equipos eléctricos muy grandes, como transformadores de servicios públicos, para aumentar la tensión de ruptura. También se puede utilizar para mejorar la transferencia de calor, especialmente si se deja circular por convección natural o convección forzada a través de un intercambiador de calor. El relleno líquido se puede quitar para reparar mucho más fácilmente que el relleno.
Revestimiento de conformación
El revestimiento conformado es un revestimiento aislante fino que se aplica mediante varios métodos. Proporciona protección mecánica y química de componentes delicados. Se usa ampliamente en artículos producidos en serie, como resistencias de cables axiales y, a veces, en placas de circuito impreso. Puede ser muy económico, pero algo difícil lograr una calidad de proceso constante.
Glop-top
Glop-top es una variante de revestimiento de conformación que se utiliza en el ensamblaje de chip a bordo (COB). Consiste en una gota de epoxi o resina especialmente formulada que se deposita sobre un chip semiconductor y sus enlaces de cables, para proporcionar soporte mecánico y excluir contaminantes como los residuos de huellas dactilares que podrían interrumpir el funcionamiento del circuito. Se usa más comúnmente en juguetes electrónicos y dispositivos de gama baja.
Chip a bordo
Los LED montados en superficie se venden con frecuencia en configuraciones de chip a bordo (COB). En estos, los diodos individuales se montan en una matriz que permite que el dispositivo produzca una mayor cantidad de flujo luminoso con una mayor capacidad para disipar el calor resultante en un paquete general más pequeño que el que se puede lograr mediante el montaje de LED, incluso los tipos de montaje en superficie, individualmente. en una placa de circuito.
Cajas herméticas de metal / vidrio
Los envases metálicos herméticos comenzaron su vida en la industria de los tubos de vacío, donde una carcasa totalmente a prueba de fugas era esencial para el funcionamiento. Esta industria desarrolló la alimentación eléctrica de sellado de vidrio, utilizando aleaciones como Kovar para igualar el coeficiente de expansión del vidrio de sellado a fin de minimizar la tensión mecánica en la unión crítica metal-vidrio a medida que el tubo se calentaba. Algunos tubos posteriores utilizaron carcasas de metal y conductos de paso, y solo el aislamiento alrededor de los conductos de alimentación individuales utilizó vidrio. Hoy en día, los paquetes de sellado de vidrio se utilizan principalmente en componentes y ensamblajes críticos para uso aeroespacial, donde las fugas deben evitarse incluso bajo cambios extremos de temperatura, presión y humedad.
Envases cerámicos herméticos
Los paquetes que constan de un marco de plomo incrustado en una capa de pasta vítrea entre las cubiertas superior e inferior de cerámica plana son más convenientes que los paquetes de metal / vidrio para algunos productos, pero ofrecen un rendimiento equivalente. Algunos ejemplos son chips de circuito integrado en forma de paquete de cerámica dual en línea o conjuntos híbridos complejos de componentes de chip en una placa base de cerámica. Este tipo de envase también se puede dividir en dos tipos principales: envases de cerámica multicapa (como LTCC y HTCC ) y envases de cerámica prensada.
Conjuntos de circuitos impresos
Los circuitos impresos son principalmente una tecnología para conectar componentes entre sí, pero también proporcionan una estructura mecánica. En algunos productos, como los tableros de accesorios de computadora, son toda la estructura que existe. Esto los convierte en parte del universo de los envases electrónicos.
Evaluación de confiabilidad
Una calificación de confiabilidad típica incluye los siguientes tipos de estrés ambiental:
- Quemado
- Ciclos de temperatura
- Choque termal
- Soldabilidad
- Autoclave
- Inspección visual
- Hermeticidad / resistencia a la humedad
- Prueba higrotérmica
La prueba higrotérmica se realiza en cámaras con temperatura y humedad. Es una prueba de estrés ambiental que se utiliza para evaluar la confiabilidad del producto. La prueba higrotérmica típica es de 85 ° C de temperatura y 85% de humedad relativa (abbr. 85 ° C / 85% de HR). Durante la prueba, la muestra se extrae periódicamente para probar sus propiedades mecánicas o eléctricas. Algunos trabajos de investigación relacionados con la prueba higrotérmica se pueden ver en las referencias.