El embalaje 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 embalaje de un sistema electrónico debe considerar la protección contra daños mecánicos, enfriamiento, emisión de ruido de radiofrecuencia y descarga electrostática . Las normas 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 piezas 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 del mercado masivo pueden tener empaques altamente especializados para aumentar el atractivo para el consumidor. El embalaje electrónico es una disciplina importante dentro del campo de la ingeniería mecánica.
Los embalajes electrónicos se pueden organizar por niveles:
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 diseño y la producción de paquetes electrónicos es un campo multidisciplinario basado en principios de ingeniería mecánica como dinámica, análisis de tensiones, transferencia de calor y mecánica de fluidos, química, ciencia de materiales, ingeniería de procesos, etc. Los equipos de alta confiabilidad a menudo deben sobrevivir pruebas de caída, vibración de carga suelta, vibración de carga asegurada, temperaturas extremas, humedad, inmersión o rociado de agua, lluvia, luz solar (UV, IR y luz visible), niebla salina, impacto explosivo y muchos más. Estos requisitos se extienden más allá del diseño eléctrico e interactúan con él.
Un conjunto electrónico consta de dispositivos componentes, conjuntos de tarjetas de circuito (CCA), conectores, cables y componentes como transformadores, fuentes de alimentación, relés, interruptores, etc. que no pueden montarse en la tarjeta de circuito.
Muchos productos eléctricos requieren la fabricación de piezas de gran volumen y bajo costo, como carcasas o cubiertas, mediante técnicas como moldeo por inyección, fundición a presión, fundición a la cera perdida, etc. El diseño de estos productos depende del método de producción y requiere una cuidadosa consideración de las dimensiones, tolerancias y diseño de las herramientas. Algunas piezas pueden fabricarse mediante procesos especializados, como la fundición en yeso y arena de carcasas metálicas.
En el diseño de productos electrónicos, los ingenieros de embalaje electrónico realizan análisis para estimar aspectos tales como temperaturas máximas de los componentes, frecuencias de resonancia estructural y tensiones y deflexiones dinámicas en los peores entornos. Este conocimiento es importante para evitar fallas inmediatas o prematuras de los productos electrónicos.
Un diseñador debe equilibrar muchos objetivos y consideraciones prácticas al seleccionar métodos de embalaje.
La chapa 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 tiradas de producción pequeñas con poco gasto en herramientas personalizadas.
Las piezas fundidas de metal con juntas se utilizan a veces para empaquetar equipos electrónicos para entornos excepcionalmente severos, como en la industria pesada, a bordo de barcos o bajo el agua. Las piezas fundidas a presión de aluminio son más comunes que las piezas fundidas en arena de hierro o acero.
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 sólo se requiere una unidad de un diseño personalizado. Los costos de las piezas son altos, pero el costo de las herramientas personalizadas es bajo o nulo, y las entregas de la primera pieza pueden demorar tan solo medio día. La herramienta elegida es una fresadora vertical controlada numéricamente, con traducción automática de archivos de diseño asistido por computadora (CAD) a archivos de comando de trayectoria de herramienta.
Las cajas de plástico moldeado y las piezas estructurales se pueden fabricar mediante una variedad de métodos, lo que ofrece compensaciones en el costo de las piezas, 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 ser postprocesado para proporcionar superficies conductoras.
También llamado "encapsulación", el encapsulado consiste en sumergir la pieza o conjunto en una resina líquida y luego curarlo. Otro método coloca la pieza o conjunto en un molde, y en él se vierte compuesto de encapsulado y, después del curado, el molde no se retira, convirtiéndose en parte de la pieza o conjunto. El encapsulado se puede realizar en una carcasa para macetas premoldeada o directamente en un molde. Hoy en día se utiliza más ampliamente para proteger los componentes semiconductores de la humedad y los daños mecánicos, y para servir como estructura mecánica que mantiene unidos el marco conductor y el chip. En épocas anteriores, se utilizaba a menudo 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 piezas vivas se coloquen más juntas (eliminando las descargas de corona debido a la alta rigidez dieléctrica del compuesto de encapsulado), de modo que el producto pueda ser más pequeño. Esto también excluye la suciedad y los contaminantes conductores (como el agua impura) de las zonas sensibles. Otro uso es proteger elementos sumergidos profundamente, como transductores de sonar, para que no colapsen bajo presión extrema, llenando todos los huecos. 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 extraer el aire de las cavidades internas y de la resina misma, y luego liberar el vacío. . La presión atmosférica colapsa los huecos y fuerza a la resina líquida a entrar en todos los espacios internos. El encapsulado al vacío funciona mejor con resinas que curan por polimerización, en lugar de por evaporación de solventes.
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 en una solución plástica de baja viscosidad a base de solvente. La presión sobre el fluido se reduce a un vacío total. Una vez liberado el vacío, el fluido fluye hacia la pieza. Cuando la pieza se retira del baño de resina, se drena y/o limpia y luego se cura. El curado puede consistir en polimerizar la resina interna o evaporar el disolvente, lo que deja un material dieléctrico aislante entre los diferentes componentes de voltaje. El sellado de porosidad (impregnación de resina) llena todos los espacios interiores y puede dejar o no una fina capa en la superficie, dependiendo del 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 muy espaciadas y que se inicie una falla.
A veces se utiliza el relleno líquido como alternativa al encapsulado o la impregnación. Suele ser un fluido dieléctrico, elegido por su compatibilidad química con los demás materiales presentes. Este método se utiliza principalmente en equipos eléctricos muy grandes, como transformadores de servicios públicos, para aumentar el voltaje de ruptura . También se puede utilizar para mejorar la transferencia de calor, especialmente si se le permite circular por convección natural o convección forzada a través de un intercambiador de calor. El relleno líquido se puede quitar para repararlo mucho más fácilmente que el encapsulado.
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 masa, como resistencias de conductores axiales y, a veces, en placas de circuito impreso. Puede resultar muy económico, pero algo difícil, lograr una calidad de proceso constante.
Glob-top es una variante del recubrimiento conformado utilizado en el ensamblaje de chip a bordo (COB). Consiste en una gota de epoxi [3] o resina especialmente formulada depositada sobre un chip semiconductor y sus uniones de cables, para proporcionar soporte mecánico y excluir contaminantes como residuos de huellas dactilares que podrían alterar el funcionamiento del circuito. Se utiliza más comúnmente en juguetes electrónicos y dispositivos de gama baja. [4]
Los LED de montaje en superficie se venden con frecuencia en configuraciones de chip incorporado (COB). En estos, los diodos individuales están montados 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 global más pequeño que el que se puede lograr montando LED, incluso los de montaje en superficie, individualmente. en una placa de circuito. [5]
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 su funcionamiento. Esta industria desarrolló el paso eléctrico del sello de vidrio, utilizando aleaciones como Kovar para igualar el coeficiente de expansión del vidrio de sellado y minimizar la tensión mecánica en la unión crítica entre metal y vidrio a medida que el tubo se calentaba. Algunos tubos posteriores usaban cajas y pasamuros de metal, y solo el aislamiento alrededor de los pasadizos individuales usaba vidrio. Hoy en día, los paquetes con sello de vidrio se utilizan principalmente en componentes y conjuntos críticos para uso aeroespacial, donde se deben evitar fugas incluso bajo cambios extremos de temperatura, presión y humedad.
Los paquetes que consisten en 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 cerámico dual en línea o conjuntos híbridos complejos de componentes de chip sobre una placa base de cerámica. Este tipo de envase también se puede dividir en dos tipos principales: envases cerámicos multicapa (como LTCC y HTCC ) y envases cerámicos prensados.
Los circuitos impresos son principalmente una tecnología para conectar componentes entre sí, pero también proporcionan una estructura mecánica. En algunos productos, como las placas de accesorios de computadora, son toda la estructura que existe. Esto los convierte en parte del universo del packaging electrónico.
Una calificación de confiabilidad típica incluye los siguientes tipos de tensiones ambientales:
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 una temperatura de 85 ˚C y una humedad relativa del 85 % (abreviada 85 ˚C/85 % de humedad relativa). Durante la prueba, la muestra se extrae periódicamente para probar sus propiedades mecánicas o eléctricas. En las referencias se pueden consultar algunos trabajos de investigación relacionados con los ensayos higrotérmicos. [6]