El empaquetado electrónico es el diseño y la producción de carcasas para dispositivos electrónicos que van desde dispositivos semiconductores individuales hasta sistemas completos como una computadora central . El empaquetado de un sistema electrónico debe considerar la protección contra daños mecánicos, refrigeración, 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 las partes metálicas expuestas. Los prototipos y equipos industriales fabricados en pequeñas cantidades pueden utilizar carcasas estandarizadas disponibles comercialmente, como jaulas para tarjetas o cajas prefabricadas. Los dispositivos de consumo del mercado masivo pueden tener un empaque altamente especializado para aumentar el atractivo para el consumidor. El empaquetado 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 dispositivo portátil o adaptarse para un montaje fijo en un bastidor de instrumentos o una instalación permanente. El empaquetado de sistemas aeroespaciales, marinos o militares impone distintos tipos de criterios de diseño.
El diseño y la fabricación 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 los materiales, ingeniería de procesos, etc. Los equipos de alta confiabilidad a menudo deben sobrevivir a 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), rociado de sal, choque 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 bajo coste y en grandes cantidades, como carcasas o cubiertas, mediante técnicas como el moldeo por inyección, la fundición a presión, la fundición a la cera perdida, etc. El diseño de estos productos depende del método de producción y requiere una consideración cuidadosa de las dimensiones y las tolerancias, así como del diseño de las herramientas. Algunas piezas pueden fabricarse mediante procesos especializados, como el moldeado en yeso y en arena de carcasas metálicas.
En el diseño de productos electrónicos, los ingenieros de empaquetado electrónico realizan análisis para estimar aspectos 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 fallas inmediatas o prematuras de los productos electrónicos.
Un diseñador debe equilibrar muchos objetivos y consideraciones prácticas al seleccionar métodos de embalaje.
La chapa metálica troquelada y formada es uno de los tipos más antiguos de encapsulado electrónico. Puede ser mecánicamente resistente, proporciona protección electromagnética cuando el producto lo requiere y se fabrica fácilmente para prototipos y pequeñas series de producción con un gasto mínimo en herramientas personalizadas.
Las piezas de fundición de metal con juntas se utilizan a veces para envasar equipos electrónicos para entornos excepcionalmente severos, como en la industria pesada, a bordo de barcos o en las profundidades del agua. Las piezas de fundición de aluminio son más comunes que las piezas de fundición en arena de hierro o acero.
Los paquetes electrónicos se fabrican a veces mecanizando bloques sólidos de metal, normalmente aluminio, para darles formas complejas. Son bastante comunes en los conjuntos de microondas para uso aeroespacial, donde las líneas de transmisión de precisión requieren formas metálicas complejas, en combinación con carcasas selladas herméticamente . Las cantidades tienden a ser pequeñas; a veces, solo se necesita 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 las primeras piezas 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 comandos de trayectoria de herramienta.
Las cajas y piezas estructurales de plástico moldeado se pueden fabricar mediante una variedad de métodos, lo que ofrece ventajas y desventajas en cuanto al costo de las piezas, el costo de las herramientas, las propiedades mecánicas y eléctricas y la facilidad de montaje. Algunos ejemplos son el moldeo por inyección, el moldeo por transferencia, el conformado al vacío y el troquelado. El Pl se puede procesar posteriormente para proporcionar superficies conductoras.
También llamado "encapsulamiento", el encapsulado consiste en sumergir la pieza o el conjunto en una resina líquida y luego curarla. Otro método coloca la pieza o el conjunto en un molde y se vierte en él un compuesto de encapsulado; después del curado, el molde no se retira y pasa a formar parte de la pieza o el conjunto. 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 conductor y el chip. En épocas anteriores, se usaba 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 activas se coloquen más juntas (eliminando las descargas de corona debido a la alta resistencia 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 áreas sensibles. Otro uso es proteger los elementos de inmersión profunda, como los transductores de sonar, para que no colapsen bajo una presión extrema, rellenando 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 propia resina, 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 se curan por polimerización, en lugar de evaporación del solvente.
El sellado de poros o impregnación de resina es similar al encapsulado, pero no utiliza una carcasa ni un molde. Las piezas se sumergen en un monómero polimerizable o en una solución plástica de baja viscosidad a base de disolvente. La presión sobre el fluido se reduce a un vacío total. Una vez que se libera el vacío, el fluido fluye hacia la pieza. Cuando la pieza se retira del baño de resina, se drena y/o se 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 componentes de diferentes voltajes. El sellado de poros (impregnación de resina) llena todos los espacios interiores y puede dejar o no una capa fina sobre la superficie, según el rendimiento del lavado/enjuague. La principal aplicación del sellado de poros 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 activas muy espaciadas y que se inicie una falla.
El relleno líquido se utiliza a veces como alternativa al encapsulado o la impregnación. Normalmente se trata de un fluido dieléctrico, elegido por su compatibilidad química con los demás materiales presentes. Este método se utiliza sobre todo en equipos eléctricos de gran tamaño, como transformadores de servicios públicos, para aumentar la tensión de ruptura . También se puede utilizar para mejorar la transferencia de calor, especialmente si se permite que circule por convección natural o convección forzada a través de un intercambiador de calor. El relleno líquido se puede retirar para su reparación con mucha más facilidad que el encapsulado.
El revestimiento conformado es un revestimiento aislante fino que se aplica mediante diversos métodos. Proporciona protección mecánica y química a componentes delicados. Se utiliza ampliamente en artículos producidos en masa, como resistencias axiales y, a veces, en placas de circuitos impresos. Puede resultar muy económico, pero es un tanto difícil lograr una calidad de proceso constante.
El Glob-top es una variante del revestimiento conformado que se utiliza en el ensamblaje de chips sobre placa (COB). Consiste en una gota de resina o epoxi especialmente formulado [3] depositado sobre un chip semiconductor y sus uniones por cable, para proporcionar soporte mecánico y excluir contaminantes como residuos de huellas dactilares que podrían interrumpir el funcionamiento del circuito. Se utiliza más comúnmente en juguetes electrónicos y dispositivos de gama baja. [4]
Los LED de montaje superficial se venden con frecuencia en configuraciones de chip en placa (COB). En estas, los diodos individuales se montan en una matriz que permite que el dispositivo produzca una mayor cantidad de flujo luminoso con mayor capacidad para disipar el calor resultante en un paquete más pequeño que el que se puede lograr montando los LED, incluso los de montaje superficial, individualmente en una placa de circuito. [5]
Los envases metálicos herméticos se empezaron a utilizar 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 pasamuros eléctrico con sellado de vidrio, utilizando aleaciones como Kovar para igualar el coeficiente de expansión del vidrio de sellado y así minimizar la tensión mecánica en la unión crítica metal-vidrio a medida que el tubo se calentaba. Algunos tubos posteriores utilizaban carcasas y pasamuros de metal, y solo el aislamiento alrededor de los pasamuros individuales utilizaba vidrio. Hoy en día, los envases con sellado de vidrio se utilizan principalmente en componentes y conjuntos críticos para uso aeroespacial, donde se deben evitar las fugas incluso bajo cambios extremos de temperatura, presión y humedad.
Los paquetes que consisten en un marco conductor incrustado en una capa de pasta vítrea entre las tapas 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 los chips de circuitos integrados en forma de paquete cerámico en línea dual o los conjuntos híbridos complejos de componentes de chips sobre una placa base de cerámica. Este tipo de empaque también se puede dividir en dos tipos principales: paquetes cerámicos multicapa (como LTCC y HTCC ) y paquetes 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 para computadoras, son la única estructura que existe. Esto los convierte en parte del universo del encapsulado 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 a una temperatura de 85 ˚C y una humedad relativa del 85 % (abr. 85 ˚C/85 %RH). Durante la prueba, la muestra se saca periódicamente para probar sus propiedades mecánicas o eléctricas. Algunos trabajos de investigación relacionados con la prueba higrotérmica se pueden ver en las referencias. [6]