Opakowania elektroniczne
Opakowania elektroniczne to projektowanie i produkcja obudów urządzeń elektronicznych, od pojedynczych urządzeń półprzewodnikowych po kompletne systemy, takie jak komputer typu mainframe . Opakowanie układu elektronicznego musi uwzględniać ochronę przed uszkodzeniami mechanicznymi, chłodzeniem, emisją zakłóceń o częstotliwości radiowej oraz wyładowaniami elektrostatycznymi . Normy bezpieczeństwa produktów mogą narzucać określone cechy produktu konsumenckiego, na przykład temperaturę zewnętrznej obudowy lub uziemienie odsłoniętych części metalowych. Prototypy i urządzenia przemysłowe wytwarzane w małych ilościach mogą wykorzystywać znormalizowane, dostępne na rynku obudowy, takie jak klatki na karty lub prefabrykowane pudełka. Urządzenia konsumenckie na rynek masowy mogą mieć wysoce wyspecjalizowane opakowanie, aby zwiększyć atrakcyjność dla konsumentów. Opakowania elektroniczne to główna dyscyplina w dziedzinie inżynierii mechanicznej.
Projekt
Opakowania elektroniczne można uporządkować według poziomów:
- Poziom 0 - „Chip”, chroniący gołą matrycę półprzewodnikową przed zanieczyszczeniem i uszkodzeniem.
- Poziom 1 - Komponent, taki jak projekt obudowy półprzewodników i opakowanie innych dyskretnych komponentów.
- Poziom 2 - Wytrawiona płytka okablowania (płytka drukowana).
- Poziom 3 — montaż, jedna lub więcej płytek okablowania i powiązanych komponentów.
- Poziom 4 - Moduł, zespoły zintegrowane w całej obudowie.
- Poziom 5 - System, zestaw modułów połączonych w jakimś celu.
Ten sam układ elektroniczny może być zapakowany jako urządzenie przenośne lub przystosowany do stałego montażu w stojaku na instrumenty lub do instalacji stałej. Opakowania dla systemów lotniczych, morskich lub wojskowych narzucają różne rodzaje kryteriów projektowych.
Opakowania elektroniczne opierają się na zasadach inżynierii mechanicznej, takich jak dynamika, analiza naprężeń, przenoszenie ciepła i mechanika płynów. Sprzęt o wysokiej niezawodności często musi przetrwać testy upadku, wibracje luźnego ładunku, wibracje zabezpieczonego ładunku, ekstremalne temperatury, wilgotność, zanurzenie w wodzie lub rozbryzgi, deszcz, światło słoneczne (UV, IR i światło widzialne), mgłę solną, wstrząsy wybuchowe i wiele innych. Wymagania te wykraczają poza projekt elektryczny i wchodzą w interakcję z nim.
Zespół elektroniki składa się z urządzeń składowych, zespołów kart obwodów drukowanych (CCA), złączy, kabli i elementów, takich jak transformatory, zasilacze, przekaźniki, przełączniki itp., których nie można montować na karcie obwodów drukowanych.
Wiele produktów elektrycznych wymaga produkcji masowych i tanich części, takich jak obudowy lub osłony, za pomocą technik takich jak formowanie wtryskowe, odlewanie ciśnieniowe, odlewanie inwestycyjne i tak dalej. Konstrukcja tych produktów zależy od metody produkcji i wymaga starannego rozważenia wymiarów i tolerancji oraz projektu oprzyrządowania. Niektóre części mogą być wytwarzane za pomocą specjalistycznych procesów, takich jak odlewanie metalowych obudów z gipsu i piasku.
Podczas projektowania produktów elektronicznych inżynierowie zajmujący się elektroniką wykonują analizy w celu oszacowania takich rzeczy, jak maksymalne temperatury komponentów, strukturalne częstotliwości rezonansowe oraz naprężenia dynamiczne i odkształcenia w najgorszych warunkach. Taka wiedza jest ważna, aby zapobiec natychmiastowym lub przedwczesnym awariom produktów elektronicznych.
Rozważania projektowe
Wybierając metody pakowania, projektant musi zrównoważyć wiele celów i względów praktycznych.
- Zagrożenia, przed którymi należy chronić: uszkodzenia mechaniczne, narażenie na warunki atmosferyczne i zabrudzenia, zakłócenia elektromagnetyczne itp.
- Wymagania dotyczące rozpraszania ciepła
- Kompromisy między kosztem kapitału narzędziowego a kosztem jednostkowym
- Kompromisy między czasem do pierwszej dostawy a szybkością produkcji
- Dostępność i możliwości dostawców
- Projekt interfejsu użytkownika i wygoda
- Łatwy dostęp do części wewnętrznych, gdy jest to wymagane do konserwacji
- Bezpieczeństwo produktów i zgodność z normami regulacyjnymi
- Estetyka i inne względy marketingowe
- Żywotność i niezawodność
Materiały do pakowania
Metalowa blacha
Blachy perforowane i formowane to jeden z najstarszych rodzajów opakowań elektronicznych. Może być wytrzymały mechanicznie, zapewnia ekranowanie elektromagnetyczne, gdy produkt wymaga tej funkcji, i jest łatwy do wykonania dla prototypów i małych serii produkcyjnych przy niewielkich kosztach niestandardowego oprzyrządowania.
Odlew metalowy
Uszczelnione odlewy metalowe są czasami używane do pakowania sprzętu elektronicznego do wyjątkowo trudnych warunków, takich jak przemysł ciężki, na pokładzie statku lub głęboko pod wodą. Odlewy ciśnieniowe z aluminium są bardziej powszechne niż odlewy z żelaza lub stali w piasku.
Metal obrabiany maszynowo
Opakowania elektroniczne są czasami wytwarzane przez obróbkę skrawaniem solidnych bloków metalu, zwykle aluminium, w złożone kształty. Są dość powszechne w zespołach mikrofalowych do użytku w lotnictwie, gdzie precyzyjne linie transmisyjne wymagają skomplikowanych metalowych kształtów, w połączeniu z hermetycznie zamkniętymi obudowami. Ilości wydają się być małe; czasami wymagana jest tylko jedna jednostka o niestandardowym projekcie. Koszty części jednostkowych są wysokie, ale koszty niestandardowego oprzyrządowania są niewielkie lub żadne, a dostawy pierwszej części mogą zająć zaledwie pół dnia. Wybranym narzędziem jest frezarka pionowa sterowana numerycznie, z automatycznym tłumaczeniem plików projektowania wspomaganego komputerowo (CAD) na pliki poleceń ścieżki narzędzia.
Formowany plastik
Formowane obudowy z tworzywa sztucznego i części konstrukcyjne można wytwarzać różnymi metodami, oferując kompromisy w kosztach części, kosztach oprzyrządowania, właściwościach mechanicznych i elektrycznych oraz łatwości montażu. Przykładami są formowanie wtryskowe, formowanie przetłoczne, formowanie próżniowe i sztancowanie. Pl można poddać obróbce końcowej w celu uzyskania powierzchni przewodzących.
Zalewanie
Nazywane również „kapsułkowaniem”, zalewanie polega na zanurzeniu części lub zespołu w płynnej żywicy, a następnie utwardzeniu jej. Inna metoda umieszcza część lub zespół w formie i wlewa się do niej masę zalewową, a po utwardzeniu forma nie jest usuwana, stając się częścią części lub zespołu. Zalewanie można wykonać we wstępnie uformowanej skorupie do zalewania lub bezpośrednio w formie. Obecnie jest najczęściej stosowany do ochrony elementów półprzewodnikowych przed wilgocią i uszkodzeniami mechanicznymi oraz jako konstrukcja mechaniczna utrzymująca razem ramkę ołowianą i układ scalony. We wcześniejszych czasach był często używany, aby zniechęcić do inżynierii wstecznej zastrzeżonych produktów zbudowanych jako moduły obwodów drukowanych. Jest również powszechnie stosowany w produktach wysokiego napięcia, aby umożliwić umieszczanie części pod napięciem bliżej siebie (eliminując wyładowania koronowe ze względu na wysoką wytrzymałość dielektryczną mieszanki zalewowej), dzięki czemu produkt może być mniejszy. Wyklucza to również brud i zanieczyszczenia przewodzące (takie jak zanieczyszczona woda) z wrażliwych obszarów. Innym zastosowaniem jest ochrona przedmiotów zanurzonych w głębokim zanurzeniu, takich jak przetworniki sonaru, przed zapadnięciem się pod ekstremalnym ciśnieniem, poprzez wypełnienie wszystkich pustych przestrzeni . Zalewanie może być sztywne lub miękkie. Gdy wymagane jest zalewanie bez pustych przestrzeni, powszechną praktyką jest umieszczanie produktu w komorze próżniowej, gdy żywica jest jeszcze płynna, utrzymywanie próżni przez kilka minut w celu usunięcia powietrza z wewnętrznych wnęk i samej żywicy, a następnie zwolnienie próżni . Ciśnienie atmosferyczne zapada puste przestrzenie i wtłacza płynną żywicę do wszystkich wewnętrznych przestrzeni. Zalewanie próżniowe najlepiej sprawdza się w przypadku żywic utwardzanych przez polimeryzację, a nie przez odparowanie rozpuszczalnika.
Uszczelnianie porowatości lub impregnacja
Uszczelnianie porowatości lub impregnacja żywicą jest podobna do zalewania, ale nie wykorzystuje skorupy ani formy. Części są zanurzane w polimeryzowalnym monomerze lub roztworze tworzywa sztucznego o niskiej lepkości na bazie rozpuszczalnika. Ciśnienie nad płynem zostaje obniżone do pełnej próżni. Po zwolnieniu podciśnienia płyn wpływa do części. Po wyjęciu części z kąpieli żywicznej jest ona osuszana i/lub czyszczona, a następnie utwardzana. Utwardzanie może polegać na polimeryzacji wewnętrznej żywicy lub odparowaniu rozpuszczalnika, co pozostawia izolujący materiał dielektryczny między różnymi składnikami napięcia. Uszczelnianie porowatości (impregnacja żywicą) wypełnia wszystkie przestrzenie wewnętrzne i może pozostawiać cienką powłokę na powierzchni, w zależności od wydajności mycia/płukania. Głównym zastosowaniem impregnacji próżniowej do uszczelniania porowatości jest zwiększanie wytrzymałości dielektrycznej transformatorów, elektromagnesów, stosów laminatów lub cewek oraz niektórych elementów wysokiego napięcia. Zapobiega powstawaniu jonizacji między blisko rozmieszczonymi powierzchniami pod napięciem i inicjowaniu awarii.
Płynne wypełnienie
Płynne wypełnienie jest czasami stosowane jako alternatywa dla zalewania lub impregnacji. Zwykle jest to płyn dielektryczny, wybrany ze względu na kompatybilność chemiczną z innymi obecnymi materiałami. Ta metoda jest stosowana głównie w bardzo dużych urządzeniach elektrycznych, takich jak transformatory użytkowe, w celu zwiększenia napięcia przebicia . Można go również wykorzystać do poprawy wymiany ciepła, zwłaszcza jeśli pozwala się na cyrkulację przez konwekcję naturalną lub konwekcję wymuszoną przez wymiennik ciepła. Płynne wypełnienie można usunąć w celu naprawy znacznie łatwiej niż zalewanie.
Powłoka ochronna
Powłoka ochronna to cienka powłoka izolacyjna nakładana różnymi metodami. Zapewnia mechaniczną i chemiczną ochronę delikatnych elementów. Jest szeroko stosowany w elementach produkowanych masowo, takich jak rezystory osiowe, a czasami w płytkach drukowanych. Osiągnięcie stałej jakości procesu może być bardzo ekonomiczne, ale nieco trudne.
Glob-top
Glob-top to wariant powłoki ochronnej stosowany w montażu chip-on-board (COB). Składa się z kropli specjalnie opracowanej żywicy epoksydowej lub żywicy osadzonej na chipie półprzewodnikowym i jego wiązaniach drutowych, aby zapewnić mechaniczne wsparcie i wykluczyć zanieczyszczenia, takie jak pozostałości odcisków palców, które mogłyby zakłócić działanie obwodu. Jest najczęściej stosowany w zabawkach elektronicznych i urządzeniach z niższej półki.
Czip na pokładzie
Diody LED do montażu powierzchniowego są często sprzedawane w konfiguracjach typu chip-on-board (COB). W nich poszczególne diody są zamontowane w układzie, który pozwala urządzeniu na wytwarzanie większej ilości strumienia świetlnego z większą zdolnością do rozpraszania powstającego ciepła w ogólnie mniejszej obudowie, niż można to osiągnąć, montując diody LED, nawet typy do montażu powierzchniowego, pojedynczo na płytce drukowanej.
Hermetyczne obudowy metalowe/szklane
Hermetyczne opakowania metalowe narodziły się w przemyśle lamp próżniowych, gdzie całkowicie szczelna obudowa była niezbędna do działania. W tej branży opracowano przepust elektryczny z uszczelnieniem szklanym, wykorzystując stopy takie jak Kovar , aby dopasować współczynnik rozszerzalności szkła uszczelniającego, aby zminimalizować naprężenia mechaniczne krytycznego połączenia metal-szkło podczas nagrzewania się rury. W niektórych późniejszych rurach zastosowano metalowe obudowy i przepusty, a tylko w izolacji wokół poszczególnych przepustów zastosowano szkło. Obecnie opakowania ze szklanym uszczelnieniem są stosowane głównie w krytycznych komponentach i zespołach do użytku w lotnictwie, gdzie należy zapobiegać wyciekom nawet przy ekstremalnych zmianach temperatury, ciśnienia i wilgotności.
Hermetyczne opakowania ceramiczne
Opakowania składające się z ołowianej ramki osadzonej w warstwie pasty szklistej pomiędzy płaską górną i dolną pokrywą ceramiczną są wygodniejsze niż opakowania metalowo-szklane w przypadku niektórych produktów, ale zapewniają równoważną wydajność. Przykładami są chipy obwodów scalonych w ceramicznej formie Dual In-line Package lub złożone hybrydowe zespoły komponentów chipa na ceramicznej płycie bazowej. Ten rodzaj opakowań można również podzielić na dwa główne typy: wielowarstwowe opakowania ceramiczne (takie jak LTCC i HTCC ) oraz opakowania z prasowanej ceramiki.
Zespoły obwodów drukowanych
Obwody drukowane to przede wszystkim technologia łączenia ze sobą komponentów, ale zapewniają również strukturę mechaniczną. W niektórych produktach, takich jak płytki z akcesoriami komputerowymi, są one całą strukturą. To czyni je częścią wszechświata opakowań elektronicznych.
Ocena niezawodności
Typowa kwalifikacja niezawodności obejmuje następujące rodzaje naprężeń środowiskowych:
- Palić w
- Cykle temperaturowe
- Szok termiczny
- Lutowalność
- Autoklaw
- Oględziny
- Hermetyczność/odporność na wilgoć
- Próba higrotermiczna
Test higrotermiczny przeprowadza się w komorach o temperaturze i wilgotności. Jest to środowiskowy test warunków skrajnych stosowany w ocenie niezawodności produktu. Typowy test higrotermiczny to temperatura 85˚C i wilgotność względna 85% (ok. 85˚C/85%RH). Podczas badania próbka jest okresowo wyjmowana w celu sprawdzenia jej właściwości mechanicznych lub elektrycznych. Niektóre prace badawcze związane z testem higrotermicznym można zobaczyć w piśmiennictwie.