บรรจุภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์
การบรรจุภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์คือการออกแบบและการผลิตกล่องหุ้มสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ตั้งแต่ชิ้นส่วนเซมิคอนดักเตอร์แต่ละชิ้นไปจนถึงระบบที่สมบูรณ์ เช่นคอมพิวเตอร์เมนเฟรมการบรรจุภัณฑ์ของระบบอิเล็กทรอนิกส์ต้องคำนึงถึงการป้องกันความเสียหายทางกล การระบายความร้อนการปล่อยคลื่นความถี่วิทยุและการปล่อยประจุไฟฟ้าสถิต มาตรฐานความปลอดภัยของผลิตภัณฑ์อาจกำหนดคุณลักษณะเฉพาะของผลิตภัณฑ์สำหรับผู้บริโภค เช่น อุณหภูมิภายนอกของตัวเครื่อง หรือการต่อสายดินของชิ้นส่วนโลหะที่สัมผัสได้ ต้นแบบและอุปกรณ์อุตสาหกรรมที่ผลิตในปริมาณน้อยอาจใช้กล่องหุ้มมาตรฐานที่มีจำหน่ายทั่วไป เช่น กรงใส่การ์ดหรือกล่องสำเร็จรูป อุปกรณ์สำหรับผู้บริโภคในตลาดมวลชนอาจมีบรรจุภัณฑ์ที่เฉพาะเจาะจงมากเพื่อเพิ่มความน่าดึงดูดใจของผู้บริโภค การบรรจุภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์เป็นสาขาวิชาหลักในสาขาวิศวกรรมเครื่องกล
ออกแบบ
บรรจุภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์สามารถจัดระเบียบได้เป็นระดับ:
- ระดับ 0 - "ชิป" ป้องกันแผ่นเซมิคอนดักเตอร์เปล่าจากการปนเปื้อนและความเสียหาย
- ระดับ 1 - ส่วนประกอบ เช่น การออกแบบ บรรจุภัณฑ์เซมิคอนดักเตอร์และการบรรจุชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์แบบแยกชิ้นอื่นๆ
- ระดับ 2 - แผ่นวงจรพิมพ์ (แผ่นวงจรกัดกรด)
- ระดับ 3 - การประกอบแผงวงจรไฟฟ้าและส่วนประกอบที่เกี่ยวข้องอย่างน้อยหนึ่งแผง
- ระดับ 4 - โมดูล ชุดประกอบที่รวมอยู่ในโครงสร้างโดยรวม
- ระดับ 5 - ระบบ ชุดโมดูลที่รวมกันเพื่อวัตถุประสงค์บางอย่าง[ 1 ]
ระบบอิเล็กทรอนิกส์เดียวกันอาจถูกบรรจุในรูปแบบอุปกรณ์พกพา หรือดัดแปลงสำหรับการติดตั้งแบบถาวรในชั้นวางอุปกรณ์ หรือการติดตั้งแบบถาวร การออกแบบบรรจุภัณฑ์สำหรับระบบการบินและอวกาศ การเดินเรือ หรือการทหาร กำหนดเกณฑ์การออกแบบที่แตกต่างกันออกไป
การออกแบบและการผลิตบรรจุภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์เป็นสาขาสหวิทยาการที่อาศัยหลักการทางวิศวกรรมเครื่องกล เช่น พลศาสตร์ การวิเคราะห์ความเค้น การถ่ายเทความร้อน และกลศาสตร์ของไหล เคมี วิทยาศาสตร์วัสดุ วิศวกรรมกระบวนการ ฯลฯ อุปกรณ์ที่มีความน่าเชื่อถือสูงมักจะต้องทนต่อการทดสอบการตกกระแทก การสั่นสะเทือนของสินค้าที่หลวม การสั่นสะเทือนของสินค้าที่ยึดแน่น อุณหภูมิที่สูงและต่ำมาก ความชื้น การจุ่มน้ำหรือการพ่นน้ำ ฝน แสงแดด (UV, IR และแสงที่มองเห็นได้) ละอองเกลือ แรงกระแทกจากการระเบิด และอื่นๆ อีกมากมาย ข้อกำหนดเหล่านี้ขยายออกไปและมีปฏิสัมพันธ์กับการออกแบบทางไฟฟ้า
ชุดประกอบอิเล็กทรอนิกส์ประกอบด้วยอุปกรณ์ส่วนประกอบ แผงวงจร (CCA) ตัวเชื่อมต่อ สายเคเบิล และส่วนประกอบต่างๆ เช่น หม้อแปลง แหล่งจ่ายไฟ รีเลย์ สวิตช์ เป็นต้น ซึ่งอาจไม่ได้ติดตั้งบนแผงวงจร
ผลิตภัณฑ์ไฟฟ้าหลายชนิดจำเป็นต้องผลิตชิ้นส่วนจำนวนมากในราคาต่ำ เช่น ตัวเรือนหรือฝาครอบ โดยใช้เทคนิคต่างๆ เช่น การฉีดขึ้นรูป การหล่อแบบ การหล่อแบบแม่พิมพ์ และอื่นๆ การออกแบบผลิตภัณฑ์เหล่านี้ขึ้นอยู่กับวิธีการผลิตและต้องพิจารณาขนาด ความคลาดเคลื่อน และการออกแบบเครื่องมืออย่างรอบคอบ ชิ้นส่วนบางอย่างอาจผลิตด้วยกระบวนการพิเศษ เช่น การหล่อปูนปลาสเตอร์และการหล่อทรายสำหรับตัวเรือนโลหะ
ในการออกแบบผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ วิศวกรบรรจุภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์จะทำการวิเคราะห์เพื่อประเมินสิ่งต่างๆ เช่น อุณหภูมิสูงสุดของชิ้นส่วน ความถี่เรโซแนนซ์ของโครงสร้าง และความเค้นและการโก่งตัวแบบไดนามิกภายใต้สภาวะที่เลวร้ายที่สุด ความรู้ดังกล่าวมีความสำคัญในการป้องกันความล้มเหลวของผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ในทันทีหรือก่อนกำหนด
ข้อควรพิจารณาในการออกแบบ
นักออกแบบต้องสร้างความสมดุลระหว่างเป้าหมายและข้อพิจารณาเชิงปฏิบัติหลายประการเมื่อเลือกวิธีการบรรจุภัณฑ์
- อันตรายที่ต้องป้องกัน: ความเสียหายทางกล การสัมผัสกับสภาพอากาศและสิ่งสกปรก การรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า[ 2 ]เป็นต้น
- ข้อกำหนดการระบายความร้อน
- การแลกเปลี่ยนระหว่างต้นทุนการลงทุนด้านเครื่องมือและต้นทุนต่อหน่วย
- ความสมดุลระหว่างเวลาในการส่งมอบครั้งแรกและอัตราการผลิต
- ความพร้อมและศักยภาพของซัพพลายเออร์
- การออกแบบส่วนติดต่อผู้ใช้และความสะดวกสบาย
- เข้าถึงชิ้นส่วนภายในได้ง่ายเมื่อจำเป็นสำหรับการบำรุงรักษา
- ความปลอดภัยของผลิตภัณฑ์ และการปฏิบัติตามมาตรฐานข้อบังคับ
- ความสวยงาม และข้อพิจารณาทางการตลาดอื่นๆ
- อายุการใช้งานและความน่าเชื่อถือ
วัสดุบรรจุภัณฑ์
แผ่นโลหะ
แผ่นโลหะเจาะรูและขึ้นรูปเป็นหนึ่งในรูปแบบบรรจุภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ที่เก่าแก่ที่สุด มีความแข็งแรงทางกลสูง ป้องกันคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าได้เมื่อผลิตภัณฑ์ต้องการคุณสมบัตินั้น และผลิตได้ง่ายสำหรับต้นแบบและการผลิตจำนวนน้อยโดยไม่ต้องเสียค่าใช้จ่ายในการผลิตแม่พิมพ์พิเศษมากนัก
โลหะหล่อ
ชิ้นส่วนหล่อโลหะที่มีปะเก็นบางครั้งถูกนำมาใช้เพื่อบรรจุอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับสภาพแวดล้อมที่รุนแรงเป็นพิเศษ เช่น ในอุตสาหกรรมหนัก บนเรือ หรือใต้น้ำลึก การหล่อขึ้นรูปด้วยแม่พิมพ์อะลูมิเนียมนั้นพบได้บ่อยกว่าการหล่อขึ้นรูปด้วยทรายเหล็กหรือเหล็กกล้า
โลหะกลึง
บางครั้งชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ถูกผลิตโดยการกลึงขึ้นรูปโลหะชิ้นใหญ่ ซึ่งโดยทั่วไปคืออะลูมิเนียม ให้เป็นรูปทรงที่ซับซ้อน ชิ้นส่วนเหล่านี้พบได้ทั่วไปในชุดประกอบไมโครเวฟสำหรับอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ ซึ่งสายส่งสัญญาณที่มีความแม่นยำสูงต้องการรูปทรงโลหะที่ซับซ้อน ร่วมกับ ตัวเรือนที่ปิด สนิทปริมาณการผลิตมักมีจำนวนน้อย บางครั้งอาจต้องการเพียงหน่วยเดียวของการออกแบบเฉพาะ ต้นทุนต่อชิ้นสูง แต่ต้นทุนสำหรับเครื่องมือสั่งทำพิเศษนั้นน้อยมากหรือไม่มีเลย และการส่งมอบชิ้นแรกอาจใช้เวลาเพียงครึ่งวัน เครื่องมือที่นิยมใช้คือเครื่องกัดแนวตั้งควบคุมด้วยระบบตัวเลข (CNC) ซึ่งมีการแปลงไฟล์ออกแบบโดยใช้คอมพิวเตอร์ช่วย (CAD) ไปเป็นไฟล์คำสั่งการเคลื่อนที่ของเครื่องมือโดยอัตโนมัติ
พลาสติกขึ้นรูป
ชิ้นส่วนพลาสติกขึ้นรูปและชิ้นส่วนโครงสร้างสามารถผลิตได้ด้วยวิธีการต่างๆ มากมาย ซึ่งแต่ละวิธีก็มีข้อดีข้อเสียแตกต่างกันไป เช่น ต้นทุนต่อชิ้น ต้นทุนแม่พิมพ์ คุณสมบัติทางกลและทางไฟฟ้า และความง่ายในการประกอบ ตัวอย่างเช่น การฉีดขึ้นรูป การขึ้นรูปด้วยการถ่ายโอน การขึ้นรูปด้วยสุญญากาศ และการตัดด้วยแม่พิมพ์ นอกจากนี้ยังสามารถปรับปรุงพื้นผิวพลาสติกให้เป็นตัวนำไฟฟ้าได้อีกด้วย
การปลูก
การพอก (Potting) หรือที่เรียกว่า "การห่อหุ้ม" นั้น ประกอบด้วยการจุ่มชิ้นส่วนหรือชุดประกอบลงในเรซินเหลว แล้วจึงทำให้แข็งตัว อีกวิธีหนึ่งคือการวางชิ้นส่วนหรือชุดประกอบลงในแม่พิมพ์ แล้วเทสารประกอบพอกลงไป หลังจากแข็งตัวแล้ว แม่พิมพ์จะไม่ถูกถอดออก ทำให้กลายเป็นส่วนหนึ่งของชิ้นส่วนหรือชุดประกอบ การพอกสามารถทำได้ในเปลือกพอกที่ขึ้นรูปไว้ล่วงหน้า หรือทำโดยตรงในแม่พิมพ์ ปัจจุบันมีการใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดเพื่อป้องกันชิ้นส่วนเซมิคอนดักเตอร์จากความชื้นและความเสียหายทางกล และเพื่อทำหน้าที่เป็นโครงสร้างทางกลที่ยึดเฟรมตะกั่วและชิปเข้าด้วยกัน ในอดีตมักใช้เพื่อป้องกันการวิศวกรรมย้อนกลับของผลิตภัณฑ์ที่เป็นกรรมสิทธิ์ที่สร้างขึ้นเป็นโมดูลวงจรพิมพ์ นอกจากนี้ยังใช้กันทั่วไปในผลิตภัณฑ์แรงดันสูงเพื่อให้สามารถวางชิ้นส่วนที่มีกระแสไฟฟ้าอยู่ใกล้กันมากขึ้น (กำจัดประจุโคโรนาเนื่องจากความแข็งแรงของฉนวนไฟฟ้าสูงของสารประกอบพอก) เพื่อให้ผลิตภัณฑ์มีขนาดเล็ลง นอกจากนี้ยังป้องกันสิ่งสกปรกและสารปนเปื้อนที่เป็นตัวนำไฟฟ้า (เช่น น้ำที่ไม่บริสุทธิ์) ออกจากบริเวณที่ไวต่อความเสียหาย อีกหนึ่งการใช้งานคือการปกป้องอุปกรณ์ที่ต้องใช้งานใต้น้ำลึก เช่น ทรานสดิวเซอร์โซนาร์ จากการยุบตัวภายใต้แรงดันสูง โดยการเติมช่องว่าง ทั้งหมด การหล่อขึ้นรูปอาจเป็นแบบแข็งหรือแบบอ่อน เมื่อต้องการการหล่อขึ้นรูปที่ปราศจากช่องว่าง วิธีการที่นิยมใช้คือการวางผลิตภัณฑ์ในห้องสุญญากาศขณะที่เรซินยังเป็นของเหลว รักษาภาวะสุญญากาศไว้หลายนาทีเพื่อดูดอากาศออกจากโพรงภายในและตัวเรซินเอง จากนั้นจึงปล่อยสุญญากาศ แรงดันบรรยากาศจะทำให้ช่องว่างยุบตัวลงและดันเรซินเหลวเข้าไปในช่องว่างภายในทั้งหมด การหล่อขึ้นรูปด้วยสุญญากาศได้ผลดีที่สุดกับเรซินที่แข็งตัวด้วยปฏิกิริยาพอลิเมอไรเซชัน มากกว่าการระเหยของตัวทำละลาย
การอุดหรือเคลือบรูพรุน
การอุดรูพรุนหรือการอัดเรซินนั้นคล้ายกับการหล่อขึ้นรูป แต่ไม่ใช้เปลือกหรือแม่พิมพ์ ชิ้นส่วนจะถูกจุ่มลงในสารละลายพลาสติกที่มีความหนืดต่ำ เช่น โมโนเมอร์ที่สามารถเกิดปฏิกิริยาพอลิเมอไรเซชัน หรือตัวทำละลาย ความดันเหนือของเหลวจะถูกลดลงจนเป็นสุญญากาศ หลังจากปล่อยสุญญากาศแล้ว ของเหลวจะไหลเข้าไปในชิ้นส่วน เมื่อดึงชิ้นส่วนออกจากอ่างเรซิน จะทำการระบายและ/หรือทำความสะอาด แล้วจึงทำการอบให้แข็งตัว การอบให้แข็งตัวอาจประกอบด้วยการทำให้เรซินภายในเกิดปฏิกิริยาพอลิเมอไรเซชัน หรือการระเหยของตัวทำละลาย ซึ่งจะเหลือวัสดุไดอิเล็กทริกที่เป็นฉนวนอยู่ระหว่างส่วนประกอบที่มีแรงดันไฟฟ้าต่างกัน การอุดรูพรุน (การอัดเรซิน) จะเติมเต็มช่องว่างภายในทั้งหมด และอาจเหลือหรือไม่เหลือชั้นเคลือบบางๆ บนพื้นผิว ขึ้นอยู่กับประสิทธิภาพการล้าง/การชะล้าง การใช้งานหลักของการอุดรูพรุนด้วยการอัดเรซินในสุญญากาศคือการเพิ่มความแข็งแรงของไดอิเล็กทริกของหม้อแปลง โซลินอยด์ แผ่นลามิเนต หรือขดลวด และส่วนประกอบแรงดันสูงบางชนิด ช่วยป้องกันการเกิดไอออนไนเซชันระหว่างพื้นผิวที่มีกระแสไฟฟ้าอยู่ใกล้กันและทำให้เกิดความเสียหาย
การบรรจุของเหลว
บางครั้งมีการใช้การเติมของเหลวเป็นทางเลือกแทนการหล่อหรือการอัดฉีด โดยปกติจะเป็นของเหลวที่เป็นฉนวนไฟฟ้า ซึ่งเลือกให้มีคุณสมบัติทางเคมีเข้ากันได้กับวัสดุอื่นๆ วิธีนี้ส่วนใหญ่ใช้ในอุปกรณ์ไฟฟ้าขนาดใหญ่มาก เช่น หม้อแปลงไฟฟ้า เพื่อเพิ่มแรงดันไฟฟ้าที่ทนได้นอกจากนี้ยังสามารถใช้เพื่อปรับปรุงการถ่ายเทความร้อน โดยเฉพาะอย่างยิ่งหากปล่อยให้ไหลเวียนโดยการพาความร้อนตามธรรมชาติหรือการพาความร้อนแบบบังคับผ่านเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน การเติมของเหลวสามารถนำออกเพื่อซ่อมแซมได้ง่ายกว่าการหล่อมาก
การเคลือบแบบคอนฟอร์มอล
การเคลือบแบบคอนฟอร์มอล (Conformal coating) คือการเคลือบฉนวนบางๆ ที่ใช้ด้วยวิธีการต่างๆ ช่วยปกป้องชิ้นส่วนที่บอบบางจากความเสียหายทางกลและทางเคมี มีการใช้งานอย่างแพร่หลายในสินค้าที่ผลิตจำนวนมาก เช่น ตัวต้านทานแบบมีขาต่อแกน และบางครั้งก็ใช้กับแผงวงจรพิมพ์ การเคลือบแบบนี้ประหยัดมาก แต่ค่อนข้างยากที่จะได้คุณภาพกระบวนการที่สม่ำเสมอ
ทรงกลม

Glob-top เป็นรูปแบบหนึ่งของการเคลือบแบบคอนฟอร์มอลที่ใช้ในการประกอบชิปบนบอร์ด (COB) ประกอบด้วยหยดของอีพ็อกซี[ 3 ]หรือเรซินที่คิดค้นขึ้นเป็นพิเศษซึ่งเคลือบลงบนชิปเซมิคอนดักเตอร์และสายเชื่อมต่อ เพื่อให้การรองรับทางกลและป้องกันสิ่งปนเปื้อน เช่น คราบรอยนิ้วมือที่อาจรบกวนการทำงานของวงจร มักใช้ในของเล่นอิเล็กทรอนิกส์และอุปกรณ์ระดับล่าง[ 4 ]
ชิปบนบอร์ด
LEDแบบติดตั้งบนพื้นผิวมักจะจำหน่ายใน รูปแบบ ชิปบนบอร์ด (COB) ในรูปแบบนี้ ไดโอดแต่ละตัวจะถูกติดตั้งเป็นอาร์เรย์ ซึ่งช่วยให้อุปกรณ์สามารถสร้างฟ ลัก ซ์ส่องสว่าง ได้มากขึ้น และมีความสามารถในการระบายความร้อนที่เกิดขึ้นได้มากขึ้นในแพ็คเกจโดยรวมที่เล็กกว่า ซึ่งสามารถทำได้โดยการติดตั้ง LED แม้แต่ชนิดติดตั้งบนพื้นผิวทีละตัวบนแผงวงจร[ 5 ]
กล่องโลหะ/กระจกแบบปิดสนิท
บรรจุภัณฑ์โลหะแบบปิดสนิทเริ่มต้นขึ้นในอุตสาหกรรมหลอดสุญญากาศ ซึ่งตัวเรือนที่ป้องกันการรั่วซึมได้อย่างสมบูรณ์เป็นสิ่งสำคัญต่อการทำงาน อุตสาหกรรมนี้ได้พัฒนาตัวนำไฟฟ้าแบบปิดผนึกด้วยกระจก โดยใช้วัสดุโลหะผสม เช่นโควาร์เพื่อให้มีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวที่ตรงกับกระจกปิดผนึก เพื่อลดความเครียดทางกลบนจุดเชื่อมต่อระหว่างโลหะและกระจกที่สำคัญเมื่อหลอดร้อนขึ้น หลอดรุ่นต่อมาบางรุ่นใช้ตัวเรือนและตัวนำไฟฟ้าที่เป็นโลหะ และใช้กระจกเฉพาะฉนวนรอบตัวนำไฟฟ้าแต่ละจุดเท่านั้น ปัจจุบัน บรรจุภัณฑ์แบบปิดผนึกด้วยกระจกส่วนใหญ่ใช้ในชิ้นส่วนและชุดประกอบที่สำคัญสำหรับการใช้งานด้านอวกาศ ซึ่งต้องป้องกันการรั่วซึมแม้ภายใต้การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ ความดัน และความชื้นที่รุนแรง
บรรจุภัณฑ์เซรามิกแบบปิดสนิท
บรรจุภัณฑ์ที่ประกอบด้วยโครงตะกั่วฝังอยู่ในชั้นวางแก้วระหว่างฝาครอบเซรามิกแบนด้านบนและด้านล่างนั้นสะดวกกว่าบรรจุภัณฑ์โลหะ/แก้วสำหรับผลิตภัณฑ์บางประเภท แต่ให้ประสิทธิภาพที่เทียบเท่ากัน ตัวอย่างเช่น ชิปวงจรรวมในรูปแบบบรรจุภัณฑ์เซรามิกแบบ Dual In-line Package หรือชุดประกอบไฮบริดที่ซับซ้อนของส่วนประกอบชิปบนแผ่นฐานเซรามิก บรรจุภัณฑ์ประเภทนี้ยังสามารถแบ่งออกเป็นสองประเภทหลัก ได้แก่ บรรจุภัณฑ์เซรามิกหลายชั้น (เช่นLTCCและHTCC ) และบรรจุภัณฑ์เซรามิกแบบอัด
ชุดประกอบแผงวงจรพิมพ์
แผงวงจรพิมพ์เป็นเทคโนโลยีหลักในการเชื่อมต่อชิ้นส่วนต่างๆ เข้าด้วยกัน แต่ก็ยังทำหน้าที่เป็นโครงสร้างทางกลด้วย ในผลิตภัณฑ์บางอย่าง เช่น แผงวงจรเสริมของคอมพิวเตอร์ แผงวงจรพิมพ์เป็นโครงสร้างเพียงอย่างเดียวที่มีอยู่ ทำให้แผงวงจรพิมพ์เป็นส่วนหนึ่งของโลกแห่งบรรจุภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์
การประเมินความน่าเชื่อถือ
การทดสอบความน่าเชื่อถือโดยทั่วไปจะรวมถึงการทดสอบความเครียดจากสภาพแวดล้อมประเภทต่างๆ ดังต่อไปนี้:
- เบิร์นอิน
- การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ
- การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างฉับพลัน
- ความสามารถในการบัดกรี
- เครื่องนึ่งฆ่าเชื้อ
- การตรวจสอบด้วยสายตา
- ความแน่นหนา/ความต้านทานต่อความชื้น
- การทดสอบความชื้นและอุณหภูมิ
การทดสอบไฮโกรเทอร์มอลดำเนินการในห้องที่มีอุณหภูมิและความชื้น เป็นการทดสอบความเครียดทางสิ่งแวดล้อมที่ใช้ในการประเมินความน่าเชื่อถือของผลิตภัณฑ์ การทดสอบไฮโกรเทอร์มอลทั่วไปคืออุณหภูมิ 85˚C และความชื้นสัมพัทธ์ 85% (ย่อว่า 85˚C/85%RH) ในระหว่างการทดสอบ จะมีการนำตัวอย่างออกมาเป็นระยะเพื่อทดสอบคุณสมบัติทางกลหรือทางไฟฟ้า งานวิจัยบางส่วนที่เกี่ยวข้องกับการทดสอบไฮโกรเทอร์มอลสามารถดูได้จากเอกสารอ้างอิง[ 6 ]