Escrito por Doug Katze, Gerente de Desarrollo de Negocios de Electrónica
A los ingenieros de diseño se les exige integrar más funcionalidades en dispositivos electrónicos más pequeños y potentes, manteniendo al mismo tiempo un alto nivel de fiabilidad ante ciclos térmicos, golpes, vibraciones y esfuerzos mecánicos. A medida que el tamaño de los componentes se reduce y las exigencias de rendimiento aumentan, los materiales de encapsulado y de unión de bordes se han convertido en herramientas esenciales para mejorar la robustez del ensamblaje y prolongar la vida útil del producto.
Los ensamblajes de tarjeta de circuito impreso impreso miniaturizadas imponen exigencias cada vez mayores en cuanto a fiabilidad y rendimiento.
Los desafíos de fiabilidad a los que se enfrenta la electrónica moderna
Los conjuntos electrónicos actuales operan en entornos cada vez más exigentes. Los dispositivos experimentan habitualmente:
- Ciclos térmicos repetidos
- Choque mecánico y vibración
- La placa se flexiona durante el montaje y el uso.
- Desajustes en el coeficiente de expansión térmica (CTE) entre componentes y sustratos.
- Mayores temperaturas de funcionamiento y densidades de potencia.
Estas condiciones ejercen una presión considerable sobre las uniones de soldadura, especialmente en encapsulados de matriz de área como BGA, CSP y dispositivos flip-chip. A medida que las dimensiones del encapsulado se reducen y las uniones de soldadura se vuelven más pequeñas, el margen de fiabilidad disminuye.
Por lo tanto, los fabricantes deben ir más allá de la propia junta de soldadura y considerar métodos adicionales para mitigar las tensiones.
¿Qué es el relleno electrónico insuficiente?
Los encapsulantes de relleno inferior están diseñados para fluir por debajo de un componente y encapsular el espacio entre el paquete y la placa de circuito impreso. Una vez curado, el material crea una estructura reforzada que distribuye las tensiones mecánicas y térmicas de manera más uniforme a lo largo de la matriz de interconexión.
Rendimiento mejorado en ciclos térmicos
Los encapsulados electrónicos se someten a esfuerzos durante las pruebas de fiabilidad, como los ciclos térmicos. Debido a las diferencias en el coeficiente de dilatación térmica (CTE) entre la placa de circuito impreso, los componentes y las uniones de soldadura, se generan tensiones a medida que estas piezas se expanden y contraen a ritmos diferentes. El nivel de tensión en un encapsulado electrónico es el mismo, independientemente de si se utiliza o no material de relleno. El material de relleno no reduce la tensión, sino que, al utilizarlo, esta no se concentra en las uniones de soldadura del encapsulado, sino que se redistribuye sobre una superficie mayor, lo que mejora la fiabilidad del encapsulado.
Mayor resistencia mecánica
El material de relleno inferior refuerza la fijación general del encapsulado, protegiendo así los componentes contra impactos por caídas, vibraciones y golpes mecánicos. Esto se debe a las fuerzas adhesivas adicionales que proporciona el material de relleno inferior, así como a la redistribución de las tensiones, alejándolas de las uniones de soldadura y aplicándolas sobre una superficie mayor.
Mayor fiabilidad a largo plazo
En el caso de componentes electrónicos de alto valor, donde la reparación o el reemplazo resultan costosos, el encapsulado puede prolongar significativamente la vida útil y mejorar la fiabilidad en el campo.
Soporte para diseños miniaturizados
A medida que los componentes se vuelven más pequeños y los pasos de interconexión más finos, el material de encapsulado proporciona un nivel adicional de protección que permite una miniaturización continua sin sacrificar el rendimiento.
¿Qué es la tecnología Edge Bond?
Si bien el relleno inferior ofrece un refuerzo integral, algunas aplicaciones requieren un enfoque más rápido, selectivo, que facilite la fabricación y sea más rentable. Los materiales de unión de bordes satisfacen esta necesidad al asegurar los componentes en ubicaciones estratégicas alrededor del perímetro, en lugar de rellenar todo el espacio debajo del paquete.
Aplicados en las esquinas o los bordes de un componente, los materiales de unión de bordes se curan para crear un refuerzo localizado que reduce la tensión en las uniones de soldadura, al tiempo que minimiza la complejidad del proceso.
Mayor velocidad de producción
Dado que el material de unión de bordes se aplica únicamente en ubicaciones seleccionadas, la pegado de bordes requiere una cantidad significativamente menor de material y tiempos de procesamiento mucho más cortos en comparación con los métodos de encapsulado tradicionales.
Reducción del consumo de materiales
La aplicación selectiva reduce el consumo total de material al tiempo que proporciona mejoras sustanciales en la fiabilidad.
Mayor resistencia a los golpes y vibraciones.
Los materiales de unión de bordes funcionan de forma similar a los materiales de encapsulado, ya que mejoran la fiabilidad de un conjunto al redistribuir las tensiones generadas por vibraciones, caídas o choques térmicos desde las uniones soldadas a una superficie mayor. Esto ayuda a estabilizar los componentes y a reducir el movimiento durante la carga mecánica, proporcionando una valiosa protección para productos electrónicos portátiles y de uso intensivo.
Flexibilidad de fabricación
Aunque los materiales de encapsulado inferior (underfills) proporcionan un nivel de fiabilidad superior para los ensamblajes electrónicos, su desventaja radica en su incompatibilidad con el proceso de fabricación SMT estándar. Esto los hace poco deseables desde el punto de vista de la fabricación, además de costosos, ya que incrementan los costes de producción. El encapsulado inferior se suele suministrar congelado, lo que implica que las jeringas deben almacenarse en el congelador y descongelarse antes de su uso. El proceso de encapsulado inferior se realiza fuera de la línea de producción habitual, debido a los pasos específicos de dispensación en una placa calefactora y curado en un horno durante 30-60 minutos. Esta incompatibilidad con el proceso de fabricación SMT estándar eleva drásticamente los costes de producción. Para muchas aplicaciones, los materiales de unión de borde ofrecen un equilibrio eficaz entre la mejora de la fiabilidad y la eficiencia de la producción, lo que los hace atractivos para operaciones de ensamblaje de alto volumen. En particular, la unión de borde con curado UV ofrece un valor añadido a los usuarios, ya que se trata de materiales monocomponentes, como el encapsulado inferior, pero sin necesidad de almacenamiento en congelación. Esto elimina el paso de descongelación del proceso de fabricación. El adhesivo de borde de curado UV también es compatible con el proceso de fabricación SMT. El proceso se puede realizar completamente en línea, lo que reduce los costos en comparación con el encapsulado. El adhesivo de borde de curado UV se puede dispensar en línea, sin necesidad de placas calefactoras como el encapsulado, y se cura en línea en cuestión de segundos.
Relleno inferior vs. unión de bordes: ¿Cuál es la diferencia?
Ambas tecnologías mejoran la fiabilidad de las uniones soldadas, pero lo logran de maneras diferentes. Comprender las ventajas y desventajas de cada una puede ayudar a los fabricantes a elegir el enfoque más adecuado para su aplicación.
Ninguna de las soluciones es intrínsecamente mejor. La opción óptima depende de los requisitos de rendimiento, las prioridades de fabricación, el valor del componente y las consideraciones del ciclo de vida.
¿Qué tecnología ofrece una mejor capacidad de reprocesamiento?
La fiabilidad es solo una parte del proceso de selección de materiales. Los fabricantes también deben considerar qué sucede si un componente de alto valor requiere ser reemplazado durante la producción o una reparación en campo.
Los materiales de encapsulado tradicionales crean una fuerte unión entre el componente y el sustrato, encapsulado completamente todas las juntas de soldadura, lo que dificulta la extracción del componente y puede dañar la tarjeta de circuito impreso. Si bien este nivel de refuerzo es deseable para muchas aplicaciones críticas, puede complicar los procesos de retrabajo y aumentar los costos de reparación cuando se trata de componentes costosos.
Los materiales de unión de bordes ofrecen una flexibilidad de fabricación mucho mayor. Dado que el refuerzo se aplica solo en puntos específicos alrededor del perímetro del componente, sin encapsulado las uniones de soldadura, la unión de bordes se puede retirar con mayor facilidad, lo que permite a los fabricantes reemplazar o reparar componentes sin tener que desechar todo el conjunto.
Para aplicaciones que incorporan procesadores costosos, dispositivos de memoria, sensores, aceleradores de IA o componentes especializados, la capacidad de retrabajo puede convertirse en un factor importante junto con la fiabilidad, el rendimiento y el coste de fabricación.
¿Cómo mejoran la fiabilidad los materiales de relleno inferior y de unión de bordes?
Ya sea que se apliquen debajo del encapsulado o estratégicamente alrededor de su perímetro, ambas tecnologías ayudan a abordar las causas fundamentales de las fallas en las uniones de soldadura.
Entre las principales ventajas en cuanto a fiabilidad se incluyen:
- Reducción de la tensión mecánica en las uniones soldadas.
- Mayor resistencia a los ciclos térmicos
- Mayor durabilidad ante impactos y vibraciones.
- Mejor rendimiento en entornos operativos adversos.
- Mayor confianza en la fiabilidad del producto a largo plazo.
A medida que las arquitecturas de los dispositivos se vuelven más compactas y sofisticadas, estas estrategias de refuerzo adquieren cada vez mayor importancia en las aplicaciones de electrónica de consumo, industrial, automotriz, de telecomunicaciones y de infraestructura.
Elegir la estrategia de refuerzo adecuada
La elección entre la tecnología de encapsulado inferior y la de unión de bordes depende de varios factores, incluidos los requisitos del dispositivo, las condiciones ambientales, los objetivos de fabricación y los objetivos de fiabilidad.
Cuando el llenado insuficiente tiene sentido
- A menudo se prefiere un llenado parcial cuando:
- Se requiere la máxima fiabilidad.
- El costo no es un factor determinante
- Los conjuntos experimentan ciclos térmicos severos.
- Los componentes de alto valor deben estar protegidos.
- Se utilizan tecnologías de flip-chip o de empaquetado avanzado.
- La durabilidad a largo plazo es el objetivo principal.
Cuando Edge Bond es la mejor opción
Los materiales de unión de bordes se seleccionan con frecuencia cuando:
- La eficiencia en la fabricación a gran escala es fundamental.
- Se necesitan mejoras en la fiabilidad sin un procesamiento de llenado completo.
- Las consideraciones sobre costos y rendimiento son importantes.
- Los componentes requieren protección contra golpes y vibraciones.
- Puede ser necesario realizar un nuevo trabajo.
- El refuerzo selectivo proporciona una durabilidad suficiente.
En muchos casos, los ingenieros evalúan ambos enfoques durante el desarrollo del producto para determinar el equilibrio óptimo entre fiabilidad, simplicidad del proceso, reparabilidad de los componentes y coste de fabricación.
Apoyando el futuro de la electrónica avanzada.
A medida que los dispositivos electrónicos siguen evolucionando, los materiales de refuerzo desempeñarán un papel cada vez más importante para garantizar la fiabilidad. Ya sea mediante una distribución integral de la tensión con tecnologías de encapsulado o un refuerzo específico con materiales de unión de bordes, los fabricantes disponen de más opciones que nunca para mejorar el rendimiento y la durabilidad del ensamblaje.
El éxito depende en última instancia de seleccionar materiales que se ajusten a los requisitos de la aplicación y de asociarse con proveedores que puedan ayudar a optimizar el desarrollo del proceso, las pruebas de fiabilidad y la implementación de la producción.
En Dymax, colaboramos estrechamente con fabricantes de electrónica para ofrecer soluciones adhesivas fotopolimerizables, de unión de bordes y de refuerzo que mejoran la fiabilidad del ensamblaje y, al mismo tiempo, optimizan los procesos de fabricación. Para aplicaciones que requieren robustez y facilidad de mantenimiento, los fabricantes pueden beneficiarse de tecnologías de refuerzo diseñadas para proporcionar una sólida protección mecánica, facilitando la reparación y la sustitución de componentes.