Acerca de los paquetes electrónicos de sellado de costura
El sellado de costuras es el proceso que une permanentemente los paquetes electrónicos y la tapa de un dispositivo, proporcionando una barrera para los componentes internos durante la vida útil operativa del dispositivo.
Este suele ser el último paso crítico en el proceso de fabricación del paquete, que se encuentra entre los más importantes. El producto terminado realiza una función vital y tiene un alto valor en dólares, por lo que es esencial crear una barrera contra la entrada de contaminación.
Hay mucho en juego: los paquetes optoelectrónicos para cables de fibra óptica que transmiten señales a veces en medio del océano deben durar mucho tiempo porque el reemplazo es difícil y costoso. De manera similar, los paquetes aeroespaciales de RF/microondas realizan funciones esenciales, por lo que es imperativo evitar que las condiciones ambientales externas penetren en el paquete, incluso en entornos altamente agresivos.
El control del proceso de fabricación de componentes y la alineación de los componentes del dispositivo para que sean «amigables con la soldadura por láser» permitirá a los fabricantes lograr rendimientos de proceso de más del 99 %.
Conceptos básicos de sellado de costuras con láser
El sellado de costuras es el método para unir una tapa a la base de un paquete para crear una barrera que evite el ingreso de contaminación. Se puede realizar mediante soldadura láser o por resistencia con electrodo.
La soldadura de costura por resistencia ha proporcionado y sigue proporcionando una solución para muchas aplicaciones de sellado de costuras. Sin embargo, el interés y el uso de la soldadura por láser está aumentando.
Ofrece algunas capacidades de procesamiento únicas, principalmente una gran flexibilidad en términos de geometrías conjuntas, diseño y tamaño del paquete y control de entrada de calor.
También permite la soldadura de aluminio, que se usa ampliamente para paquetes aeroespaciales y no se puede realizar mediante soldadura por resistencia. El equipo láser también facilita la multitarea del equipo, ya que el láser se puede utilizar tanto para el sellado de costuras como para la soldadura de componentes internos.
Un mal sellado de las costuras puede causar fugas o microfisuras que luego permiten que la humedad y los contaminantes ingresen a los paquetes electrónicos. Las grietas y fugas pueden comprometer el funcionamiento de los componentes internos directamente o por la variación de la presión interna que resulta del ciclo de temperatura de los componentes.
Además del sellado hermético con láser, los paquetes de RF/microondas deben evitar el desbordamiento de la señal desde una parte adyacente del paquete. Espaciar varios puntos de soldadura cada 0,04 pulgadas contendrá la señal dentro del compartimiento del dispositivo, lo que garantiza el funcionamiento correcto de todas las partes del dispositivo.
Si seguimos el enfoque de «todo tiene fugas», el sellado de la costura debe completar una prueba de fugas determinada según el estándar MIL/IEC o la aptitud. La norma define como la hermeticidad o tasa de fuga de piezas selladas por costura. El tamaño de una fuga se mide por el volumen de helio en centímetros cúbicos (cc) que pasaría cada segundo con una diferencia de presión de 1 atmósfera (atm-cc/seg).
Una especificación típica es 5 x 10-9 atm-cc/seg. Esta medida es de aproximadamente 1 cc de fuga cada 6,34 años.
Factores a controlar en el sellado de costuras con láser
Elección del material de sellado de costuras y preparación de piezas
La elección del material es fundamental para conseguir un cierre adecuado y hermético. Para paquetes de optoelectrónica, los materiales más comunes son Kovar e Invar, que son conocidos por sus propiedades de expansión térmica, y acero inoxidable 304L.
Este acero es un material con bajo contenido de carbono que se utiliza en componentes de gran calibre, ya que mejora la soldabilidad.
Las aleaciones avanzadas de aluminio y silicio (Al-Si) son excelentes opciones para ahorrar peso en los paquetes aeroespaciales de sellado de costuras. Cuando utilice aluminio, debe elegir la aleación correcta para cada parte del paquete. Por ejemplo, el aluminio de grado 6061 tiene buenas propiedades. Por otro lado, el aluminio 6061 no se puede soldar a sí mismo, por lo que tendrás que utilizar aluminio 4047 para los diferentes grosores de tapa. Este último material tiene más silicio, lo que aumenta la soldabilidad.
Una vez que seleccione el material y lo califique de un proveedor, debe continuar usando solo un proveedor en particular. La experiencia ha demostrado que algunos materiales pueden cumplir con la especificación e incluir sustancias de relleno o trazas que pueden afectar negativamente a la soldadura. Además, los cambios de proveedor pueden provocar el deterioro de la calidad de la soldadura. Este es un problema clásico que puede ocurrir en el aluminio y algunos aceros inoxidables, ya que la fisura corre por el medio de la soldadura después de comprar materiales de otro proveedor.
El punto esencial es que intentar ahorrar dinero seleccionando un proveedor desconocido en un dispositivo completo con un valor de $ 5,000 a $ 50,000 puede terminar en un gran fracaso. Si hay una señal de que la soldadura no se ha realizado correctamente o no se mantiene, es posible que deba quitar la tapa y existe el riesgo de dañar la pieza. Aunque retire con éxito la tapa y vuelva a sellar el paquete, es posible que la pieza no permanezca impecable y funcione como se especifica.
La soldadura de alto rendimiento depende de la limpieza absoluta de la superficie. Eso significa que no hay contaminantes, aceite o grasa en el área de soldadura. La limpieza también es crucial cuando se van a realizar soldaduras más difíciles. Es por eso que todas las partes deben prepararse, limpiarse y desengrasarse antes de soldar.
Para Kovar, Invar y soporte de acero inoxidable, la limpieza del material incluye limpieza ultrasónica, etanol y agua desionizada. El aluminio es excepcionalmente reactivo al oxígeno, por lo que permanecerá una capa de óxido de aluminio sin importar qué tan bien se hayan limpiado las superficies. Por lo tanto, además de los métodos de limpieza que sugerimos, la soldadura exitosa de aluminio también debe incluir el uso de un cepillo de alambre inmediatamente antes de soldar.
Revestimiento de base y tapa sobre un material
El enchapado incluye depositar una superficie delgada sobre un material base o una tapa, lo que resulta en garantizar la protección contra la corrosión.
Muchos fabricantes compran un material base de un proveedor, lo mecanizan y luego lo envían a una casa de enchapado, que lo enchapa de acuerdo con las especificaciones proporcionadas.
La casa de enchapado después de terminar el trabajo devuelve el material base enchapado que está listo para trabajar. Finalmente, la tapa se sella a la parte superior de la base.
Los fabricantes suelen utilizar níquel únicamente o níquel/oro para el recubrimiento de la base y la tapa antes de sellar las costuras. El revestimiento debe completarse mediante revestimiento electrolítico, que es un proceso galvánico que consiste en sumergir la pieza en un electrolito. El electrolito tiene una o más sales metálicas disueltas, con otros iones que bloquean el flujo de electricidad. La parte chapada es el cátodo y el ánodo es el metal que se va a chapar en la pieza.
Por lo general, el enchapado se realiza con níquel y luego se recubre con oro. Como las capas delgadas son esenciales en el proceso de soldadura por láser, el níquel se recubre de 200 a 320 micropulgadas, mientras que el oro es más delgado que 30 micropulgadas por superficie. Además del gasto que resulta del baño de oro, si el oro es demasiado grueso, puede causar grietas en la soldadura.
Similar a la elección de material, es imperativo seleccionar una fuente de proveedor de revestimiento y luego quedarse con ella. Tenga en cuenta que algunos proveedores pueden aplicar capas de recubrimiento demasiado gruesas, especialmente si cambian de soldadura por resistencia a soldadura por láser. Es por eso que debe asegurarse de que el grosor del revestimiento esté dentro de los límites establecidos, especialmente para el oro.
La soldadura de Kovar o Invar generalmente no requiere revestimiento en el área de soldadura. Sin embargo, una pequeña cantidad de níquel y oro es aceptable. Al soldar aluminio, no debe haber absolutamente ningún revestimiento. Es por eso que la casa de enchapado debe enmascarar la pieza, para que la zona de soldadura esté libre de enchapado. Alternativamente, pueden mecanizar la superficie en el área de soldadura.
Geometría conjunta para soldadura de tapa/base
Más comúnmente, hay tres tipos de juntas que se usan en la soldadura láser: a tope, de filete y de traslape. Desde una perspectiva de soldadura estricta, existen geometrías preferidas para la soldadura de paquetes en función del grosor de la tapa y la simplificación de la alineación del láser con la costura de soldadura y la sujeción de la pieza.
Diseño de soldadura por traslape
La geometría de soldadura traslapada se usa normalmente para paquetes con un grosor máximo de tapa de aproximadamente 0,02 pulgadas para materiales ferrosos y 0,01 pulgadas para aluminio. La junta de regazo es el método más simple que requiere solo un movimiento de 2 ejes y una alineación mínima. El uso de una junta traslapada da como resultado que la soldadura sea más estable y más fácil de realizar.
Tenga en cuenta que el láser debe penetrar el espesor de la tapa que se superpone para realizar la soldadura. Si la parte principal de la tapa tiene un grosor superior a 0,01/0,02 pulgadas, se puede mecanizar cerca del área de la soldadura para lograr el grosor correcto.
Geometría de soldaduras de filete
Las soldaduras de filete se utilizan para paquetes con un espesor de tapa de aproximadamente 0,02 pulgadas. La tapa está soldada con un cabezal de soldadura recto hacia abajo, que requiere solo un movimiento de 2 ejes. Sin embargo, en comparación con la soldadura traslapada, el láser debe seguir de cerca la línea de unión. De lo contrario, podría haber un problema con la fusión de soldadura incompleta.
Diseño de soldadura a tope lateral
Una soldadura lateral a tope es una tapa plana simple, y la mayor ventaja es que se puede usar sin importar el grosor de la tapa. Requiere un movimiento de 3 ejes y un buen seguimiento de la línea conjunta. La soldadura se realiza usando el rayo láser horizontalmente usando la gravedad para ayudar con el utillaje de la pieza y la carga/descarga. Tenga en cuenta que la geometría del extremo es la más eficiente en términos de potencia ya que el láser penetra directamente en la línea de interfaz entre la tapa y la base.
Soldaduras a tope empotradas
Las soldaduras a tope empotradas requieren un mecanizado de piezas complejo. La tolerancia de ajuste de la base y la tapa debe ser inferior a 0,002 pulgadas. Además, requiere un movimiento de 2 ejes y un buen seguimiento de la línea conjunta.
Tolerancia de separación de soldadura
La soldadura láser requiere una tolerancia crítica, que es el espacio entre las caras de soldadura. Fundamentalmente, las cuatro geometrías de soldadura requieren el espacio máximo permitido de 0,002 pulgadas.
También vale la pena señalar que cumplir con estas tolerancias es una propuesta de herramientas simple para todas las juntas, excepto el tope del hueco, que requiere no solo que el láser siga de cerca la línea de la junta, sino que la tapa esté maquinada para encajar en el hueco con menos de 50 brecha de micras (0,002 pulgadas).
Entrada térmica y distorsión
Además de los factores cruciales que enumeramos, en ciertas aplicaciones la entrada de calor puede causar un problema, especialmente al unir paquetes pequeños, pero puede ocurrir en paquetes más grandes donde existe preocupación por la distorsión.
Ahí es donde prospera la soldadura láser como un proceso de baja entrada de calor. Como resultado, puede controlar con precisión la potencia del láser para minimizar la entrada de calor.
Otro factor que debe asegurarse es mantener una entrada de calor constante a lo largo de toda la longitud de la soldadura. Eso incluye tanto rectas como esquinas de 90 grados mientras optimiza la velocidad del proceso. El software de control de láser y movimiento totalmente integrado puede realizar los ajustes adecuados en función de los perfiles de velocidad y aceleración/desaceleración, lo que da como resultado soldaduras adecuadas.
Si el paquete es sensible a la temperatura o se requiere una entrada de alta potencia, se pueden usar herramientas conformadas conocidas como placas de enfriamiento. Estas placas están hechas de cobre y, a veces, enfriadas con agua, se utilizan para extraer calor de la soldadura. De esa manera, maximizará la potencia y la velocidad de soldadura sin sobrecalentar ni dañar los componentes.
Algunas bases de paquetes tienen una sección superior de metal adherida a alúmina. En ese caso, se necesita un cierto espesor de metal para evitar que la alúmina se agriete o que la unión de alúmina/metal se contamine. Se recomienda un metal de al menos 0,06 pulgadas de espesor para evitar el sobrecalentamiento.
Sistemas de soldadura láser
Configurar el sistema de soldadura por láser correcto es importante para el éxito del sellado de costuras en más del 99 %. Los elementos de un sistema de soldadura por láser incluyen el láser, la entrega del rayo, el cabezal de enfoque, el proceso, el recinto de la guantera y las herramientas, con un paquete de software de láser, movimiento y entorno completamente integrado. Cada parte es igualmente importante para una soldadura exitosa.
Pensamientos finales
En resumen, los fabricantes que deseen garantizar un sellado hermético de las costuras incluso en los entornos más agresivos deben controlar sus procesos de fabricación. Puede lograrlo seleccionando cuidadosamente el material, siguiendo las pautas de enchapado, eligiendo proveedores de calidad (y manteniéndose con ellos una vez calificados) y seleccionando la geometría de unión que funcione mejor para la aplicación en particular.