การกระจายวัสดุป้องกัน EMI: ทางเลือกแทนการสปัตเตอร์

การปกป้องระบบอิเล็กทรอนิกส์จากการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) กลายเป็นประเด็นร้อน ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีในมาตรฐาน 5G การชาร์จแบบไร้สายสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เคลื่อนที่ การรวมเสาอากาศเข้ากับแชสซี และการเปิดตัว System in Package (SiP) กำลังผลักดันความต้องการการป้องกันและการแยก EMI ที่ดีขึ้นในแพ็คเกจส่วนประกอบและแอปพลิเคชันโมดูลาร์ขนาดใหญ่ สำหรับการหุ้มตามโครงสร้าง วัสดุป้องกัน EMI สำหรับพื้นผิวด้านนอกของบรรจุภัณฑ์ส่วนใหญ่จะถูกสะสมโดยใช้กระบวนการสะสมไอทางกายภาพ (PVD) โดยใช้เทคโนโลยีการบรรจุล่วงหน้าสำหรับการใช้งานบรรจุภัณฑ์ภายใน อย่างไรก็ตาม ปัญหาด้านความสามารถในการปรับขนาดและต้นทุนของเทคโนโลยีสเปรย์ รวมถึงความก้าวหน้าในวัสดุสิ้นเปลือง กำลังนำไปสู่การพิจารณาวิธีการพ่นทางเลือกอื่นสำหรับการป้องกัน EMI
ผู้เขียนจะหารือเกี่ยวกับการพัฒนากระบวนการเคลือบสเปรย์สำหรับการใช้วัสดุป้องกัน EMI กับพื้นผิวภายนอกของส่วนประกอบแต่ละชิ้นบนแถบและแพ็คเกจ SiP ที่ใหญ่ขึ้น ด้วยการใช้วัสดุและอุปกรณ์ที่ได้รับการพัฒนาและปรับปรุงใหม่สำหรับอุตสาหกรรม กระบวนการแสดงให้เห็นว่าให้ความคุ้มครองที่สม่ำเสมอบนบรรจุภัณฑ์ที่มีความหนาน้อยกว่า 10 ไมครอน และครอบคลุมที่สม่ำเสมอรอบๆ มุมของบรรจุภัณฑ์และผนังด้านข้างของบรรจุภัณฑ์ อัตราส่วนความหนาของผนังด้านข้าง 1:1 การวิจัยเพิ่มเติมแสดงให้เห็นว่าต้นทุนการผลิตในการใช้การป้องกัน EMI กับบรรจุภัณฑ์ส่วนประกอบสามารถลดลงได้โดยการเพิ่มอัตราการพ่นและเลือกการเคลือบในพื้นที่เฉพาะของบรรจุภัณฑ์ นอกจากนี้ ต้นทุนทุนที่ต่ำของอุปกรณ์และเวลาในการติดตั้งอุปกรณ์ฉีดพ่นที่สั้นลงเมื่อเปรียบเทียบกับอุปกรณ์พ่นช่วยเพิ่มความสามารถในการเพิ่มกำลังการผลิต
เมื่อบรรจุอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เคลื่อนที่ ผู้ผลิตโมดูล SiP บางรายประสบปัญหาในการแยกส่วนประกอบภายใน SiP ออกจากกันและจากภายนอกเพื่อป้องกันการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า ร่องถูกตัดรอบๆ ส่วนประกอบภายใน และทากาวที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าบนร่องเพื่อสร้างกรงฟาราเดย์ที่มีขนาดเล็กลงภายในเคส เนื่องจากการออกแบบร่องลึกแคบลง จึงจำเป็นต้องควบคุมปริมาตรและความแม่นยำของการวางวัสดุที่เติมร่องลึกลงไป ผลิตภัณฑ์พ่นทรายขั้นสูงล่าสุดควบคุมปริมาตรและความกว้างของกระแสลมที่แคบ ช่วยให้มั่นใจในการเติมร่องลึกที่แม่นยำ ในขั้นตอนสุดท้าย ด้านบนของร่องลึกที่อัดแน่นด้วยกาวเหล่านี้จะถูกติดเข้าด้วยกันโดยใช้การเคลือบป้องกัน EMI ภายนอก การเคลือบสเปรย์ช่วยแก้ปัญหาที่เกี่ยวข้องกับการใช้อุปกรณ์สปัตเตอร์ และใช้ประโยชน์จากวัสดุ EMI ที่ได้รับการปรับปรุงและอุปกรณ์การสะสม ทำให้สามารถผลิตบรรจุภัณฑ์ SiP โดยใช้วิธีการบรรจุภายในที่มีประสิทธิภาพ
ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา การป้องกัน EMI ได้กลายเป็นข้อกังวลหลัก ด้วยการนำเทคโนโลยีไร้สาย 5G มาใช้กระแสหลักอย่างค่อยเป็นค่อยไป และโอกาสในอนาคตที่ 5G จะนำมาสู่อินเทอร์เน็ตของสรรพสิ่ง (IoT) และการสื่อสารที่สำคัญต่อภารกิจ ความจำเป็นในการปกป้องชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์และส่วนประกอบจากการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าอย่างมีประสิทธิภาพจึงเพิ่มขึ้น จำเป็น. ด้วยมาตรฐานไร้สาย 5G ที่กำลังจะมาถึง ความถี่สัญญาณในช่วง 600 MHz ถึง 6 GHz และแถบคลื่นมิลลิเมตรจะกลายเป็นเรื่องธรรมดาและมีประสิทธิภาพมากขึ้นเมื่อมีการนำเทคโนโลยีมาใช้ กรณีการใช้งานและการใช้งานที่นำเสนอบางส่วน ได้แก่ บานหน้าต่างสำหรับอาคารสำนักงานหรือการขนส่งสาธารณะ เพื่อช่วยรักษาการสื่อสารในระยะทางที่สั้นลง
เนื่องจากความถี่ 5G เจาะผนังและวัตถุแข็งอื่นๆ ได้ยาก การใช้งานอื่นๆ ที่เสนอจึงรวมอุปกรณ์ทวนสัญญาณในบ้านและอาคารสำนักงานเพื่อให้ครอบคลุมเพียงพอ การกระทำทั้งหมดเหล่านี้จะนำไปสู่การเพิ่มความชุกของสัญญาณในย่านความถี่ 5G และความเสี่ยงที่สูงขึ้นในการสัมผัสกับสัญญาณรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าในย่านความถี่เหล่านี้และฮาร์โมนิกของพวกมัน
โชคดีที่ EMI สามารถป้องกันได้โดยการเคลือบโลหะนำไฟฟ้าบางๆ กับส่วนประกอบภายนอกและอุปกรณ์ System-in-Package (SiP) (รูปที่ 1) ในอดีต การป้องกัน EMI ถูกนำมาใช้โดยการวางกระป๋องโลหะที่มีการประทับตรารอบกลุ่มส่วนประกอบ หรือโดยการติดเทปป้องกันกับส่วนประกอบแต่ละชิ้น อย่างไรก็ตาม เนื่องจากบรรจุภัณฑ์และอุปกรณ์ปลายทางยังคงถูกย่อขนาดลง วิธีการป้องกันนี้จึงเป็นที่ยอมรับไม่ได้เนื่องจากข้อจำกัดด้านขนาดและความยืดหยุ่นในการจัดการแนวคิดบรรจุภัณฑ์ที่หลากหลายและไม่ตั้งฉากซึ่งมีการใช้กันมากขึ้นในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบเคลื่อนที่และอุปกรณ์สวมใส่
ในทำนองเดียวกัน การออกแบบบรรจุภัณฑ์ชั้นนำบางส่วนกำลังมุ่งไปสู่การเลือกครอบคลุมเฉพาะบางพื้นที่ของบรรจุภัณฑ์สำหรับการป้องกัน EMI แทนที่จะครอบคลุมภายนอกทั้งหมดของบรรจุภัณฑ์ด้วยบรรจุภัณฑ์แบบเต็ม นอกเหนือจากการป้องกัน EMI ภายนอกแล้ว อุปกรณ์ SiP ใหม่ยังต้องมีการป้องกันในตัวเพิ่มเติมที่สร้างไว้ในแพ็คเกจโดยตรง เพื่อแยกส่วนประกอบต่างๆ ออกจากกันอย่างเหมาะสมในแพ็คเกจเดียวกัน
วิธีการหลักในการสร้างการป้องกัน EMI บนแพ็คเกจส่วนประกอบที่ขึ้นรูปหรืออุปกรณ์ SiP ที่ขึ้นรูปคือการพ่นโลหะหลายชั้นลงบนพื้นผิว ด้วยการสปัตเตอร์ การเคลือบโลหะบริสุทธิ์หรือโลหะผสมที่สม่ำเสมอบางมากสามารถสะสมบนพื้นผิวบรรจุภัณฑ์ที่มีความหนา 1 ถึง 7 µm เนื่องจากกระบวนการสปัตเตอร์สามารถสะสมโลหะได้ที่ระดับอังสตรอม คุณสมบัติทางไฟฟ้าของสารเคลือบจึงมีประสิทธิภาพสำหรับการใช้งานป้องกันทั่วไป
อย่างไรก็ตาม เนื่องจากความต้องการการป้องกันเพิ่มมากขึ้น การสปัตเตอร์ริ่งจึงมีข้อเสียโดยธรรมชาติที่สำคัญ ซึ่งทำให้ไม่สามารถใช้เป็นวิธีการปรับขนาดได้สำหรับผู้ผลิตและนักพัฒนา ต้นทุนเริ่มต้นของอุปกรณ์สเปรย์สูงมากในช่วงหลายล้านดอลลาร์ เนื่องจากกระบวนการแบบหลายห้อง สายการผลิตอุปกรณ์สเปรย์จึงต้องใช้พื้นที่ขนาดใหญ่ และเพิ่มความต้องการอสังหาริมทรัพย์เพิ่มเติมด้วยระบบการถ่ายโอนแบบครบวงจร สภาพห้องสปัตเตอร์โดยทั่วไปสามารถสูงถึงช่วง 400°C เนื่องจากการกระตุ้นด้วยพลาสมาจะสปัตเตอร์วัสดุจากเป้าหมายสปัตเตอร์ไปยังซับสเตรต ดังนั้นจึงจำเป็นต้องมีอุปกรณ์ติดตั้งแบบ "แผ่นเย็น" เพื่อทำให้พื้นผิวเย็นลงเพื่อลดอุณหภูมิที่เกิดขึ้น ในระหว่างกระบวนการตกตะกอน โลหะจะสะสมอยู่บนพื้นผิวที่กำหนด แต่ตามกฎแล้ว ความหนาของการเคลือบของผนังด้านข้างแนวตั้งของบรรจุภัณฑ์ 3 มิติมักจะสูงถึง 60% เมื่อเทียบกับความหนาของชั้นพื้นผิวด้านบน
ในที่สุด เนื่องจากความจริงที่ว่าการสปัตเตอร์เป็นกระบวนการทับถมของแนวสายตา อนุภาคโลหะไม่สามารถเลือกได้หรือต้องฝากไว้ภายใต้โครงสร้างและโทโพโลยีที่ยื่นออกมา ซึ่งอาจนำไปสู่การสูญเสียวัสดุอย่างมีนัยสำคัญนอกเหนือจากการสะสมภายในผนังห้อง ดังนั้นจึงต้องมีการบำรุงรักษาเป็นจำนวนมาก หากพื้นที่บางส่วนของวัสดุพิมพ์นั้นถูกปล่อยทิ้งไว้หรือไม่จำเป็นต้องมีการป้องกัน EMI ก็จะต้องปิดบังวัสดุพิมพ์ไว้ล่วงหน้าด้วย
การปกป้องระบบอิเล็กทรอนิกส์จากการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) กลายเป็นประเด็นร้อน ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีในมาตรฐาน 5G การชาร์จแบบไร้สายสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เคลื่อนที่ การรวมเสาอากาศเข้ากับแชสซี และการเปิดตัว System in Package (SiP) กำลังผลักดันความต้องการการป้องกันและการแยก EMI ที่ดีขึ้นในแพ็คเกจส่วนประกอบและแอปพลิเคชันโมดูลาร์ขนาดใหญ่ สำหรับการหุ้มตามโครงสร้าง วัสดุป้องกัน EMI สำหรับพื้นผิวด้านนอกของบรรจุภัณฑ์ส่วนใหญ่จะถูกสะสมโดยใช้กระบวนการสะสมไอทางกายภาพ (PVD) โดยใช้เทคโนโลยีการบรรจุล่วงหน้าสำหรับการใช้งานบรรจุภัณฑ์ภายใน อย่างไรก็ตาม ปัญหาด้านความสามารถในการปรับขนาดและต้นทุนของเทคโนโลยีสเปรย์ รวมถึงความก้าวหน้าในวัสดุสิ้นเปลือง กำลังนำไปสู่การพิจารณาวิธีการพ่นทางเลือกอื่นสำหรับการป้องกัน EMI
ผู้เขียนจะหารือเกี่ยวกับการพัฒนากระบวนการเคลือบสเปรย์สำหรับการใช้วัสดุป้องกัน EMI กับพื้นผิวภายนอกของส่วนประกอบแต่ละชิ้นบนแถบและแพ็คเกจ SiP ที่ใหญ่ขึ้น ด้วยการใช้วัสดุและอุปกรณ์ที่ได้รับการพัฒนาและปรับปรุงใหม่สำหรับอุตสาหกรรม กระบวนการแสดงให้เห็นว่าให้ความคุ้มครองที่สม่ำเสมอบนบรรจุภัณฑ์ที่มีความหนาน้อยกว่า 10 ไมครอน และครอบคลุมที่สม่ำเสมอรอบๆ มุมของบรรจุภัณฑ์และผนังด้านข้างของบรรจุภัณฑ์ อัตราส่วนความหนาของผนังด้านข้าง 1:1 การวิจัยเพิ่มเติมแสดงให้เห็นว่าต้นทุนการผลิตในการใช้การป้องกัน EMI กับบรรจุภัณฑ์ส่วนประกอบสามารถลดลงได้โดยการเพิ่มอัตราการพ่นและเลือกการเคลือบในพื้นที่เฉพาะของบรรจุภัณฑ์ นอกจากนี้ ต้นทุนทุนที่ต่ำของอุปกรณ์และเวลาในการติดตั้งอุปกรณ์ฉีดพ่นที่สั้นลงเมื่อเปรียบเทียบกับอุปกรณ์พ่นช่วยเพิ่มความสามารถในการเพิ่มกำลังการผลิต
เมื่อบรรจุอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เคลื่อนที่ ผู้ผลิตโมดูล SiP บางรายประสบปัญหาในการแยกส่วนประกอบภายใน SiP ออกจากกันและจากภายนอกเพื่อป้องกันการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า ร่องถูกตัดรอบๆ ส่วนประกอบภายใน และทากาวที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าบนร่องเพื่อสร้างกรงฟาราเดย์ที่มีขนาดเล็กลงภายในเคส เนื่องจากการออกแบบร่องลึกแคบลง จึงจำเป็นต้องควบคุมปริมาตรและความแม่นยำของการวางวัสดุที่เติมร่องลึกลงไป ผลิตภัณฑ์พ่นทรายขั้นสูงล่าสุดควบคุมปริมาตรและความกว้างของการไหลของอากาศที่แคบ ช่วยให้มั่นใจในการเติมร่องลึกที่แม่นยำ ในขั้นตอนสุดท้าย ด้านบนของร่องลึกที่อัดแน่นด้วยกาวเหล่านี้จะถูกติดเข้าด้วยกันโดยใช้การเคลือบป้องกัน EMI ภายนอก การเคลือบสเปรย์ช่วยแก้ปัญหาที่เกี่ยวข้องกับการใช้อุปกรณ์สปัตเตอร์ และใช้ประโยชน์จากวัสดุ EMI ที่ได้รับการปรับปรุงและอุปกรณ์การสะสม ทำให้สามารถผลิตบรรจุภัณฑ์ SiP โดยใช้วิธีการบรรจุภายในที่มีประสิทธิภาพ
ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา การป้องกัน EMI ได้กลายเป็นข้อกังวลหลัก ด้วยการนำเทคโนโลยีไร้สาย 5G มาใช้กระแสหลักอย่างค่อยเป็นค่อยไป และโอกาสในอนาคตที่ 5G จะนำมาสู่อินเทอร์เน็ตของสรรพสิ่ง (IoT) และการสื่อสารที่สำคัญต่อภารกิจ ความจำเป็นในการปกป้องชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์และส่วนประกอบจากการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าอย่างมีประสิทธิภาพจึงเพิ่มขึ้น จำเป็น. ด้วยมาตรฐานไร้สาย 5G ที่กำลังจะมาถึง ความถี่สัญญาณในช่วง 600 MHz ถึง 6 GHz และแถบคลื่นมิลลิเมตรจะกลายเป็นเรื่องธรรมดาและมีประสิทธิภาพมากขึ้นเมื่อมีการนำเทคโนโลยีมาใช้ กรณีการใช้งานและการใช้งานที่นำเสนอบางส่วน ได้แก่ บานหน้าต่างสำหรับอาคารสำนักงานหรือการขนส่งสาธารณะ เพื่อช่วยรักษาการสื่อสารในระยะทางที่สั้นลง
เนื่องจากความถี่ 5G เจาะผนังและวัตถุแข็งอื่นๆ ได้ยาก การใช้งานอื่นๆ ที่เสนอจึงรวมอุปกรณ์ทวนสัญญาณในบ้านและอาคารสำนักงานเพื่อให้ครอบคลุมเพียงพอ การกระทำทั้งหมดเหล่านี้จะนำไปสู่การเพิ่มความชุกของสัญญาณในย่านความถี่ 5G และความเสี่ยงที่สูงขึ้นในการสัมผัสกับสัญญาณรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าในย่านความถี่เหล่านี้และฮาร์โมนิกของพวกมัน
โชคดีที่ EMI สามารถป้องกันได้โดยการเคลือบโลหะนำไฟฟ้าบางๆ กับส่วนประกอบภายนอกและอุปกรณ์ System-in-Package (SiP) (รูปที่ 1) ในอดีต การป้องกัน EMI ถูกนำมาใช้โดยการวางกระป๋องโลหะที่มีการประทับตรารอบกลุ่มส่วนประกอบ หรือโดยการติดเทปป้องกันกับส่วนประกอบบางอย่าง อย่างไรก็ตาม เนื่องจากบรรจุภัณฑ์และอุปกรณ์ปลายทางยังคงถูกย่อขนาดลง วิธีการป้องกันนี้จึงเป็นที่ยอมรับไม่ได้เนื่องจากข้อจำกัดด้านขนาดและความยืดหยุ่นในการจัดการแนวคิดบรรจุภัณฑ์ที่ไม่มุมฉากที่หลากหลาย ซึ่งพบมากขึ้นในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เคลื่อนที่และอุปกรณ์สวมใส่
ในทำนองเดียวกัน การออกแบบบรรจุภัณฑ์ชั้นนำบางส่วนกำลังมุ่งไปสู่การเลือกครอบคลุมเฉพาะบางพื้นที่ของบรรจุภัณฑ์สำหรับการป้องกัน EMI แทนที่จะครอบคลุมภายนอกทั้งหมดของบรรจุภัณฑ์ด้วยบรรจุภัณฑ์แบบเต็ม นอกเหนือจากการป้องกัน EMI ภายนอกแล้ว อุปกรณ์ SiP ใหม่ยังต้องมีการป้องกันในตัวเพิ่มเติมที่สร้างไว้ในแพ็คเกจโดยตรง เพื่อแยกส่วนประกอบต่างๆ ออกจากกันอย่างเหมาะสมในแพ็คเกจเดียวกัน
วิธีการหลักในการสร้างการป้องกัน EMI บนแพ็คเกจส่วนประกอบที่ขึ้นรูปหรืออุปกรณ์ SiP ที่ขึ้นรูปคือการพ่นโลหะหลายชั้นลงบนพื้นผิว ด้วยการสปัตเตอร์ การเคลือบโลหะบริสุทธิ์หรือโลหะผสมที่สม่ำเสมอบางมากสามารถสะสมบนพื้นผิวบรรจุภัณฑ์ที่มีความหนา 1 ถึง 7 µm เนื่องจากกระบวนการสปัตเตอร์สามารถสะสมโลหะได้ที่ระดับอังสตรอม คุณสมบัติทางไฟฟ้าของสารเคลือบจึงมีประสิทธิภาพสำหรับการใช้งานป้องกันทั่วไป
อย่างไรก็ตาม เนื่องจากความต้องการการป้องกันเพิ่มมากขึ้น การสปัตเตอร์ริ่งจึงมีข้อเสียโดยธรรมชาติที่สำคัญ ซึ่งทำให้ไม่สามารถใช้เป็นวิธีการปรับขนาดได้สำหรับผู้ผลิตและนักพัฒนา ต้นทุนเริ่มต้นของอุปกรณ์สเปรย์สูงมากในช่วงหลายล้านดอลลาร์ เนื่องจากกระบวนการแบบหลายห้อง สายการผลิตอุปกรณ์สเปรย์จึงต้องใช้พื้นที่ขนาดใหญ่ และเพิ่มความต้องการอสังหาริมทรัพย์เพิ่มเติมด้วยระบบการถ่ายโอนแบบครบวงจร สภาพห้องสปัตเตอร์โดยทั่วไปสามารถสูงถึงช่วง 400°C เนื่องจากการกระตุ้นด้วยพลาสมาจะสปัตเตอร์วัสดุจากเป้าหมายสปัตเตอร์ไปยังซับสเตรต ดังนั้นจึงจำเป็นต้องมีอุปกรณ์ติดตั้งแบบ "แผ่นเย็น" เพื่อทำให้พื้นผิวเย็นลงเพื่อลดอุณหภูมิที่เกิดขึ้น ในระหว่างกระบวนการตกตะกอน โลหะจะสะสมอยู่บนพื้นผิวที่กำหนด แต่ตามกฎแล้ว ความหนาของการเคลือบของผนังด้านข้างแนวตั้งของบรรจุภัณฑ์ 3 มิติมักจะสูงถึง 60% เมื่อเทียบกับความหนาของชั้นพื้นผิวด้านบน
ในที่สุด เนื่องจากความจริงที่ว่าการสปัตเตอร์เป็นกระบวนการทับถมของแนวสายตา อนุภาคโลหะไม่สามารถเลือกได้หรือต้องฝากไว้ภายใต้โครงสร้างและโทโพโลยีที่ยื่นออกมา ซึ่งอาจส่งผลให้เกิดการสูญเสียวัสดุอย่างมีนัยสำคัญ นอกเหนือจากการสะสมภายในผนังห้อง ดังนั้นจึงต้องมีการบำรุงรักษาเป็นจำนวนมาก หากพื้นที่บางส่วนของวัสดุพิมพ์นั้นถูกปล่อยทิ้งไว้หรือไม่จำเป็นต้องมีการป้องกัน EMI ก็จะต้องปิดบังวัสดุพิมพ์ไว้ล่วงหน้าด้วย
เอกสารไวท์เปเปอร์: เมื่อย้ายจากการผลิตแบบแบ่งประเภทขนาดเล็กไปจนถึงขนาดใหญ่ การเพิ่มประสิทธิภาพปริมาณงานของผลิตภัณฑ์ที่แตกต่างกันหลายชุดถือเป็นสิ่งสำคัญในการเพิ่มความสามารถในการผลิตสูงสุด การใช้สายโดยรวม... ดูเอกสารไวท์เปเปอร์