Как заливочные компаунды защищают электронные схемы
Надежность продукции является абсолютной необходимостью для производителей, чтобы добиться успеха на современном конкурентном рынке. По мере того, как клиенты требуют все более высоких уровней производительности при более низких удельных затратах, становится все более сложной задача обеспечения того, чтобы электронные схемы работали так, как они были спроектированы в течение длительного периода времени. Деликатные компоненты, плотно монтированные печатные платы, ограничивающий корпус и очень требовательные условия обслуживания могут привести к увеличению частоты отказов в результате чрезмерного накопления тепла и электрических помех.
Агрессивные условия ставят под угрозу надежность продукта
Электронное оборудование часто подвергается одному или нескольким нагрузкам, которые могут ухудшить производительность. Длительное воздействие высоких температур или криогенных условий, химических веществ, строгого термоциклирования, механического удара, теплового удара и других условий может отрицательно повлиять на электронные устройства, вызывая их выход из строя. Во время изготовления и сборки компоненты часто должны выдерживать высокие температуры пайки и иногда подвергаться воздействию чистящих средств и других химических веществ, которые могут помешать работе схемы. Кроме того, электронные сборки обычно подвергаются строгим квалификационным испытаниям. Это включает в себя сложные условия, такие как экстремальная жара, химическое воздействие, термический цикл, тепловой удар или механический удар, чрезмерные вибрации, все из которых могут привести к выходу продукта из строя. Зачастую квалификационные испытания являются более строгими, чем фактические условия эксплуатации.
Заливка компаундом изолирует электронику от окружающей среды
Заливочные и инкапсулирующие компаунды обеспечивают высочайший уровень защиты от воздействия окружающей среды, тепловых, химических, механических и электрических условий. Разработанные для полной инкапсуляции компонента, модуля или печатной платы, эти специально разработанные соединения эффективно защищают устройство от окружающей среды, обеспечивая при этом структурную поддержку. Заливочные компаунды обеспечивают более высокий уровень физической, химической, электрической и температурной защиты, чем конформные покрытия. Обратная сторона заключается в том, что заливка часто может добавить дополнительное время обработки, стоимость и вес. Эпоксиды и силиконы являются одними из наиболее часто используемых заливочных составов. Они могут быть применены к печатным платам, конденсаторам, силовой электронике, светодиодному освещению, датчикам и т. д. Некоторые из желаемых свойств включают хорошую адгезию, отличную электрическую изоляцию, термическую стабильность, превосходную химическую стойкость, низкую усадку при отверждении, соответствующий коэффициент теплового расширения (CTE) и подходящую вязкость для конкретного применения. Составы могут быть смешаны для обеспечения баланса этих и других свойств путем тщательного подбора смолы, агента и наполнителей.
Заливка, Литье и Инкапсуляция – в чем разница?
Заливочные составы могут быть нанесены на электронное устройство одним из трех способов: заливка, литье или инкапсуляция. Наиболее часто используемым методом является заливка, при которой устройство помещают в корпус, или нишу, и жидкий заливочный состав заливают в корпус до тех пор, пока он не заполнится до краев. Корпус остается нетронутым, становясь частью готового агрегата. Литье похоже на заливку, за исключением того, что вместо корпуса используется форма и удаляется после того, как смесь затвердеет. Литье используется для создания формованного блока. Инкапсуляция включает погружение компонента в систему смолы, так что вокруг компонента образуется толстое покрытие. Хотя способы несколько отличаются, в каждом случае компонент полностью окружен защитным заливочным составом. Термины заливка и инкапсуляция часто используются в общих чертах для описания полного покрытия электронного компонента заливочным составом с помощью любого из трех методов.
Разнообразие составов для заливки корпуса в соответствии с различными потребностями применения
Важнейшей частью выбора правильного продукта является определение приоритетов требований и осознание того, что компромиссы связаны с выбором материала. Иными словами, необходимо разработать баланс между конечными свойствами с учетом таких вопросов обработки и заливки, как время открытия, вязкость, график отверждения и другие факторы. Эпоксидные смолы являются наиболее часто используемым материалом для заливки и инкапсуляции, благодаря их широкому спектру свойств и непревзойденной универсальности. Эпоксидные смолы обладают исключительной химической стойкостью, превосходными физическими свойствами и сильной адгезией к металлам, большинству пластмасс, керамике и композитам — материалам, обычно используемым для заливки корпусов. Они обычно обладают превосходными диэлектрическими свойствами и обычно являются термически изолирующими, но при необходимости могут быть сделаны теплопроводными и электрически изолирующими. Они также могут быть сформулированы так, чтобы выдерживать термический цикл, стрессы и удары, сохраняя при этом свои превосходные диэлектрические свойства. Хотя эпоксидные смолы обычно считаются жесткими и постоянными по своей природе, при необходимости их можно сделать более гибкими, причем некоторые марки проявляют достаточную гибкость, чтобы обеспечить возможность извлечения компонента. Однако, когда эпоксидные смолы сформулированы для того, чтобы быть более гибкими, сопротивление химиката и температуры неизменно скомпрометировано. Эпоксидные смолы могут быть спроектированы для использования в заливочных работах, которые требуют очень специфических характеристик, таких как оптическая прозрачность, огнестойкость, теплопроводность или низкие газообразующие свойства, сохраняя при этом свои возможности электрической изоляции. Специально разработанные огнестойкие эпоксидные смолы, сертифицированные в соответствии со спецификациями UL 94V-0, являются самозатухающими и обладают превосходными электроизоляционными свойствами, что делает их идеальными для заливки источников питания, сигнальных трансформаторов и других мощных электронных устройств. Непревзойденная универсальность эпоксидных смол подтверждается их широким диапазоном рабочих температур. Некоторые сорта выдерживают криогенные условия, в то время как другие выдерживают температуру до 500°F. Однако уникальные эпоксидные компаунды обладают высокой термостойкостью и большей гибкостью, чем типичные эпоксиды с высокой термостойкостью. Обычно эпоксидные смолы, которые сопротивляются более высоким температурам, являются жесткими. Они могут выдержать строгий термический цикл и тепловой удар, но требуют более сложной обработки, чтобы реализовать свои особые свойства. Например, они должны быть преобразованы в жидкость из твердого состояния. Самое главное, что материалы имеют более низкую экзотерму, чем типичные однокомпонентные эпоксиды, и подходят для более крупных отливок. Наполнители могут быть добавлены для достижения других эксплуатационных свойств, таких как теплопроводность и повышенная стабильность размеров. Эпоксидные смолы, безусловно, являются лучшим выбором, когда требуется химическая стойкость, хорошая физическая прочность и первоклассные электроизоляционные свойства. Поскольку эпоксидные смолы могут выдерживать многократные температурные отклонения выше температуры стеклования (Tg), не следует исключать возможность использования определенного сорта для применений, которые предполагают только более короткое время выдержки при более высоких температурах. Например, эпоксидная смола с Tg 150°C может легко выдержать повторные нагрузки на много часов выше 200°C, в зависимости от нюансов применения. Эпоксидные смолы обычно используются с наполнителями для снижения усадки, повышения стабильности размеров и повышения стойкости к истиранию. Использование наполнителей является критическим фактором для получения теплопроводности при сохранении электрического сопротивления. Благодаря тщательному отбору химических веществ, добавок и наполнителей способны разрабатывать эпоксидные соединения со свойствами, которые адаптированы к большинству потребностей применения. Силиконы предлагают беспрецедентное сочетание высокой термостойкости (до 400°F), превосходных электрических свойств и гибкости, но иногда требуют использования грунтовок для улучшения адгезии. Они часто выбираются за их непревзойденную способность противостоять тепловому удару и повторному тепловому циклу. Более мягкие, чем эпоксидные смолы, силиконы оказывают меньшее воздействие на чувствительную электронику, а также позволяют извлекать компоненты, которые нуждаются в ремонте или удалении. Свойства силиконов можно регулировать путем добавления наполнителей, например тех, которые используются для достижения теплопроводности и огнестойкости.
Термические и геометрические факторы влияют на обработку
Чтобы обеспечить оптимальный уровень защиты и избежать повреждения деликатных компонентов, необходимо соблюдать осторожность при нанесении и отверждении заливочных составов. Некоторые материалы требуют подготовки поверхности и грунтовки для достижения хорошей адгезии. Во время нанесения жидкий заливочный материал должен легко течь так, чтобы он полностью покрывал компонент, не оставляя пустот. Если воздух попадает в корпус, содержащаяся в нем влага может вызвать коррозию, что в конечном итоге приведет к выходу из строя компонентов или изделий. Удаление пузырьков воздуха очень важно. Обычно используются два метода: вакуумная дегазация или центрифугирование. Дегазация возможна как после смешивания материала, так и после его нанесения. Наилучший метод вакуумной дегазации называется “наталкивание”, которое заключается в попеременном вытягивании и ослаблении вакуума в течение 30-60 секундных циклов. Центрифугирование очень просто. Смешанный материал помещают в центрифугу и вращают в течение 10-15 минут при 500-1000 оборотах в минуту. Эти методы могут быть не нужны для заливки смесей с очень низкой вязкостью, так как пузырьки воздуха могут быть незначительными. Однако в некоторых корпусах системы с более высокой вязкостью более желательны из-за проблем геометрии или конструкции, поэтому вакуумная дегазация или центрифугирование остаются критическим этапом обработки. Одним из популярных методов устранения дегазации или центрифугирования является упаковка соединения в виде предварительно смешанной и замороженной системы. Эти эпоксиды смешивают и центрифугируют перед замораживанием. Они обычно упаковываются в небольшие шприцы (от 3 до 10 кубиков) и поставляются в сухом льду. Температура хранения -40°C. Предварительно смешанные и замороженные эпоксидные смолы обычно используются в очень небольших системах заливки и инкапсуляции, где требуется сверхточное дозирование. Электроника становится все меньше. Таким образом, использование предварительно смешанных и замороженных эпоксидных смол становится все более популярным. На самом деле, теперь доступны специальные дозаторы, позволяющие использовать фракции грамма в инкапсуляции. Геометрия блока и его корпуса также являются важными соображениями при нанесении заливочных составов. Заливочных компаундов вылечить экзотермическим образом; то есть они выделяют тепло, когда происходят химические реакции, связывающие их полимерные цепи. При более глубоких отливках выделяется больше тепла, и реакция протекает еще быстрее. Поскольку большинство заливочных составов не рассеивают тепло, более быстрые реакции приводят к более высоким внутренним температурам, что может привести к повреждению термочувствительных компонентов. Вот почему глубина отверждения является таким важным фактором при применении корпусных технологий. Заливочные составы имеют относительно низкую усадку при переходе из жидкого состояния в твердое во время отверждения. Заполненные заливочные компаунды проявляют наименьшее количество усадки, так, как только полимерный компаунд — а не наполнитель — сжимается во время отверждения. В целом, более быстрая обработка не обязательно лучше подходит для заливки и инкапсуляции, поскольку более быстрые реакции приводят к большей экзотерме, более высокой усадке и меньшему времени открытия. Более быстро отверждающиеся составы часто не могут быть отлиты более чем на 1/4 – ½ дюйма толщиной, потому что они становятся слишком горячими. Помимо добавления наполнителей, можно уменьшить усадку, изменив химическую формулу для уменьшения экзотермы или скорректировав конструкцию.
Характеристики отверждения имеют первостепенное значение для успешного нанесения
Большинство эпоксидных и силиконовых заливочных компаундов представляют собой двухкомпонентные системы (смола и отвердитель). Для их отверждения требуется от 24 до 48 часов или больше, хотя отверждения может быть ускорено добавлением тепла. Одна часть, системы без смешивания также могут быть использованы для заливки, хотя их использование ограничено, поскольку их температура отверждения обычно составляет от 125°C до 150°C. Эти температуры могут повредить электронные компоненты.
Обзор методологии выбора продукта – как выбрать компаунд для заливки
Подводя итог, можно сказать, что профиль требований к производительности системы имеет первостепенное значение. Если требуется химическая стойкость, то лучше всего использовать эпоксидную смолу. Если необходимы термоциклирование и термический удар, а также высокая термостойкость, то предпочтительной системой являются силиконы. С каждым материалом важность электрических свойств невозможно переоценить. Измерения диэлектрической прочности, диэлектрической проницаемости, объемного удельного сопротивления и коэффициента рассеяния часто имеют решающее значение при выборе наилучшего материала. Другими факторами, которые необходимо учитывать, являются диапазон рабочих температур, низкие требования к газообразованию, оптическая прозрачность, теплопроводность, огнестойкость и биосовместимость, а также другие факторы. Другие основные факторы — это проблемы с обработкой продукта, включая время открытия, вязкость и свойства потока. В конечном счете выбор основывается прежде всего на преобладающих требованиях к производительности. Выбор заливочного компаунда, который удовлетворяет все потребности конкретного применения без ущерба для электроники, может быть довольно сложным. Искусство выбора материала для заливки зависит как от свойств, так и от обработки, и любая конструкция должна обеспечивать баланс-достижение подходящей защиты без использования чрезмерного материала для заливки. Формуляторы хорошо оснащены для консультирования по оптимальному выбору заливочного состава для данной ситуации.
Заливочные компаунды расширяют область применения сред
Конкурирующие требования к более высокой производительности, более низким удельным затратам и повышенной надежности продукта заставляют разработчиков рассматривать заливочные и инкапсулирующие составы в качестве основных компонентов электронных систем и устройств. Смягчая хрупкие компоненты и защищая их от экстремальных температур, заливочные составы позволяют электронике выдерживать суровые производственные процессы и надежно работать в агрессивных — даже очень агрессивных условиях. Благодаря тщательному подбору подходящего состава производители электроники могут гарантировать, что их продукция будет работать так, как она была разработана, в еще более сложных условиях. Из-за того, что миниатюризация электроники и компонентов становится все меньше, дозирование заливочных и инкапсуляционных материалов с использованием предварительно смешанных и замороженных шприцев становится все более распространенным явлением. Наиболее важно то, что эпоксидная смола Wevo, обладающая уникальным сочетанием свойств, часто является новым и ярким подходом, применяемым ко многим сложным областям применения.
Каким компаундом герметизируют (заливают) электронику?
Зарегистрируйте новую учётную запись в нашем сообществе. Это очень просто!
Войти
Уже есть аккаунт? Войти в систему.
Последние посетители 0 пользователей онлайн
- Ни одного зарегистрированного пользователя не просматривает данную страницу
- Ответов 24
- Создана Апр 15, 2010
- Последний ответ Май 13, 2016
Топ авторов темы
drummer 1 пост
Lakki 1 пост
althair 1 пост
picap 1 пост
Популярные дни
Популярные посты
artvl
27 Августа, 2010 в 13:57
лучшее чем приходилось пользоватся — Виксинт , надеюсь Игорь не сочтет за рекламу, дорогой тока зараза, блоки уже 4 года в болоте лежат и пашут .Эпоксидкой заливать мазохизм -чуть с отвердителем ошибс
Смолы и компаунды для использования в электронной промышленности
Эпоксидные смолы широко используются в течение многих лет. Они, как правило, твердые и прочные и обладают низким коэффициентом усадки при отверждении. Они имеют отличный уровень механических свойств, хорошие характеристики при высоких температурах, добротную адгезию к любой поверхности, а также демонстрируют превосходную химическую стойкость к широкому спектру химических веществ (рис. 1). Процесс сшивания или отверждения обычно протекает медленно, особенно когда речь идет о небольших объемах смолы. Можно использовать отвердители с быстрым отверждением, но они выделяют много тепла в ходе данного процесса, что приводит к сильной экзотермической реакции, которая может повредить электронные компоненты и вызвать высокие механические напряжения не только на них, но и на цепи.
Рис. 1. Заливка печатной платы
Полиуретановые смолы эластомерны, или эластичны, в отвержденном состоянии и предпочтительны, когда заливаемые изделия содержат тонкие компоненты, такие как ферриты или хрупкие стержни. Намного проще настроить скорость отверждения с помощью уретановых материалов, а срок их службы и время гелеобразования можно отрегулировать в соответствии с требованиями заказчика, что ускоряет процесс и сокращает количество незавершенной работы на предприятии. Как правило, во время отверждения полиуретан нагревается гораздо меньше, чем эпоксидные смолы, — выделяемое тепло не становится проблемой даже для систем с быстрым отверждением. Обычные полиуретаны могут подвергаться воздействию воды, особенно при высоких температурах. Однако существуют уретаны на основе полибутадиена, очень устойчивые к воде как в процессе отверждения, так и в конечном отвержденном состоянии. Компания Electrolube различает два типа полиуретана в используемой системе нумерации — материалы UR50** и UR51**, основанные на полибутадиене. Материалы UR55** и UR56** базируются на других полимерных цепях уретанов. Для большинства полиуретанов максимальная рабочая температура ограничена +130 °C, однако последние разработки позволяют увеличить максимальную рабочую температуру компаундов нового поколения до +150 °C. Простота, с которой технологические характеристики и конечные свойства полиуретановых смол могут варьироваться в соответствии с требованиями заказчика, привела к их использованию в широком спектре электроники и электрической герметизации.
Силиконовые компаунды более дорогие, чем эпоксидные смолы или уретаны, но требуются в тех случаях, когда речь идет о высоких или низких постоянных рабочих температурах (–50…+200 °C). Благодаря присущей им высокой гибкости эти компаунды оптимальны для изделий, которые часто подвергаются тепловым ударам или термоциклированию. Количество тепла, выделяемое во время отверждения силиконовых смол, действительно очень мало, что делает их особенно пригодными для использования в термочувствительных компонентах. Силиконы имеют отличную адгезию к широкому спектру подложек, в том числе к наиболее распространенным металлам и пластмассам. Обычно силиконы обладают низкой жесткостью, то есть они не такие упругие, как эпоксидные или полиуретановые смолы.
Полиэфирные материалы широко применяются для заливки и герметизации, но, как правило, при комнатной температуре дают очень большой экзотермический эффект при отверждении, поэтому в результате может происходить высокий уровень усадки, что, в свою очередь, вызывает повреждение компонентов и цепей. Традиционно эти смолы содержат стирол в качестве реакционно-способного мономера, который в прошлом создавал проблемы из-за своего запаха и летучести, однако новое поколение смол заменило стирол другими реактивными мономерами, что уменьшило связанные с ними опасности.
Electrolube предлагает широкий ассортимент эпоксидных, поли-уретановых и силиконовых смол для заливки, герметизации и других применений. Подавляющее большинство из них представляют собой двухкомпонентные материалы, в которых перед использованием смолу необходимо смешать с отвердителем в определенном соотношении. Наборы содержат смолу и отвердитель, предварительно взвешенные в контейнерах в правильной пропорции, что избавляет пользователя от повторного взвешивания.
Преимущество 250‑граммовой упаковки в том, что можно приобрести небольшой объем материала, причем упаковка состоит из пластикового пакета, разделенного на два отсека съемным уплотнением и зажимом. Опять же, смола и отвердитель находятся в правильном соотношении, а после снятия уплотнения обе части могут быть тщательно смешаны прямо в пакете без подачи воздуха. Затем пакет можно использовать в качестве дозатора для заливки соответствующего устройства (рис. 2). Electrolube предлагает также ограниченный диапазон эпоксидных смол, состоящих из одной части, которые термически отверждаются и могут использоваться для инкапсуляций небольшого объема.
Рис. 2. Заливка светодиода компаундом напрямую из пакета
Доступны однокомпонентные, отверждаемые влагой полиуретановые и силиконовые смолы, но проникновение влаги для получения полного отверждения приводит к проблемам с заливкой или капсулированием. Можно составить одну часть смолы, которая отверждается ультрафиолетовым излучением, но эта технология не очень подходит для приготовления заливочных смол из-за проблем с тенью и степени отверждения на глубине в толстых профилях с компонентами и сложной геометрией.
Большинство систем смол представляют собой сложные продукты с технологическими характеристиками и конечными свойствами, настроенными в соответствии с потребностями клиентов (рис. 3). Такие продукты, как правило, содержат основную эпоксидную смолу, обычно бисфенол А, и разбавители, или разбавители вязкости, которые могут сделать смолу более жидкой и легкой в обработке. Разбавители могут быть реакционно-способными, участвующими в процессе сшивания, или нереакционно-способными, то есть химически инертными.
Рис. 3. Двухкомпонентный полиуретановый компаунд Electrolube
Реакционно-способные разбавители могут содержать одну или две эпоксидные группы на молекулу — первые дают лучшее снижение вязкости, но оказывают большее влияние на механические свойства, чем последние. Нереактивные разбавители обычно обеспечивают лучший уровень гибкости отвержденного продукта, но могут привести к снижению адгезии, особенно при высоких температурах. Примером эпоксидной смолы с очень низкой вязкостью служит Electrolube ER1448, разработанная с использованием запатентованной смеси разбавителей обоих типов, — она обеспечивает быстрое и эффективное вытеснение воздуха из небольших сложных схем без необходимости вакуумирования для его удаления. Нереактивные разбавители используются в полиуретанах для получения мягких компаундов, которые можно легко удалить из схемы, чтобы исследовать неисправности или выполнить ремонт. Популярный пример такой смолы — UR5048, а состав UR5044 представляет ее огнестойкую версию, одобренную UL 94 V‑0.
Очень важный вклад в конечные свойства вносит отвердитель, используемый с эпоксидной смолой, кроме того, его выбор является основным способом изменения скорости отверждения и потенциального экзотермического эффекта. Первые применявшиеся отвердители относились к довольно агрессивному классу химических веществ, называемых первичными алифатическими аминами. Они дают быстрое отверждение, но, как следствие, выделяют много тепла и вызывают повреждения кожи, а также способны привести к дерматиту и астме, если с ними обращаться неосторожно. К ним относятся и ароматические амины, улучшающие термические и механические свойства отвержденного продукта. Было обнаружено, что они обладают канцерогенными и мутагенными свойствами, поэтому в результате от них было решено отказаться. Аминовые отвердители часто поставляются как сложные смеси из различных материалов, зачастую в виде полиамидов, и требуют от специалиста большого опыта в обращении с ними. Ангидриды органических кислот дают эпоксидные смолы с низкой вязкостью и с очень высокими непрерывными рабочими температурами, а также превосходной химической стойкостью, но их необходимо отверждать при высоких температурах.
В полиуретановых смолах обычно используются полимеры с концевыми гидроксильными группами, часто называемые полиолами. Созданные на основе либо полибутадиеновых, либо полиэфирных каркасов, они демонстрируют лучшую водостойкость, но полиолы на основе полиэфира отличаются улучшенной адгезией. Вторым компонентом смолы является изоцианат, обычно дифенилметандиизоцианат (MDI), однако, поскольку он имеет отчетливый желтый/коричневый цвет, для оптически прозрачных смол используются алифатические изоцианаты. Из них за последние несколько лет 1,6‑гексаметиленди-изоцианат стал более распространенным из-за его низкого класса опасности. Важно защитить обе части смолы от влаги. Если компонент смолы становится влажным, то вода будет реагировать с изоцианатом и формировать пузырьки газообразного диоксида углерода по всему отвержденному продукту. Если изоцианат становится влажным, в материале образуется твердый осадок вместе с газообразным диоксидом углерода, который может создавать давление в баллончике. Обычная причина влажности смолы или отвердителя — многократное открытие и закрытие контейнеров: каждый раз, когда контейнер открывается, влажный воздух попадает в воздушное пространство над жидкостью, и вода впитывается в материал. Контейнеры следует открывать и закрывать как можно быстрее, а промывка банки сухим азотом перед закрытием поможет предотвратить проблемы. Если это невозможно, единственным решением становится покупка материала в контейнерах меньшего размера, если они доступны. При использовании полиуретанов в машинах для смешивания и дозирования необходимо защитить оба компонента от влаги, либо устанавливая ловушки с осушителем в резервуарах, либо непрерывно промывая резервуары сухим азотом. Изоцианат является опасной частью состава и не должен нагреваться или распыляться, так как это повысит уровень в атмосфере и, следовательно, воздействие на легкие. Если температура хранения отвердителя, содержащего MDI, падает ниже +18 °C в течение длительного периода (>24 ч), то отвердитель может начать кристаллизоваться и на дне контейнера образуется белый осадок. Обычно его удается снова растворить, нагревая материал до +40 °C в течение нескольких часов, после чего материал становится пригоден для использования при растворении всех кристаллов. Если на полиоле присутствуют две гидроксильные группы, получается мягкий отвержденный продукт, твердость может быть увеличена добавлением триола (три гидроксильные группы) или тетраола (четыре гидроксильные группы), что приводит к более плотной структуре, когда смола отверждается. Молекулярная масса полиола тоже будет влиять на гибкость отвержденной смолы. Тип основной цепи полимера оказывает большое влияние на химическую стойкость смолы, а также на ее вязкость и эластичность. Нельзя забывать, что в настоящее время растет число биоисточников и устойчивых полиолов, которые позволяют разрабатывать смолы, которые оказывают менее негативное воздействие на окружающую среду.
Скорость отверждения в уретановых системах очень легко регулируется добавлением большего количества катализатора к компоненту смолы. Эти катализаторы обычно делятся на две категории: амины и комплексы переходных металлов. Каждый катализатор имеет свои собственные характеристики отверждения в системе смол. К сожалению, изменяющийся характер законодательства, в частности RoHS, REACH и GHS, означает, что определенные химические вещества либо ограничены в использовании, либо запрещены для определенных видов применения, либо сняты с рынка. Это означает, что химикам пришлось приложить немало усилий, чтобы переформулировать существующие продукты для сохранения их свойств, а также разработать новые материалы для удовлетворения меняющихся потребностей рынка.
Силиконовые компаунды основаны на силиконовых полимерах различной молекулярной массы с различными концевыми группами для обеспечения требуемой функциональности (рис. 4). Как и в случае с полиуретанами, твердость смолы можно регулировать с помощью разветвленных полимеров для увеличения плотности связей отвержденной смолы. Силиконы используют ряд различных катализаторов, чтобы инициировать процесс отверждения, во многих случаях они основаны на комплексах платины. Не рекомендуется отверждать эпоксидные смолы и силиконы в одной печи. В зависимости от типа концевых групп (винил или гидроксил) будет определяться реакция отверждения, а также потребность во влаге. В отличие от эпоксидных смол, сложных поли-эфиров и полиуретанов, силиконы обычно отверждаются от открытой поверхности вниз через тело смолы. Это означает, что у силикона будет короткое время отверждения (иногда называемое временем прилипания), но затем реакция отверждения протекает по всему объему смолы, то есть ее глубина определяет время отверждения.
Рис. 4. Заливка светодиодного устройства силиконовым компаундом
Твердые наполнители являются очень важным компонентом многих смол. Они могут быть добавлены для простого снижения стоимости, например порошкообразный известняк. Экономия, как правило, немного меньше, чем можно предположить по стоимости за 1 кг, поскольку заполненные системы имеют более высокую плотность, чем незаполненные. Это означает, что, хотя изделию может потребоваться 3 г смолы плотностью 1 для его заливки, для этого потребуется 4,5 г смолы плотностью 1,5. В каждом случае объем составляет 3 мл. Сравнение стоимости конкурирующих смол всегда должно проводиться на основе объема, а не на основе веса.
Присутствие твердых наполнителей обычно приводит к получению более твердого и жесткого отвержденного продукта. Наполнители могут быть добавлены в качестве противопожарных компонентов. Для этой цели обычно используется тригидрат оксида алюминия: он имеет дополнительное преимущество, которое приводит к низкой эмиссии дыма и малому уровню токсичных паров. ER2188 и ER2195 являются популярными примерами огнестойких эпоксидных смол, наполненных тригидратом оксида алюминия, — оба полностью одобрены UL 94 V‑0. UR5097, UR5604 и UR5608 служат примером огнестойких полиуретанов, использующих тот же механизм для достижения огнестойкости, и также одобренных UL 94 V‑0. К недостаткам следует отнести потребность в высоком содержании тригидрата оксида алюминия, что приводит к образованию смолы с относительно высокой вязкостью. Традиционно галогенированные соединения применялись в качестве противопожарных компонентов. Однако их употребление приводит к более высокому уровню дыма и токсичных паров, что становится проблемой. Наполнители на основе фосфора были использованы для производства огнезащитных смол нового поколения, которые выделяют меньше дыма и опасных испарений. В качестве примера этого типа эпоксидной смолы с низкой вязкостью можно назвать материалы ER2218 и ER2221. Новые антипирены, имеющие совершенно иной химический тип, в настоящее время становятся доступными и внедряются в новое поколение смол.
Многие другие типы наполнителей могут быть использованы в эпоксидных смолах, полиуретанах и силиконах. Полые стеклянные и пластиковые сферы создают пониженную плотность и низкие диэлектрические потери. При заливке радиочастотной схемы заливочная смола может создавать емкостные эффекты между проводниками на печатной плате и недопустимо изменять характеристики схемы. Для преодоления этих проблем следует применять полые сферы, содержащие смолы с низкой диэлектрической проницаемостью. Типичные примеры таких смол — ER1448 и UR5118. Оксиды цинка и оксид алюминия дают улучшенную теплопроводность, но оксид алюминия чрезвычайно абразивен и вызывает серьезный износ оборудования при выполнении операций смешивания и дозирования. ER2183 и ER2221 являются очень популярными вариантами наполненных оксидом цинка теплопроводящих эпоксидных смол. UR5608 и SC4003E являются примерами полиуретана и силиконовой смолы соответственно и показывают хорошую теплопроводность. Кремниевый песок дает меньшую усадку при отверждении и меньший коэффициент теплового расширения. Измельченные стеклянные волокна улучшают ударопрочность; сульфат бария не пропускает рентгеновские лучи и т. д.
Сначала эпоксидные смолы были единственными материалами на рынке. На протяжении многих лет эпоксидная химия развивалась для удовлетворения меняющихся потребностей промышленности и нормативно-правовых баз, однако и полиуретаны, и силиконы стали более зрелыми с точки зрения разрабатываемых и предлагаемых смол. Рынок электроники и рынок мобильных устройств постоянно изменяются и развиваются, использование светодиодов и появление более мелких и более мощных компонентов в устройствах нуждаются в разработке новых смол и материалов, чтобы удовлетворить эти потребности. С этой целью химики заглядывают глубоко в свои шкафы, чтобы найти материалы и химикаты, отвечающие актуальным задачам сегодняшнего и завтрашнего дня.
Выбор силиконовых клеев-герметиков для сборки электроники
Традиционная задача клеев-герметиков — фиксация компонентов и конструкционных элементов, а также герметизация электронного устройства. В то же время, клеи нередко используются и в решении задач со специальными требованиями, такими, как обеспечение электропроводности или получение определенных оптических характеристик соединения. Однако стремительное развитие электроники диктует производителям все более жесткие условия, и свойства современных клеев должны соответствовать всем вызовам сегодняшнего дня. Статья поможет читателю разобраться в особенностях и преимуществах различных силиконовых клеев-герметиков, предназначенных для процессов фиксации и герметизации в производстве электронной техники, а также в критериях их выбора.
Среди задач, стоящих перед клеями-герметиками в электронике, можно выделить два основных направления: фиксация и герметизация (см. рис. 1а и 1б соответственно). Однако современные силиконовые клеи-герметики часто объединяют в себе эти две функции, и потому имеют двойное назначени
Вообще, весь ассортимент клеев-герметиков можно разделить в зависимости от их основы на силиконовые (кремнийорганические), уретановые, тиоколовые (полисульфидные) и акриловые клеи.
Силиконовые клеи-герметики не зря указаны первыми. С точки зрения требований к склейке и герметизации при производстве современной радиоэлектронной техники, они имеют наиболее полный набор всех необходимых качественных и эксплуатационных показателей.
При выборе клея важно учитывать как эксплуатационные характеристики материала, так технологические особенности применения.
Клеи-герметики должны безотказно выполнять свои функции в самых разнообразных условиях: пониженные и повышенные температуры, влажность и соленой туман, вибрации и удары, бактериологическая и грибковая среда, ультрафиолетовое излучение, пониженное и повышенное давление, наличие агрессивных жидкостей и газов и т.д. В связи с этим, с точки зрения эксплуатационных характеристик при выборе клея-герметика для производства радиоэлектронной продукции, следует обязательно принимать во внимание перечисленные далее факторы.
Нейтральность. Это важнейший параметр для определения возможности применения клея-герметика при производстве электроники. Важно понимать и учитывать, что существуют кислотные и нейтральные силиконовые клеи-герметики.
Кислотные материалы могут вызывать коррозию металлов и их сплавов (медь, алюминий, припои), деградацию многих полимеров, использующихся в электронике, а также могут послужить причиной изменения характеристик некоторых оптических элементов. Большинство дешевых силиконовых клеев, применяемых в быту и доступных на строительных рынках, относятся как раз к кислотному классу. Понятно, что кислотные клеи-герметики совершенно не подходят для использования в электронике, так как могут существенно снизить надежность устройства!
Нейтральные силиконовые клеи-герметики при полимеризации не выделяют агрессивных веществ, тем самым подтверждая свое название — «нейтральные». Именно нейтральные силиконовые клеи-герметики и следует рассматривать для применения в электронике!
Температура эксплуатации. Температура эксплуатации современных устройств может колебаться от –60°С до +200°С. Многие клеи при этих температурах заметно меняют свои свойства (эластичность, прочность, диэлектрические свойства), и потому не способны выполнять возложенные на них задачи. Силиконовые клеи, в отличие от других (полиуретановых, эпоксидных, цианокрилатных, термопластичных и т.д.), способны продолжительно работать в самом широком диапазоне температур (стандартно от –45°С до +200°С, а в некоторых случаях и от –80°С до +300°С).
Адгезия. Адгезия показывает качество сцепления поверхностей и является одним из главных параметров клея. Для обеспечения надежного соединения клей должен иметь хорошую адгезию к большинству материалов, используемых при производстве печатных плат (ПП), электро-радиоэлементов (ЭРЭ) и корпусов приборов. Силиконовые клеи обладают хорошей адгезией, которая основана на их химических свойствах.
Диэлектрические свойства. Это важный показатель применительно к электронике, т.к. часто клей выполняет не только функцию крепления и герметизации, но и электроизоляции. Силикон занимает лидирующие позиции в отношении обеспечения электроизоляции, а также обладает хорошими диэлектрическими показателями на высоких частотах, что актуально в СВЧ-технике. Причем диэлектрические свойства незначительно зависят от внешних условий.
Эластичность и ТКР (температурный коэффициент расширения). Параметры, играющие важную роль при термоциклировании. Почему мы связали их вместе? Дело в том, что среди большого разнообразия клеев силиконы обладают высоким ТКР (в 5—10 раз больше по сравнению с эпоксидными и термопластичными), но эластичность и невысокая твердость силикона с легкостью компенсируют это. Относительное удлинение (сжатие) силиконовых клеев-герметиков достигает 700%. Это позволяет с легкостью поглощать (демпфировать) удары и вибрации, поэтому силиконы не вызывают отрыва компонентов, деформации, разрушения конструкции.
Прочность. Данный параметр зависит от энергии связи между молекулами материала. Большинство полимерных клеев обладает прочностью 10…20 кгс/см 2 . Силиконовые клеи имеют прочность 25…30 кгс/см 2 , а некоторые — свыше 70 кгс/см 2 , что является превосходным показателем.
Также при выборе клея важно оценить устойчивость к повышенной влажности и соленому туману (в случае герметизации корпусов РЭА это очень важно), устойчивость к ультрафиолетовому излучению (часто электронике приходится работать под открытым солнцем), устойчивость к грибкам и бактериям (многие виды клеев, особенно на органической основе, являются питательной средой для микроорганизмов).
Вязкость. В случае нанесения клея тонким слоем или при необходимости протекания клея в узкие пространства нужна низкая вязкость. С другой стороны, для создания объемного клеевого шва, например, для формирования прокладки или демпфирующего слоя под компонентом, требуется высокая вязкость или полное отсутствие текучести материала. Высокая вязкость необходима и в случае, когда клей наносится автоматическим дозированием. Всем этим требованиям удовлетворяют силиконовые клеи-герметики компании Dow Corning, которые в исходном состоянии обладают очень широким диапазоном вязкости от сотен сантипуаз до сотен тысяч. Весьма востребованы также клеи-герметики с хорошими тиксотропными свойствами (изменение вязкости при механическом воздействии на материал.) При перемешивании и дозировании они имеют более низкую вязкость по сравнению со спокойным состоянием.
Время жизни. Параметр, определяющий время подвижности клеевой массы во время использования. Часто временем жизни считается интервал, после которого вязкость материала увеличивается в два раза. Это важный параметр, т.к. в случае сложного позиционирования склеиваемых деталей необходимо достаточное для этого время жизни. Кроме того, данный параметр влияет на возможность использования такого материала в установках автоматического дозирования.
Количество компонентов и способ полимеризации. Силиконовые клеи-герметики Dow Corning ® разделяются на три основные группы:
– однокомпонентные материалы, отверждаемые влажностью воздуха. Просты в применении, но ограничены по толщине нанесения (кроме случаев термоотверждения), т.к. время полимеризации зависит от толщины нанесенного материала. Используются как при ручном, так и при автоматическом нанесении. Ограничено применение в закрытом пространстве, т.к. для полимеризации необходим доступ атмосферной влаги;
– двухкомпонентные материалы, отверждаемые при смешивании компонентов (механизм поликонденсации). Подразумевают смешивание компонентов клея в определенных пропорциях. Такие материалы не ограничены по глубине нанесения, а также удобны для применения в оборудовании. Полимеризация протекает равномерно по всему объему материала;
– однокомпонентные и двухкомпонентные материалы температурного отверждения (механизм полиприсоединения). Высокая температура ускоряет процесс полимеризации клея, в который заранее введен катализатор. Можно сказать, что полимеризация такого клея происходит и при обычных условиях, но значительно медленнее. Благодаря температуре, клей полимеризуется равномерно по всему объему. Процесс отверждения может длиться всего несколько минут, что актуально при серийном производстве, где время операции очень критично. Материалы с таким типом полимеризации не ограничены по толщине нанесения. Кроме того, повышенная температура положительно сказывается на адгезии клея, поэтому не стоит пренебрегать подогревом в тех случаях, где это возможно.
Ремонтопригодность. Современные электронные компоненты и модули в ряде случаев имеют высокую стоимость, поэтому сама возможность проведение ремонта крайне актуальна. Многие клеи не могут быть удаленными без повреждения сопрягаемых поверхностей. Химические свойства силиконов позволяют полностью удалять их с поверхности с помощью специальных средств. Ремонт электронных устройств, собранных с применением силиконовых клеев-герметиков Dow Corning ® , возможен при помощи специального средства Dow Corning ® OS-10.
Мы рассмотрели основные эксплуатационные и технологические характеристики клеев-герметиков, которые важно учесть при решении задач фиксации или герметизации в процессе производства радиоэлектронного устройства. Для каждой задачи и для каждого производства значимость перечисленных характеристик может весьма отличаться, и важно эту значимость заранее оценить. Выбирая клей-герметик, в первую очередь, важно проанализировать задачу, расставить значимость критериев и после этого выбрать наиболее подходящее решение.
Самыми распространенными задачами для клеев-герметиков при производстве электроники являются:
– дополнительная фиксация крупногабаритных элементов на печатной плате или внутри корпуса устройства (конденсаторы, резисторы, катушки индуктивности, модули и разъемы, а также печатные платы);
– склеивание конструкционных элементов прибора;
– герметизация крышек, разъемов, оптических элементов, кабельных вводов и т.д.
Рассмотрим несколько типичных задач, наиболее часто возникающих при производстве радиоэлектроники.
Задача 1
Требуется дополнительно зафиксировать уже установленный и запаянный на печатную плату крупногабаритный компонент с созданием толстого демпфирующего слоя. Температура эксплуатации от –50°С до +120°С, наличие повышенной влажности, вибрационных, ударных нагрузок, производство мелкосерийное, специального оборудования нет. Склеиваемые поверхности — подложка печатной платы из материала типа FR-4 и металлический (керамический) корпус компонента.
Вариант решения
Один из наиболее популярных клеев-герметиков — Dow Corning ® 744 (см. рис. 2). Это однокомпонентный клей белого цвета, не текучий, обладает хорошей адгезией и умеренной прочностью. Полимеризуется на открытом воздухе, при этом не выделяет агрессивных компонентов в процессе полимеризации. Кроме того, эластичность достигает 590%, что делает возможным использование материала в самых разнообразных условиях. Высокая эластичность не позволяет полностью передавать вибрационные нагрузки на корпуса компонентов, а также дает возможность использовать клей в соединениях, подвергающихся деформации. Прочность клея достигает 27 кг/см 2 , а его диэлектрические показатели позволяют использовать его непосредственно с токопроводящими частями устройства.
Задача 2
Необходимо создать высокопрочное соединение крышки (стекла) и корпуса светильника, работающего на большой глубине под водой, а также в условиях пониженного давления. Прочность, эластичность и влагостойкость материала играют здесь главную роль. Важным также является отсутствие агрессивных выделений во внутренний объем светильника в процессе полимеризации. Производство единичное, специального оборудования нет. Склеиваемые поверхности — алюминий и поликарбонатное стекло (исключает нагрев до высоких температур).
Вариант решения
Особо прочный клей Dow Corning ® 3145. Клей серого или прозрачного цвета; обладает высокой адгезией к металлам и пластикам; прочность свыше 70 кг/см 2 ; полимеризуется при комнатной температуре; эластичность материала составляет 680%. Кроме того, материал содержит добавки, которые светятся в УФ-диапазоне, что делает удобным контроль качества нанесения материала. Клей прошел аттестацию по стандарту MIL-A-46146 Министерства обороны США и допущен к использованию в военной и специальной технике.
Задача 3
Возникла потребность в герметизации датчиков для автомобильной промышленности, выпускаемых крупными партиями по 1000 штук в день (см. рис. 3). Температура эксплуатации от –55°С до +200°С, наличие запыленности и повышенной влажности. Необходимо автоматизированное нанесение материала и его быстрая полимеризация.
Вариант решения
Клей Dow Corning ® 3-6265 HP. Однокомпонентный, слаботекучий, высокопрочный, обладающий высокой адгезией. Материал отверждается за 5 минут при температуре 150°С. Этот клей-герметик хорошо подходит для герметизации компонентов, приборов, разъемов, датчиков и т.д. Пригоден как для ручного использования, так и для автоматизированного нанесения. Оправданный выбор при массовом производстве.
Выбор клея-герметика — это проработка целого комплекса вопросов. Зачастую очень трудно подобрать вариант, который будет отвечать всем требованиям. Чего-то универсального, т.е. подходящего абсолютно для всего, в природе не существует! В том числе, это справедливо и для клеев-герметиков. В такой ситуации необходим профессиональный подход, учитывающий множество факторов!
Ассортимент силиконовых материалов семейства Dow Corning ® дает широкие возможности для решения самых разнообразных задач, как традиционных, так и специфических. Сложно описать все варианты в одной статье, поэтому мы предлагаем вам обратиться к специалистам отдела технологических материалов Предприятия Остек, и мы поможем найти оптимальное решение вашей задачи.