Materiały do hermetyzacji elementów elektronicznych

Czym są żywice zalewowe i środki do hermetyzacji elektronicznej?

Środki do hermetyzacji elektronicznej to materiały stosowane do izolacji i ochrony płytek, obwodów i elementów elektronicznych przed warunkami, które mogłyby zagrozić ich wydajności i niezawodności.

W procesie zalewania materiał otacza element lub zespół i zapewnia bardziej solidną ochronę niż zwykła powłoka powierzchniowa. Z tego powodu elektroniczne żywice zalewowe stosuje się przede wszystkim wtedy, gdy urządzenie jest przeznaczone do pracy w wymagających warunkach.

Co oznacza termin „zalewanie” i „hermetyzacja”

Termin zalewanie ogólnie odnosi się do wypełniania pojemnika lub zespołu elektronicznego mieszanką, która po utwardzeniu hermetyzuje system.

Z kolei hermetyzacja może również dotyczyć pojedynczych elementów lub określonych obszarów urządzenia.

W praktyce oba terminy należą do tej samej dziedziny technologicznej i mają wspólny cel: stworzenie bariery ochronnej pomiędzy elektroniką a otoczeniem roboczym.

Żywica i środek hermetyzujący nie odnoszą się zatem do jednej substancji chemicznej. Istnieją preparaty epoksydowe, poliuretanowe i silikonowe – jednoskładnikowe i dwuskładnikowe, sztywne lub elastyczne, dielektryczne, przewodzące ciepło oraz opracowane pod kątem konkretnych wymagań zastosowań.

Do czego służy zalewanie?

Płytka drukowana niekoniecznie działa w kontrolowanym środowisku. Temperatura, wilgotność, zanieczyszczenia, wibracje i wstrząsy mogą jednocześnie oddziaływać na materiały i połączenia w obrębie zespołu.

Żywica do ochrony elektroniki może pomóc w:

• izolacji elektrycznej elementów i połączeń;
• ochronie przed wodą, wilgocią i zanieczyszczeniami;
• łagodzeniu skutków wibracji i wstrząsów mechanicznych;
• ochronie przed substancjami chemicznymi;
• wspieraniu zarządzania wahaniami temperatury;
• w określonych preparatach – ułatwianiu przenoszenia ciepła.

Poziom ochrony jest jednym z aspektów odróżniających zalewanie od powłoki konformalnej. Ta ostatnia tworzy cienką warstwę dopasowaną do konturu płytki drukowanej, podczas gdy w przypadku zalewania ilość użytego materiału jest znacznie większa i może sięgać aż do całkowitego hermetycznego zamknięcia zespołu.

Nie oznacza to jednak, że jedna technologia jest zawsze lepsza od drugiej. Są to różne rozwiązania, których wybór zależy od geometrii, wymaganego poziomu ochrony, możliwości ponownej obróbki oraz przewidywanych warunków pracy.

Jakie żywice stosuje się do płytek drukowanych

Do zalewania i hermetyzacji elektronicznej stosuje się trzy główne rodziny materiałów:

Żywice epoksydowe do hermetyzacji

Materiały do hermetyzacji epoksydowe mają zazwyczaj składy charakteryzujące się dobrymi właściwościami elektrycznymi, przyczepnością oraz odpornością mechaniczną i chemiczną.

Jednak w obrębie tej samej rodziny występują znaczne różnice w właściwościach użytkowych. Dostępne są systemy sztywne zapewniające wysoką ochronę mechaniczną, bardziej elastyczne preparaty zaprojektowane w celu zminimalizowania naprężeń na elementach, produkty przewodzące ciepło oraz systemy jedno- lub dwuskładnikowe.

Z tego powodu błędem jest automatyczne kojarzenie terminu „epoksyd” z jednym zestawem właściwości.

Z kolei linia produktów Electrolube obejmuje szeroki wachlarz rozwiązań. ER2188 to uniwersalna żywica epoksydowa o dobrych właściwościach elektrycznych, przyczepności oraz odporności chemicznej i na wodę, natomiast ER2220 łączy ochronę przed czynnikami środowiskowymi z właściwościami rozpraszania ciepła.

Jednoskładnikowe środki epoksydowe do hermetyzacji mogą być korzystnym rozwiązaniem, gdy chce się wyeliminować etap mieszania, natomiast dwuskładnikowe środki epoksydowe do hermetyzacji pozwalają na szeroki zakres kombinacji sztywności, elastyczności, przewodności cieplnej i łatwości obróbki.

Środki poliuretanowe do hermetyzacji

Środki poliuretanowe do hermetyzacji stanowią kolejną szeroko stosowaną grupę produktów w dziedzinie ochrony elektroniki.

Dostępne receptury mogą zapewniać wysoką wytrzymałość, elastyczność oraz odporność na wodę i wilgoć. Cechy te sprawiają, że są one szczególnie atrakcyjne, gdy system musi wytrzymać obciążenia mechaniczne lub gdy nadmiernie sztywna konstrukcja mogłaby spowodować przeniesienie obciążenia bezpośrednio na elementy.

Nawet w obrębie rodziny materiałów poliuretanowych właściwości użytkowe mogą się znacznie różnić w zależności od receptury. Niektóre produkty kładą nacisk na odporność na wodę i środowisko morskie, podczas gdy inne skupiają się na odporności chemicznej, możliwości ponownej obróbki, zarządzaniu temperaturą lub zastosowaniach oświetleniowych.

Elastyczność nie jest zatem jedynym parametrem definiującym poliuretanową masę enkapsulacyjną. Przy wyborze produktu należy również uwzględnić skład chemiczny preparatu, warunki pracy oraz przewidywane narażenie na działanie wody, wilgoci, rozpuszczalników i temperatury.

Środki hermetyzujące na bazie silikonu

Środki hermetyzujące na bazie silikonu są szczególnie odpowiednie, gdy niezawodność musi zostać zachowana pomimo znacznych wahań warunków pracy.

Struktura silikonów pozwala na połączenie stabilności termicznej i niskiego modułu sprężystości. Materiał ten może zatem odkształcać się, pochłaniając część naprężeń powstających w wyniku różnic w rozszerzalności cieplnej między płytkami drukowanymi, miedzią, komponentami, ceramiką, tworzywami sztucznymi i metalami.

Ta właściwość nabiera szczególnego znaczenia w systemach poddawanych powtarzającym się cyklom termicznym, drganiom i wstrząsom.

Asortyment produktów obejmuje zarówno DOWSIL™ środki do hermetyzacji, jak i produkty SYLGARD™, których składy zostały opracowane z myślą o różnych wymaganiach: niskim naprężeniu, przewodności cieplnej, przezroczystości optycznej, niskim odgazowaniu lub zastosowaniach w trudnych warunkach środowiskowych.

Ta różnorodność umożliwia również znalezienie materiałów niepsujących o wysokiej przezroczystości optycznej do zastosowań oświetleniowych, a także preparatów przeznaczonych do zarządzania temperaturą lub ochrony elektroniki mocy.

Silikony nie są jednak rozwiązaniem uniwersalnym. W porównaniu z niektórymi materiałami organicznymi mogą wykazywać niższą przyczepność początkową, wyższe koszty oraz większą przepuszczalność gazów. W zastosowaniach, w których występuje wysoka wrażliwość na zanieczyszczenia, należy również ocenić lotność preparatów.

Wybór musi zatem uwzględniać te aspekty obok zalet związanych z elastycznością i długotrwałą stabilnością.

Porównanie trzech technologii

Właściwości poszczególnych preparatów mogą znacząco wpływać na zachowanie materiału, jednak pewne ogólne różnice pomagają w procesie wyboru.

Właściwym podejściem nie jest zatem pytanie, która żywica jest „najlepsza”, ale jak materiał powinien zachowywać się przez cały okres eksploatacji urządzenia.

Na przykład wysoka początkowa przyczepność nie jest wystarczająca, jeśli podczas cykli termicznych materiał przenosi nadmierne naprężenia na powierzchnie styku. Podobnie wysoka elastyczność niekoniecznie jest zaletą, gdy zastosowanie wymaga wysokiej sztywności konstrukcyjnej.

Zastosowania żywic w elektronice

Żywice do obwodów elektronicznych są stosowane w szerokiej gamie systemów. Geometrie, temperatury, warunki środowiskowe i wymagania elektryczne są zróżnicowane, dlatego też dobierany materiał również się różni.

Ochrona mechaniczna i przed czynnikami środowiskowymi

W procesie zalewania żywica może całkowicie lub częściowo hermetyzować obwód i jego elementy.

Ogólnie rzecz biorąc, głównym celem jest ochrona elektroniki przed środowiskiem zewnętrznym oraz zapewnienie urządzeniu elektronicznemu ochrony mechanicznej przed uderzeniami, drganiami i wstrząsami.

Izolacja elektryczna

Wiele materiałów do hermetyzacji posiada właściwości dielektryczne i jest przeznaczonych do izolacji elektrycznej elementów oraz połączeń.

Jednak żywica przeznaczona do izolacji elektrycznej musi być oceniana w połączeniu z innymi wymaganiami danego zastosowania. Wytrzymałość dielektryczna i rezystancja izolacji mają fundamentalne znaczenie, ale materiał musi zachowywać swoje właściwości nawet po ekspozycji na warunki przewidywane podczas eksploatacji.

Wilgotność, temperatura i zanieczyszczenia mogą bowiem z czasem wpływać na niezawodność elektryczną systemu.

Uzwojenia elektryczne i silniki

Żywice stosuje się również do ochrony uzwojeń elektrycznych, stojanów, wirników i silników elektrycznych, gdzie można je nakładać w procesach impregnacji lub hermetyzacji.

Oprócz izolacji zastosowania te mogą wymagać odporności termicznej, ochrony przed wilgocią i płynami, a w systemach o dużej gęstości mocy – większej zdolności do odprowadzania ciepła.

Dlatego przy doborze żywicy należy uwzględnić zarówno proces produkcyjny, jak i warunki pracy silnika.

Odprowadzanie ciepła

Miniaturyzacja, wzrost gęstości elementów na płytce drukowanej oraz coraz powszechniejsze stosowanie modułów mocy sprawiają, że zarządzanie temperaturą staje się coraz ważniejszym czynnikiem.

Termoprzewodząca masa hermetyzująca może łączyć ochronę obwodu z odprowadzaniem ciepła do obudowy lub radiatora.

Nie wystarczy porównywać wyłącznie wartości nominalnej przewodności cieplnej: geometria, grubość, zawartość wypełniacza, interfejsy oraz proces aplikacji – wszystkie te czynniki wpływają na rzeczywistą wydajność systemu.

Oświetlenie i zastosowania optyczne

W zastosowaniach LED i oświetleniu decydującym czynnikiem mogą być również właściwości optyczne materiału.

Oferta produktów obejmuje wysoce przezroczyste poliuretanowe i silikonowe masy zalewowe oraz preparaty opracowane w celu zachowania właściwości optycznych w trudnych warunkach pracy.

W systemach tych należy łącznie uwzględnić przezroczystość, stabilność materiału, proces utwardzania oraz zachowanie w temperaturach roboczych.

Jak dobrać żywicę zalewową

Wybór żywicy elektronicznej powinien opierać się na rzeczywistych warunkach, w jakich urządzenie będzie pracować.

Temperatura i cykle termiczne

Nie wystarczy brać pod uwagę wyłącznie temperatury maksymalnej.

Urządzenie, które nieustannie przechodzi cykle między niskimi a wysokimi temperaturami, może być narażone na znaczne obciążenia wynikające z różnic w współczynnikach rozszerzalności cieplnej materiałów tworzących zespół.

Moduł sprężystości, elastyczność i zachowanie w długim okresie stają się zatem parametrami projektowymi równie ważnymi jak nominalny zakres temperatur.

Wilgotność, woda i substancje chemiczne

Konieczne jest dokładne określenie, które substancje będą miały kontakt z żywicą.

Woda, słona woda, oleje, paliwa, rozpuszczalniki i inne czynniki nie wywołują takich samych skutków korozyjnych i starzenia; nie oznacza to również, że dwa produkty należące do tej samej grupy chemicznej muszą wykazywać taką samą odporność.

Obciążenia mechaniczne

Wibracje, wstrząsy i ruchy urządzenia wymagają starannego rozważenia przy doborze materiału i ocenie jego zdolności do pochłaniania takich obciążeń.

Zbyt sztywna masa zalewowa może przenosić naprężenia na styki i elementy, podczas gdy bardziej elastyczna formuła może zmniejszyć naprężenia w zastosowaniach dynamicznych.

Właściwości elektryczne

W przypadku dielektrycznych mas zalewowych należy uwzględnić wytrzymałość dielektryczną, izolację oraz stabilność tych właściwości przez cały okres eksploatacji urządzenia.

Liczy się nie tylko wartość początkowa, ale także zdolność do jej utrzymania po wystawieniu na rzeczywiste warunki pracy.

Zarządzanie temperaturą

Gdy płytka drukowana lub elementy generują znaczne ilości ciepła, żywica może stać się integralną częścią ścieżki termicznej.

W takim przypadku należy ocenić kompozycję przewodzącą ciepło, a system należy rozpatrywać jako całość, a nie tylko pojedynczą wartość podaną w karcie technicznej.

Proces produkcyjny

Żywica musi być również kompatybilna z procesem produkcyjnym.

Parametry, które należy ocenić, obejmują:

• jednoskładnikowość lub dwuskładnikowość;
• proporcje mieszania;
• lepkość oraz zdolność do wypełniania wnęk i skomplikowanych geometrii;
• czas przydatności do użycia i czas żelowania;
• utwardzanie w temperaturze pokojowej lub pod wpływem ciepła;
• ewentualną konieczność stosowania podkładów lub obróbki wstępnej powierzchni;
• ewentualną konieczność odgazowania;
• możliwość zautomatyzowania mieszania i dozowania;
• przyszłą konieczność ponownej obróbki obwodu.

Materiał poprawny pod względem technicznym, który jest niezgodny z procesem produkcyjnym, nie może być prawidłowo zastosowany.

Żywice i masy zalewowe: oferta MD Poland

Linia produktów MD Poland obejmuje elektroniczne masy zalewowe oparte na różnych technologiach i markach, w tym:

• DOWSIL™,
• SYLGARD™,
• Electrolube,

Dostępność różnych grup chemicznych pozwala nam wyjść nie od z góry określonej technologii, ale od wymagań projektu.

Skuteczny dobór uwzględnia:

• rzeczywiste warunki pracy;
• temperaturę i cykle termiczne;
• materiały obecne w płytce drukowanej oraz w złożu urządzenia elektronicznego;
• narażenie na wodę, wilgoć i substancje chemiczne;
• wibracje i obciążenia mechaniczne;
• izolację elektryczną;
• odprowadzanie ciepła;
• geometrię i ilość dozowanego materiału;
• process produkcyjny.

MD Poland wspiera firmy w doborze najbardziej odpowiedniej technologii i receptury oraz we wspólnym określeniu procesu aplikacji, ocenie materiału, sposobu nakładania i warunków pracy.

Zapoznaj się z ofertą żywic i materiałów hermetyzujący dla elektroniki lub skontaktuj się z ekspertami z MD Poland, aby znaleźć odpowiednie rozwiązanie dla Twojego zastosowania.