Значне зниження температури, при якій можливе застосування поліамідів нового покоління, зробило їх цікавою альтернативою традиційному захисту друкованих плат.
Нещодавно розроблені поліаміди стають цікавою альтернативою традиційному захисту друкованих плат. Традиційні поліаміди мають температуру плавлення понад 217°C, що фактично виключає їх з виробництва електроніки, але нещодавні вдосконалення їх рецептури значно знизили температуру процесу, таким чином створивши альтернативний захист друкованої плати.
Інноваційний підхід
У міру мініатюризації схем відстань між елементами плати зменшується, тому навіть найменше забруднення пилом або невелика кількість вологи може спричинити поломку схеми. У зв’язку з цим поступово зростає необхідність захисту плати від впливу зовнішнього середовища. Зростаючі потреби в цій галузі були систематизовані та описані в стандарті IPC-HDBK-850 2012 року «Посібники з проектування, вибору та застосування матеріалів для захисту друкованих плат».
Традиційні методи захисту друкованих плат
Заливка та захисне покриття наразі є двома домінуючими методами захисту друкованих плат в електронній промисловості. Заливку можна описати як процес часткового або повного занурення плати в середовище твердої консистенції, метою якого є захист його від забруднення, вологи, вібрації або механічних впливів.
З іншого боку, захисне покриття полягає у створенні тонкого ізоляційного шару, як і в попередньому випадку, який захищає плату від вологи, забруднення або екстремальних температур. Герметики в процесі захисного покриття наносяться розпиленням, зануренням або дозуванням. Зазвичай вони виготовлені на основі розчинників, що полегшує їх застосування, а саме затвердіння часто полягає в їх позбавленні – сильне випаровування розчинника є проблемою в контексті підтримки безпеки процесу, а також конфліктує з вимогами охорони навколишнього середовища.
Заливні матеріали або захисні покриття найчастіше є термореактивними і класифікуються як епоксиди, уретани, акрили або силікони. Час, необхідний для їх затвердіння, становить від 4 годин до кількох днів, що також є найбільшим недоліком цього процесу.
Необхідність швидшого процесу захисту друкованої плати
Як описано в попередньому абзаці, основними недоліками заливки та захисного покриття є тривалий процес нанесення та довгий час затвердіння. Особливо у випадку заливки, матеріал потребує часу, щоб розтікатися та заповнювати плату, крім того, завжди необхідно передбачати довший час затвердіння матеріалу.
Лиття під тиском зробило революцію та домінувало в промисловості пластмас, тож виникає питання, чому його не можна використовувати для захисту електроніки? Процес лиття під тиском – це, по суті, видавлювання розплавленого полімеру за допомогою екструдера через вузький отвір, що вимагає як високої температури, так і високого тиску. Це, звичайно, створює ризик оплавлення паяних з’єднань і механічного пошкодження компонентів.
Новий матеріал
Рішенням можуть бути сполуки з групи поліамідів, які характеризуються дуже хорошими механічними та самозмащувальними властивостями. Існує два основних типи цих сполук, утворених у вигляді лінійних або розгалужених ланцюгів, які істотно відрізняються за своїми властивостями (мал. 1). Поліаміди з лінійним ланцюгом, широко відомі як нейлон 6/6, характеризуються високою міцністю та твердістю завдяки своїй високій молекулярній масі. Шляхом модифікації складу також можна сформувати поліамід з розгалуженим ланцюгом з меншою молекулярною масою та іншими властивостями: хоча вони набагато менш міцні, вони характеризуються чудовою гнучкістю.
Малюнок 1: Поліамід з лінійним або розгалуженим ланцюгом
Матеріал з низькою в’язкістю – саме те, що потрібно для легкого процесу. З іншого боку, необхідно підтримувати певний баланс між низькою в’язкістю та твердістю, оскільки остання є одним із важливих факторів, що визначають придатність компаунду як захисту друкованої плати. Шляхом суворого контролю інгредієнтів поліаміду, а також регулюванням параметрів процесу, таких як температура, тиск і час дозування, було створено новий низькотемпературний матеріал, що плавиться, і здатний м’яко інкапсулювати друковану плату. Його температура розм’якшення становить лише 80°C і значно нижча за температуру плавлення безсвинцевих припоїв. Крім того, в’язкість цього матеріалу набагато нижче, ніж у традиційного поліаміду.
Новий матеріал має набагато більшу гнучкість, ніж раніше згаданий нейлон, випробування показали, що цей бажаний параметр зберігається навіть при температурі -40°C. Більше того, цей матеріал також відповідає вимогам щодо негорючісті стандарту UL 94V-0. Шляхом незначних змін складу та доповнень було створено кілька варіантів нового матеріалу, властивості якого зведені в таблицю нижче:
| Властивості | Варіант матеріалу 1 | Варіант матеріалу 2 | Варіант матеріалу 3 | Варіант матеріалу 4 |
| Колір | Бурштиновий / чорний | Бурштиновий / чорний | Бурштиновий / чорний | Бурштиновий / чорний |
| Хімічна основа | Поліамід | Поліамід | Поліамід | Поліамід |
| Робоча температура | -40…+100 °C | -40…+125 °C | -40…+140 °C | -40…+140 °C |
| Гнучкість у холоді | -40 °C | -40 °C | -40 °C | -40 °C |
| Температура застосування | 180…220 °C | 200…230 °C | 210…230 °C | 200…230 °C |
| Твердість за Шором | A 77 | A 90 | A 90 | D 40 |
| Подовження при розриві | 400% | 400% | 400% | 800% |
| Горючість | UL 94V-0 | UL 94V-0 | UL 94V-0 | UL 94V-0 |
Процес застосування
Новий матеріал застосовується в процесі вприскування під низьким тиском. Випускається в двох основних кольорах – чорному і бурштиновому, але, додаючи барвники, можна отримати будь-який колір. Випускається у вигляді гранул, поміщених в ємність, де розплавляється. Потім розплавлений матеріал закачується через отвір безпосередньо в форму, де також поміщаються зібрані друковані плати.
Матеріал, що заливається, може приймати будь-яку форму і розмір, який визначається тільки формою прес-форми. У випадку електроніки, що містить кабелі, напрузі на клемах можна запобігти за один процес разом із захистом самої електроніки – приклад такого застосування показано на малюнку 2.
Малюнок 2: Інкапсуляція модуля з кабелями
Переваги процесу
У порівнянні з заливкою та захисним покриттям, лиття під низьким тиском із використанням нового матеріалу може мати багато значних переваг:
- Значне скорочення тривалості процесу завдяки виключенню етапів перемішування та витримки рідини
- Можливість захисту друкованої плати та вирівнювання напруги кабельних з’єднань за один процес
- Завдяки можливості вільного формування відпадає необхідність виготовлення корпусу окремо
- Зменшення ваги модуля порівняно з заливкою
- Зменшені вимоги до апаратного забезпечення та менше енергоспоживання
- Нетоксичний процес
Безпека процесу
Температура
Однією з проблем, пов’язаних із новим процесом і використанням поліамідів для захисту друкованих плат, може бути температура процесу, яка може вплинути на паяні з’єднання. Використовуючи термопари, температуру вимірювали безпосередньо на платі під час процесу вприскування, а весь температурний профіль показаний на мал. 3. Температура спочатку швидко зростає до 175°C, а потім стабільно знижується з відносною швидкістю.
Малюнок 3: Профіль температури вприскування під низьким тиском
Найголовніше те, що максимальна температура все ще значно нижча за температуру оплавлення припою, 217°C, тому процес є безпечним для припою. Іншим важливим фактором є те, що температура швидко падає, а це означає, що процес також можна використовувати для чутливої до тепла електроніки, такої як РК-дисплеї та батареї. Однак слід підкреслити, що цей процес можна безпечно проводити за умови, що точка течії поліаміду, де температура є найвищою, буде віддалена від чутливих до температури компонентів: було проведено відповідне випробування на РК-екранах та акумуляторних батареях, яке в обох випадках показало правильне функціонування системи.
Тиск
Другою проблемою, пов’язаною з процесом вприскування під низьким тиском, є вплив тиску на компоненти та припої. Як і в попередньому випадку, компанія Henkel провела випробування, наливши поліамід Technomelt на модуль і спостерігаючи за поведінкою інтерметалічних шарів (мал. 4). Як свідчать результати випробувань, інтерметалічні з’єднання випробуваних плат залишилися непошкодженими.
Малюнок 4: Інтерметалічні з’єднання після заливки Technomelt.
Захисні властивості
Захист від екстремальних температур
Матеріал зберігався протягом 3000 годин при температурі 85°C і -40°C, що є типовим діапазоном температур для споживчої електроніки. Випробування не показали суттєвих змін за жодної з перелічених температур.
Захист від солі та вологи
Ще одна важлива функція – захист плати від вологи. Тест також моделював поведінку електроніки при контакті зі шкірою людини, на якій є певна кількість солі від поту. Щоб перевірити ці властивості, новий матеріал залили в п’ять маленьких світлодіодних модулів. Потім захищені системи занурювали в 5% розчин хлориду натрію при температурі 35°C. Ефективність світлодіодів перевіряли перед зануренням і після 1000 годин.
Усі 5 модулів функціонували без змін після закінчення тесту, що доводить придатність нового матеріалу, наприклад, для електроніки, що носиться. Крім того, світлодіодні модулі пройшли успішні випробування на водостійкість згідно з вимогами стандарту IP67.
За матеріалами сайту https://tek.info.pl
Лайкнуть
Твитнуть