Ако някога сте работили с епоксидна смола за електроника – независимо дали сте инженер-конструктор, отстраняващ неизправности при запечатване на компоненти, или мениджър на производствена линия, оптимизиращ работните процеси на капсулиране – знаете, че балансът между течливост и производителност е решаващ. Твърде тънък и ще се оттича от деликатни следи от веригата или ще се разлива неравномерно, оставяйки открити празнини, които предизвикват влага, прах или механичен удар. Твърде дебел и не може да проникне в малките пролуки между повърхностно монтирани резистори, кондензатори и конектори, създавайки слаби места, които водят до преждевременна повреда на частта. Това, което много екипи обаче не спират да разопаковат, е един от най-основополагащите, но пренебрегвани двигатели на този поток: повърхностното напрежение. Като доставчик, посветен на инженерните епоксиди за взискателни електронни приложения, прекарах години в развеждане на клиентите през тази връзка и е време да демистифицираме как това основно свойство оформя всичко - от процеса на смесване до дългосрочната надеждност на частите.
Като начало, нека обосновем това какво всъщност е повърхностното напрежение и защо е важно за пълненето на електрониката. Повърхностното напрежение описва кохезионната сила между молекулите на повърхността на течността, където молекулите се дърпат навътре, за да създадат възможно най-малката повърхностна площ, подобно на вода, която се издига върху восъчна кола, или живак, образуващ стегнати сфери. За епоксидните смеси за заливане тази сила не е просто подробност от учебника по физика; той директно диктува колко добре смолата намокря субстрата, как се разпространява върху сложни, неравномерни електронни модули и колко бързо се втвърдява в равномерен, защитен слой. Преди да се потопим в спецификата на тази връзка, струва си да се отбележи, че не всички епоксиди са създадени еднакви и изборът на правилния за вашия проект започва с разбирането на основите на материала. Ето защо винаги насочвам клиентите към нашето ръководство, което разбива тези основи, включително компромиси между скорост на втвърдяване, вискозитет и производителност: Какво е епоксидна смола? Материални основи, ограничения и компромиси при дизайна. Този ресурс е чудесна отправна точка за всеки, който е нов в работата с епоксиди за заливане, тъй като поставя основата защо свойства като повърхностно напрежение и течливост не могат да се разглеждат изолирано.
Сега нека свържем повърхностното напрежение с течливостта, способността на течната епоксидна смола да се движи, разпространява и да се приспособява към геометрията на дадена част. Течливостта най-често се измерва чрез вискозитет, който е съпротивление на потока, но вискозитетът сам по себе си не разказва цялата история. Два епоксида могат да имат еднакъв вискозитет, но значително различни повърхностни напрежения и да се държат напълно различно, когато се поставят във верига. Ето защо: когато излеете епоксидна смола върху сглобка, тя трябва да „намокри“ всяка повърхност, която докосне – което означава, че прилепва към субстрата, вместо да се извива и да се търкаля. Намокрянето се определя от повърхностното напрежение. Ако повърхностното напрежение на епоксида е твърде голямо, то ще се нанесе върху хидрофобни повърхности като FR-4 платки, калаени проводници или някои пластмасови съединители, оставяйки празнини между епоксида и компонента. Дори ако вискозитетът е достатъчно нисък, за да тече, това високо повърхностно напрежение създава сила, която дърпа течността навътре, предотвратявайки разпространението й в микропроцепите между малки SMD компоненти. Например клиент, работещ върху компактен сензорен модул с резистори 0402, веднъж ми каза, че тяхната предишна епоксидна смола (универсална епоксидна смола с общо предназначение от различен доставчик) ще тече твърде бързо в началото, след което ще се разпръсне около резисторите, оставяйки 20% от повърхността на частта изложена на тестване за влажност. Преминаване към втвърдяваща се при стайна температура прозрачна епоксидна заливна смес, предназначена за връзка с ниско повърхностно напрежение: Втвърдяваща се при стайна температура прозрачна епоксидна заливна смес | E-120 / H-100 | Фонг Йонг реши този проблем чрез балансиране на вискозитета и повърхностното напрежение, за да създаде постоянно овлажняване дори на най-малките елементи.
Обратната страна на високото повърхностно напрежение е твърде ниското повърхностно напрежение. Чакайте, това звучи контраинтуитивно - защо течност с по-ниско повърхностно напрежение би причинила проблеми на електрониката? От една страна, епоксидите с изключително ниско повърхностно напрежение често имат високи нива на хлъзгащи добавки или повърхностно активни вещества, добавени за намаляване на кохезионната повърхностна сила. Въпреки че тези добавки могат да помогнат при омокрянето в някои случаи, те също могат да причинят множество проблеми в електронните приложения: те могат да отделят газ по време на втвърдяване, което води до кухини, които отслабват запълването, или могат да се излужват с течение на времето, компрометирайки адхезията на епоксида към компонентите или дори причинявайки замърсяване, което нарушава чувствителните вериги. Един от нашите автомобилни клиенти сподели, че са използвали епоксид с ниско повърхностно напрежение за своите ECU модули, само за да открият след 12 месеца полеви тестове, че повърхностно активното вещество е мигрирало към повърхността, причинявайки корозия върху медни следи. Това е перфектен пример за това защо повърхностното напрежение не може да бъде оптимизирано във вакуум - то трябва да се приведе в съответствие със случая на крайна употреба, точка, която подчертаваме във всички наши технически ресурси.
Друг ключов фактор за това как повърхностното напрежение влияе върху течливостта е времето за втвърдяване. Повечето епоксиди за заливане на електроника са системи от две части: смола и втвърдител, смесени в определено съотношение за иницииране на полимеризация. Когато втвърдяването започне, молекулярната структура на епоксида се променя и повърхностното напрежение се измества непрекъснато от момента, в който смесите двете части, докато епоксидът се втвърди напълно. За системи за втвърдяване при стайна температура това е особено критичен прозорец, тъй като животът на сместа (времето, което трябва да работите със смесения епоксид, преди да започне да се втвърдява) може да бъде само няколко часа. Ако повърхностното напрежение спадне твърде бързо, тъй като епоксидът започне да се желира, потокът може да спре внезапно, напускайки междини във въздуха или непълно покритие. Ние проектирахме нашата система E-120/H-100 да има постепенно, контролирано изместване на повърхностното напрежение по време на втвърдяване, така че има достатъчно време епоксидът да се разпространи равномерно през частта преди желиране. Ето защо се превърна в предпочитан за клиентите, които поставят деликатни модули като носими и медицински сензори, където бързият и равномерен поток не подлежи на обсъждане.
Различните електронни приложения имат изключително различни нужди, така че връзката между повърхностното напрежение и течливостта не е еднозначна за всички. Нека разбием няколко често срещани случая на употреба, за да илюстрираме това. Първо, има електропроводими епоксидни лепила, използвани за свързване и запечатване на проводими компоненти като клеми на батерии или RFID чипове. За тях повърхностното напрежение трябва да бъде достатъчно високо, за да поддържа проводимите пълнители равномерно диспергирани в епоксидната смола, вместо да ги оставя да се утаят на дъното на съда по време на смесване или изтичане. Ако повърхностното напрежение е твърде ниско, тежките сребърни или медни пълнители ще се отделят, което ще доведе до непостоянна проводимост и слаби връзки. Нашето електропроводимо епоксидно лепило е формулирано с калибрирано повърхностно напрежение, за да поддържа пълнителите в суспензия за пълния живот на сместа, така че не се налага да смесвате повторно по средата на процеса, дори при големи производствени серии.
След това има термотрансферно електронно епоксидно лепило, използвано за компоненти с висока мощност като LED драйвери или инвертори на мощност, които генерират много топлина. За тях течливостта е ключова за осигуряване на максимален контакт между епоксида и радиатора или корпуса на компонента, което подобрява разсейването на топлината. Високото повърхностно напрежение може да попречи на епоксида да се разпространи по цялата повърхност, генерираща топлина, създавайки горещи точки, които съкращават живота на компонента. Нашият термотрансферен електронен заливъчен епоксид има повърхностно напрежение, настроено специално към мокри метални радиатори и керамични субстрати, така че тече, за да запълни всяка празнина между компонента и корпуса му, повишавайки топлинните характеристики с до 15% в сравнение със стандартните епоксиди, според независимо тестване.
Освен това има приложения, които се нуждаят от гъвкавост, а не само потребителска електроника, която мисли за здравина, която се изпуска, или аерокосмически компоненти, които изпитват екстремни температурни цикли. За тях е от съществено значение гъвкавата епоксидна заливна смес, проектирана срещу разрушаване при напрежение (връзка: Гъвкава епоксидна заливна смес, проектирана срещу разрушаване при натиск|E759/H759). Повърхностното напрежение на тази система е формулирано така, че да е малко по-ниско от нашите стандартни твърди епоксиди, което й позволява да тече по-лесно около компонентите, за да абсорбира механичното напрежение, като същевременно поддържа достатъчно кохезия, за да остане непокътната по време на разширяване и свиване. Клиент, работещ върху сгъваеми телефонни дисплеи, ни каза, че използването на нашата гъвкава епоксидна смола E759/H759 намалява пукнатините при запълване с 80% в сравнение с предишната им твърда епоксидна смола, тъй като повърхностното напрежение му позволява да съответства на огъващото движение на дисплея, без да се отделя от стъклото или рамката.
Нека поговорим и за често срещана грешка, която виждам, че инженерите правят: объркване на повърхностното напрежение с вискозитета. Лесно е да вземете епоксид с нисък вискозитет и да приемете, че ще тече по-добре, но това не винаги е така. Веднъж помогнах на клиент, който се бореше с епоксидна смола, която беше твърде дебела, за да се влее във фините пролуки в платката на мрежовия комутатор. Те преминаха към епоксид с по-нисък вискозитет, но проблемът се влоши, тъй като епоксидът с по-нисък вискозитет имаше по-високо повърхностно напрежение, така че се извиваше, вместо да се разпространява. Решението не беше по-течна епоксидна смола; това беше епоксидна смола с балансиран вискозитет и повърхностно напрежение, което му позволяваше да тече в празнините без образуване на перли. Това е важен урок: течливостта е функция и на двете свойства и оптимизирането на едното без другото ще доведе до лоша производителност.
Тестването на повърхностно напрежение и течливост за електронни епоксиди не е нещо, което можете да направите с обикновен кухненски инструмент. В промишлени настройки ние използваме гониометрия на контактния ъгъл, за да измерим как точно епоксидът намокря стандартен субстрат FR-4, и камери за изпитване на потока, които симулират действителни производствени условия, включително температура, влажност и геометрия на частта. Ето защо ние предоставяме на всички наши клиенти листове с технически данни, които включват както повърхностно напрежение, така и стойности на вискозитет, така че те да могат да сравнят нашите продукти с техните съществуващи епоксиди и да вземат информирано решение. Ние също така предлагаме персонализирана поддръжка на формули за клиенти с уникални нужди, като тези, които работят върху ултракомпактни носими устройства или захранващи компоненти с високо напрежение, където повърхностното напрежение и потокът трябва да отговарят на много специфични стандарти.
В крайна сметка връзката между повърхностното напрежение и течливостта в епоксидната смола за заливане на електроника е перфектен пример за това как науката за материалите влияе пряко на производителността на продукта. Твърде често това свойство се пренебрегва в полза на скоростта на втвърдяване или цената, но това е основополагащ фактор, който определя дали работата ви по заливане ще бъде силна, еднаква и надеждна в продължение на години – независимо дали това е интелигентен часовник на нечия китка, блок за управление на автомобилен двигател под капака или медицинско устройство, използвано в болница. Ако се борите с проблеми с потока във вашия процес на заливане или търсите епоксид, който балансира повърхностното напрежение, течливостта и производителността за вашето конкретно приложение, нашият екип е тук, за да ви помогне да намерите правилното решение. Ние работим в тясно сътрудничество с инженери и производствени екипи, за да тестваме нашите продукти в реални условия и можем да предоставим проби, техническа поддръжка и персонализирани формули, съобразени с вашите точни нужди. Независимо дали имате нужда от втвърдяваща се при стайна температура прозрачна епоксидна смола за деликатен сензор, гъвкава епоксидна смола за сгъваемо устройство или термична епоксидна смола за компонент с висока мощност, ние разполагаме с експертизата и продуктите, за да отговорим на вашите изисквания. Свържете се с нашия екип, за да обсъдим вашия проект и да намерите подходящата епоксидна заливна смес за вашата електроника.
Референции
- Shaw, MT, & MacKnight, WJ (2005). Въведение във вискоеластичността на полимера (3-то издание). Wiley-Interscience.
- Lamb, RN (1997). Повърхностна физика на полимерите (2-ро издание). Спрингър.
- Алианс на електронните индустрии (EIA). (2019 г.). Стандарт за капсулиране на електронни компоненти и възли (EIA-IS-71). ОВОС.
- Rudolph, N., et al. (2021). Ролята на повърхностното напрежение в епоксидното омокряне за електронно капсулиране. Вестник за електронни материали, 50 (8), 4521-4530.