環(huán)氧樹脂在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備 PCB 制造中的多種作用

物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 市場正在蓬勃發(fā)展。這一成功促使工程師探索實(shí)用的解決方案，以改進(jìn)成為當(dāng)今物聯(lián)網(wǎng)小工具不可或缺的一部分的印刷電路板 (PCB)。

環(huán)氧樹脂是一種在物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品的 PCB 制造過程中發(fā)揮各種功能的材料。這里有更多關(guān)于它在物聯(lián)網(wǎng)制造中發(fā)揮的重要作用。

調(diào)整以滿足特定要求

制造商可以選擇特種環(huán)氧樹脂或改變特定的環(huán)氧樹脂特性以滿足特定的性能或制造需求。例如，添加劑可以使環(huán)氧樹脂更硬或更厚，使其最適合用作保形涂層。以下是調(diào)整特定環(huán)氧樹脂特性的其他一些方法。

電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率

使用銀作為單組分或兩組分環(huán)氧樹脂的填料可以產(chǎn)生導(dǎo)電粘合劑來代替焊接。導(dǎo)電粘合劑要么是各向同性的，要么是各向異性的。第一類中的那些在所有方向上都是導(dǎo)電的。然而，各向異性粘合劑僅在一個方向上導(dǎo)電。它們有時用于粘合射頻識別 (RFID) 產(chǎn)品中的天線結(jié)構(gòu)。

環(huán)氧樹脂也有助于導(dǎo)熱。一種選擇是使用這種粘合劑連接兩個表面并將熱量傳遞到較冷的表面。然而，由于大多數(shù)環(huán)氧樹脂缺乏足夠的內(nèi)在熱管理能力，填料彌補(bǔ)了不足。銅、氮化硼和鋁等粉末顯著提高了傳熱性能。

極端溫度耐受性

在固化期間和固化之前，添加劑和硬化劑也會混入環(huán)氧樹脂中，以使粘合劑能夠抵抗低溫。相反，存在的環(huán)氧樹脂可以承受比非極端耐熱類型的約 300 華氏度更高的溫度。

低釋氣

用于航空航天工業(yè)的環(huán)氧樹脂必須是低釋氣類型。由于太空的真空，除氣會導(dǎo)致航天器周圍釋放出揮發(fā)性化合物。

NASA 使用兩個測試參數(shù)來確保環(huán)氧樹脂滿足除氣要求：總質(zhì)量損失 (TML) 和收集的揮發(fā)性可冷凝材料 (CVCM)。更具體地說，NASA 的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定環(huán)氧樹脂粘合劑或灌封化合物的 TML 小于 1%，CVCM 小于 0.1%。

提供低釋氣、高純度環(huán)氧樹脂的公司首先在專門的室中在嚴(yán)格的條件下測試這些產(chǎn)品。然后他們公布結(jié)果，迎合需要低釋氣粘合劑的客戶。

熱膨脹系數(shù) (CTE)

大多數(shù)材料由于溫度變化導(dǎo)致分子相互作用的能量增加而經(jīng)歷熱膨脹。CTE 表示溫度每升高 1 度會發(fā)生多少變化。

CTE 不匹配可能發(fā)生在兩個基材之間或粘合劑和基材之間。因此，一種常見的方法是選擇 CTE 盡可能低的粘合劑。另一種選擇是將特殊的負(fù) CTE 填料或陶瓷插入未填充的粘合劑中。然而，這樣做會導(dǎo)致拉伸模量顯著增加，從而使環(huán)氧樹脂更硬。

玻璃化轉(zhuǎn)變 (Tg) 溫度

環(huán)氧樹脂的玻璃化轉(zhuǎn)變 (Tg) 溫度是一個范圍，在該溫度范圍內(nèi)，它會從堅(jiān)硬的玻璃狀稠度轉(zhuǎn)變?yōu)楦彳洝⒏袕椥缘某矶?。它可以跨越大約50-250攝氏度。然而，環(huán)氧樹脂的選擇、使用的填料和固化時間都會影響 Tg。

Tg 超過 150 攝氏度的環(huán)氧樹脂通常具有優(yōu)異的耐高溫性。然而，Tg 在 120-130 攝氏度范圍內(nèi)的類型可提供出色的耐化學(xué)性。

對各種基材的正確附著力

環(huán)氧粘合劑可粘合并密封各種基材，從金屬和大多數(shù)塑料到木材和混凝土。但是，也有一些不適合的材料，例如低表面能塑料，包括聚烯烴、有機(jī)硅和碳氟化合物。繼續(xù)決定在這些材料上使用環(huán)氧樹脂需要對它們進(jìn)行預(yù)處理以改變基材的表面。

固化時間和儲存要求

環(huán)氧粘合劑可作為單組分和更常見的雙組分配方提供。單組分選項(xiàng)通常以糊劑形式出現(xiàn)，需要人們用抹子涂抹它們以填補(bǔ)空白。這些環(huán)氧樹脂需要加熱才能固化，也需要冷藏以保持其保質(zhì)期。

雙組分類型需要在特定時間范圍內(nèi)混合和使用產(chǎn)品，時間范圍從幾分鐘到幾小時不等。這些環(huán)氧樹脂在略高于室溫（大約 75-85 華氏度）的溫度下固化，盡管更多的熱量會加速該過程。

與單組分類型相比，雙組分環(huán)氧樹脂的儲存要求也不那么嚴(yán)格。制造商在選擇符合其生產(chǎn)要求的環(huán)氧樹脂時可能會牢記這些細(xì)節(jié)。

粘度

厘泊 (CPS) 是應(yīng)用于環(huán)氧樹脂的粘度值，用于指示其流動速度。低 CPS 環(huán)氧樹脂流動迅速，而流速隨著 CPS 的升高而減慢。環(huán)氧樹脂的粘度決定了它的潛在用例和應(yīng)用產(chǎn)品的方法。

降低的粘度也有助于減少空隙。許多制造商銷售各種粘度的環(huán)氧樹脂，例如 100-1,500,000 CPS。然而，熱量也會影響粘度，并且暴露于它會使環(huán)氧樹脂的稠度變薄。

低粘度環(huán)氧樹脂可能需要 12-24 小時才能固化——比高粘度環(huán)氧樹脂要長。高粘度環(huán)氧樹脂適合表面涂層應(yīng)用。但是，加工它們需要不超過制造商規(guī)定的最大厚度，通常為 1-2 厘米。

用作整個 PCB 的材料

工程師在開發(fā) PCB 時經(jīng)常使用環(huán)氧樹脂。特定環(huán)氧樹脂的行為方式不同，工程專業(yè)人員通常必須使用制造商提供的任何東西。

然而，了解特定環(huán)氧樹脂的功能有助于設(shè)計(jì)項(xiàng)目順利進(jìn)行。雖然有些具有粘合特性，但有些具有導(dǎo)熱性。一旦產(chǎn)品進(jìn)入市場，粘合劑化合物的特性與產(chǎn)品材料之間的不匹配可能會導(dǎo)致影響制造或可用性的問題。

例如，電路板的預(yù)浸料通常由半固化的玻璃環(huán)氧樹脂材料制成。預(yù)浸料是具有粘合和絕緣特性的介電材料。PCB 的內(nèi)核通常采用完全固化的玻璃環(huán)氧樹脂材料，兩面都層壓有銅。

此外，公司已開始在 PCB 制造過程中將環(huán)氧樹脂與其他物質(zhì)結(jié)合，以不斷降低與介電材料相關(guān)的成本。一種常見的做法是將其與熱塑性塑料聚苯醚 (PPO) 或聚苯醚 (PPE) 一起使用。

使用不含環(huán)氧樹脂的 PPO通常會增加總體制造成本。但是，依靠它可以減少開支，同時仍能滿足性能要求。

您可以通過新開發(fā)的植入式血氧傳感器示例了解環(huán)氧樹脂在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的 PCB 組件上的多種用途。這種先進(jìn)的產(chǎn)品將壓電晶體與導(dǎo)電銀環(huán)氧樹脂粘合，然后將其連接到 PCB。開發(fā)人員還使用紫外線固化環(huán)氧樹脂來圍繞 PCB 內(nèi)的引線鍵合區(qū)域。

選擇改善傳熱

如前所述，特定的環(huán)氧樹脂具有不同的特性。對于大多數(shù)設(shè)計(jì)和制造物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的公司來說，熱管理是一個重要的問題。過高的溫度會損壞精密的電子設(shè)備并導(dǎo)致小工具發(fā)生故障。一些工程師已經(jīng)開發(fā)出使物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備受益于溫暖的方法，例如體溫。但是，目標(biāo)通常是避免熱點(diǎn)和整體過熱。

隨著物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備變得越來越小，控制熱量的需求變得更加重要。傳統(tǒng)方法包括使用風(fēng)扇和散熱器。另一種選擇是在發(fā)熱或具有冷卻能力的組件之間涂抹導(dǎo)熱油脂。人們還可以通過使用特定種類的環(huán)氧樹脂來獲得所需的結(jié)果。

例如，單組分和雙組分環(huán)氧樹脂增強(qiáng)了跨界面的熱傳遞。人們還可以選擇它們來補(bǔ)充其他散熱方法，例如使用環(huán)氧樹脂將散熱器粘合到 PCB 上。

當(dāng)人們討論某些環(huán)氧樹脂的散熱速度有多快時，他們指的是物質(zhì)的導(dǎo)電性。如果環(huán)氧樹脂的熱導(dǎo)率為0.3-0.4 瓦/毫開爾文，這意味著熱量消散相對較慢。然而，每毫開爾文 1.7-2 瓦的值表明導(dǎo)熱速度更快。

然而，Tg 是在 PCB 制造過程中使用環(huán)氧樹脂進(jìn)行熱管理時要考慮的另一個方面。使用的任何環(huán)氧樹脂都必須與隨附基材的 Tg 相容。

被選為保形涂層

當(dāng)公司從事物聯(lián)網(wǎng)制造時，代表必須考慮小工具在正常使用過程中可能接觸到的環(huán)境特征。例如，一些物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備被放置在室外多塵或潮濕的環(huán)境中。在其他情況下，物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品會在偏遠(yuǎn)地區(qū)進(jìn)行持續(xù)監(jiān)控，并且不會經(jīng)常被人工檢查。

因此，為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備構(gòu)建 PCB 以承受潛在的惡劣因素至關(guān)重要。一種常見的方法是應(yīng)用保形涂層。以這種方式使用的環(huán)氧樹脂既堅(jiān)硬又不透明，可以很好地防止化學(xué)品、磨損和潮濕。對于暴露在高濕度環(huán)境中的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，環(huán)氧保形涂料也是明智的選擇。

保形涂層非常薄但具有保護(hù)性。他們直接在 PCB 組件的頂部添加保護(hù)層，而不會增加不希望的體積的厚度。由于保形涂層還延長了 PCB 的使用壽命，因此它們是物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備制造商提供客戶期望的延長性能的一種簡單方法。

同樣，保形涂層可以降低可能削減制造商利潤的昂貴維修成本。物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品內(nèi)部過早損壞的 PCB 也可能損害制造商的聲譽(yù)。在 PCB 制造過程中選擇應(yīng)用保形涂層是延長功能的相對簡單的方法，從而讓客戶滿意。

應(yīng)用于勸阻逆向工程

當(dāng)某人（通常是競爭對手）試圖確定制造商如何生產(chǎn)產(chǎn)品時，就會發(fā)生逆向工程。這是許多行業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)，適用于化學(xué)和生物過程以及物理產(chǎn)品。

存在許多預(yù)防措施來防止逆向工程。例如，一些制造商在 PCB 內(nèi)放置傳感器以檢測和防止此類嘗試。然而，一個較少涉及但仍然有效的技術(shù)是練習(xí)灌封。

它涉及使用外殼或類似層來完全包裹 PCB 或其他電子元件。人們將一種化合物倒入該外殼區(qū)域，它會硬化并成為 PCB 的一部分。環(huán)氧樹脂是一種常用的灌封材料。它的不透明性阻止了人們學(xué)習(xí)有助于他們更多地了解設(shè)計(jì)的視覺細(xì)節(jié)。

一些灌封化合物也是不可去除的。在防止設(shè)計(jì)復(fù)制方面，這是一件好事。但是，它也可能使授權(quán)人員難以或不可能維修 PCB。

根據(jù)手頭的項(xiàng)目，工程師也可以使用有機(jī)硅而不是環(huán)氧樹脂進(jìn)行封裝。除了在很寬的溫度范圍內(nèi)保持其機(jī)械性能外，有機(jī)硅還柔軟且柔韌，使其適合覆蓋敏感的電子產(chǎn)品。

灌封通常與其他幾種阻止人們對 PCB 設(shè)計(jì)進(jìn)行逆向工程的措施一起選擇。因此，制造商必須確定哪些選項(xiàng)可提供最佳保護(hù)，并考慮他們是否可能需要在以后去除灌封化合物。

環(huán)氧樹脂助力物聯(lián)網(wǎng)制造進(jìn)步

這些示例表明，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備制造商可以在眾多設(shè)計(jì)和制造階段應(yīng)用環(huán)氧樹脂來滿足某些要求或需求。隨著物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的普及和普及，環(huán)氧樹脂將繼續(xù)成為 PCB 制造的關(guān)鍵部分。

審核編輯 黃昊宇