Если вы когда-либо работали с эпоксидной смолой для заливки электроники — являетесь ли вы инженером-конструктором, занимающимся устранением неисправностей герметизации компонентов, или менеджером производственной линии, оптимизирующим рабочие процессы герметизации, — вы знаете, что баланс между текучестью и производительностью является решающим. Если он слишком тонкий, он будет стекать по тонким следам цепи или скапливаться неравномерно, оставляя открытые зазоры, которые могут стать причиной попадания влаги, пыли или механических ударов. Слишком толстый, он не может проникнуть в крошечные зазоры между резисторами поверхностного монтажа, конденсаторами и разъемами, создавая слабые места, которые приводят к преждевременному выходу детали из строя. Однако многие команды не останавливаются перед тем, чтобы раскрыть одну из наиболее фундаментальных, но упускаемых из виду движущих сил этого потока: поверхностное натяжение. Как поставщик, специализирующийся на разработке эпоксидных смол для требовательных электронных приложений, я потратил годы, знакомя клиентов с этими отношениями, и пришло время прояснить, как это основное свойство влияет на все, от процесса смешивания до долгосрочной надежности деталей.
Для начала давайте разберемся, что такое поверхностное натяжение и почему оно важно для заливки электроники. Поверхностное натяжение описывает силу сцепления между молекулами на поверхности жидкости, когда молекулы тянутся внутрь, создавая минимально возможную площадь поверхности, как вода, образующая капли на вощеной машине, или ртуть, образующая плотные сферы. Для эпоксидных заливочных компаундов эта сила — не просто деталь из учебника физики; от этого напрямую зависит, насколько хорошо смола смачивает подложку, как она распределяется по сложным, неровным электронным узлам и как быстро она затвердевает, образуя однородный защитный слой. Прежде чем мы углубимся в особенности этих отношений, стоит отметить, что не все эпоксидные смолы одинаковы, и выбор подходящего для вашего проекта начинается с понимания основ материала. Вот почему я всегда предлагаю клиентам воспользоваться нашим руководством, в котором разбираются эти основы, включая компромисс между скоростью отверждения, вязкостью и эксплуатационными характеристиками: «Что такое эпоксидная смола?» Основы материалов, ограничения и компромиссы при проектировании. Этот ресурс является отличной отправной точкой для всех, кто впервые работает с заливочными эпоксидными смолами, поскольку он объясняет, почему такие свойства, как поверхностное натяжение и текучесть, нельзя рассматривать изолированно.
Теперь давайте свяжем поверхностное натяжение с текучестью, способностью жидкой эпоксидной смолы двигаться, растекаться и соответствовать геометрии детали. Текучесть чаще всего измеряется через вязкость, которая представляет собой сопротивление течению, но сама по себе вязкость не дает полной картины. Две эпоксидные смолы могут иметь одинаковую вязкость, но совершенно разное поверхностное натяжение и совершенно по-разному вести себя при заливке в контур. И вот почему: когда вы заливаете эпоксидную смолу на сборку, ей необходимо «намочить» каждую поверхность, к которой она прикасается, то есть она прилипает к основе, а не скатывается и скатывается. Смачивание регулируется поверхностным натяжением. Если поверхностное натяжение эпоксидной смолы слишком велико, она будет скатываться на гидрофобных поверхностях, таких как печатные платы FR-4, луженые выводы или некоторые пластиковые разъемы, оставляя зазоры между эпоксидной смолой и компонентом. Даже если вязкость достаточно низкая, чтобы течь, высокое поверхностное натяжение создает силу, которая втягивает жидкость внутрь, предотвращая ее распространение в микрозазоры между крошечными SMD-компонентами. Например, клиент, работающий над компактным сенсорным модулем с резисторами 0402, однажды сказал мне, что его предыдущая эпоксидная смола (эпоксидная смола общего назначения от другого поставщика) сначала текла слишком быстро, а затем скатывалась вокруг резисторов, оставляя 20% поверхности детали подверженной испытаниям на влажность. Переход на прозрачный эпоксидный заливочный состав, отверждаемый при комнатной температуре, предназначенный для низкого поверхностного натяжения: Прозрачный эпоксидный заливочный состав, отверждаемый при комнатной температуре | Е-120/Н-100 | Фонг Йонг решил эту проблему, сбалансировав вязкость и поверхностное натяжение, чтобы обеспечить равномерное смачивание даже самых маленьких деталей.
Обратной стороной высокого поверхностного натяжения является слишком низкое поверхностное натяжение. Подождите, это звучит нелогично — почему жидкость с более низким поверхностным натяжением может создавать проблемы для электроники? Во-первых, эпоксидные смолы с чрезвычайно низким поверхностным натяжением часто содержат большое количество добавок, повышающих скольжение, или поверхностно-активных веществ, добавляемых для уменьшения поверхностной силы сцепления. Хотя в некоторых случаях эти добавки могут помочь при смачивании, они также могут вызвать множество проблем в электронных приложениях: они могут выделять газ во время отверждения, что приводит к образованию пустот, которые ослабляют заливку, или они могут выщелачиваться с течением времени, нарушая адгезию эпоксидной смолы к компонентам или даже вызывая загрязнение, которое нарушает работу чувствительных схем. Один из наших клиентов-автомобилистов рассказал, что они использовали эпоксидную смолу с низким поверхностным натяжением для своих модулей ЭБУ, но после 12 месяцев полевых испытаний обнаружили, что поверхностно-активное вещество мигрировало на поверхность, вызывая коррозию медных следов. Это прекрасный пример того, почему поверхностное натяжение нельзя оптимизировать в вакууме: оно должно соответствовать конечному варианту использования, и этот момент мы подчеркиваем во всех наших технических ресурсах.
Еще одним ключевым фактором влияния поверхностного натяжения на текучесть является время отверждения. Большинство эпоксидных смол для заливки электроники представляют собой двухкомпонентные системы: смолу и отвердитель, смешанные в определенном соотношении для инициирования полимеризации. По мере начала отверждения молекулярная структура эпоксидной смолы меняется, и поверхностное натяжение постоянно меняется с момента смешивания двух частей до полного отверждения эпоксидной смолы. Для систем отверждения при комнатной температуре это особенно критично, поскольку жизнеспособность (время, в течение которого вам придется работать со смешанной эпоксидной смолой, прежде чем она начнет затвердевать) может составлять всего несколько часов. Если поверхностное натяжение падает слишком быстро, когда эпоксидная смола начинает гелеобразовать, течение может резко прекратиться, оставляя воздушные зазоры или неполное покрытие. Мы разработали нашу систему E-120/H-100 так, чтобы обеспечить постепенное, контролируемое изменение поверхностного натяжения во время отверждения, чтобы у эпоксидной смолы было достаточно времени для равномерного распределения по детали перед застыванием. Вот почему он стал популярным среди клиентов, герметизирующих деликатные узлы, такие как носимые устройства и медицинские датчики, где быстрый и равномерный поток не подлежит обсуждению.
Различные электронные приложения имеют совершенно разные потребности, поэтому взаимосвязь между поверхностным натяжением и текучестью не является универсальной. Давайте разберем несколько распространенных случаев использования, чтобы проиллюстрировать это. Во-первых, это электропроводящие эпоксидные клеи, используемые для склеивания и герметизации проводящих компонентов, таких как клеммы аккумуляторов или RFID-чипы. Для этого поверхностное натяжение должно быть достаточно высоким, чтобы проводящие наполнители равномерно распределялись в эпоксидной смоле, а не позволяли им оседать на дно емкости во время смешивания или растекания. Если поверхностное натяжение слишком низкое, тяжелые серебряные или медные наполнители будут отделяться, что приведет к нестабильной проводимости и слабым связям. Наш электропроводящий эпоксидный клей имеет поверхностное натяжение, откалиброванное таким образом, чтобы удерживать наполнители во взвешенном состоянии в течение всего срока годности, поэтому вам не придется повторно смешивать его в середине процесса, даже при больших объемах производства.
Далее, существует эпоксидный клей для термотрансферной заливки электроники, используемый для мощных компонентов, таких как драйверы светодиодов или силовые инверторы, которые выделяют много тепла. Для них текучесть является ключом к обеспечению максимального контакта между эпоксидной смолой и радиатором или корпусом компонента, что улучшает рассеивание тепла. Высокое поверхностное натяжение может препятствовать распространению эпоксидной смолы по всей тепловыделяющей поверхности, создавая горячие точки, которые сокращают срок службы компонента. Наша термотрансферная эпоксидная смола для заливки электроники имеет поверхностное натяжение, специально настроенное для влажных металлических радиаторов и керамических подложек, поэтому она растекается, заполняя каждый зазор между компонентом и его корпусом, повышая тепловые характеристики до 15% по сравнению со стандартными эпоксидными смолами, согласно независимому тестированию.
Кроме того, есть приложения, которым нужна гибкость, а не только бытовая электроника, требующая прочности, которую можно уронить, или компоненты аэрокосмической отрасли, которые подвергаются экстремальным температурным циклам. Для этих целей необходим гибкий эпоксидный заливочный состав, устойчивый к разрушению под нагрузкой (ссылка: Гибкий эпоксидный заливочный состав, разработанный против разрушения под напряжением | E759/H759). Поверхностное натяжение этой системы немного ниже, чем у наших стандартных жестких эпоксидных смол, что позволяет ей легче растекаться вокруг компонентов, поглощая механическое напряжение, сохраняя при этом достаточную связность, чтобы оставаться неповрежденной во время расширения и сжатия. Клиент, работающий над складными дисплеями для телефонов, рассказал нам, что использование нашей гибкой эпоксидной смолы E759/H759 уменьшило количество трещин при заливке на 80% по сравнению с предыдущей жесткой эпоксидной смолой, поскольку поверхностное натяжение позволяет ей соответствовать изгибающему движению дисплея, не отделяясь от стекла или рамы.
Давайте также поговорим о распространенной ошибке, которую допускают инженеры: путают поверхностное натяжение с вязкостью. Легко взять эпоксидную смолу с низкой вязкостью и предположить, что она будет течь лучше, но это не всегда так. Однажды я помог клиенту, который боролся с эпоксидной смолой, которая была слишком густой и не могла затекать в мелкие зазоры в печатной плате сетевого коммутатора. Они перешли на эпоксидную смолу с более низкой вязкостью, но проблема усугубилась, потому что эпоксидная смола с более низкой вязкостью имела более высокое поверхностное натяжение, поэтому она скатывалась, а не растекалась. Решением стала не более жидкая эпоксидная смола; это была эпоксидная смола со сбалансированной вязкостью и поверхностным натяжением, которая позволяла ей затекать в зазоры без образования капель. Это важный урок: текучесть является функцией обоих свойств, и оптимизация одного без другого приведет к снижению производительности.
Проверка поверхностного натяжения и текучести эпоксидных смол для электронных устройств — это не то, что вы можете сделать с помощью простого кухонного инструмента. В промышленных условиях мы используем гониометрию угла контакта, чтобы точно измерить, как эпоксидная смола смачивает стандартную подложку FR-4, а также камеры для испытаний на текучесть, которые имитируют реальные производственные условия, включая температуру, влажность и геометрию детали. Вот почему мы предоставляем всем нашим клиентам технические паспорта, в которых указаны значения поверхностного натяжения и вязкости, чтобы они могли сравнить нашу продукцию с существующими эпоксидными смолами и принять обоснованное решение. Мы также предлагаем поддержку индивидуальных рецептур для клиентов с уникальными потребностями, например, для тех, кто работает над сверхкомпактными носимыми устройствами или высоковольтными силовыми компонентами, где поверхностное натяжение и текучесть должны соответствовать очень специфическим стандартам.
В конце концов, связь между поверхностным натяжением и текучестью эпоксидной смолы для заливки электроники является прекрасным примером того, как материаловедение напрямую влияет на характеристики продукта. Слишком часто это свойство упускается из виду в пользу скорости лечения или стоимости, но это основополагающий фактор, который определяет, будет ли ваша работа по заливке прочной, однородной и надежной на долгие годы — будь то умные часы на чьем-то запястье, блок управления двигателем автомобиля под капотом или медицинское устройство, используемое в больнице. Если вы боретесь с проблемами текучести в процессе заливки или ищете эпоксидную смолу, которая уравновешивает поверхностное натяжение, текучесть и производительность для вашего конкретного применения, наша команда здесь, чтобы помочь вам найти правильное решение. Мы тесно сотрудничаем с инженерами и производственными группами для тестирования нашей продукции в реальных условиях, а также можем предоставить образцы, техническую поддержку и индивидуальные рецептуры, точно соответствующие вашим потребностям. Если вам нужна прозрачная эпоксидная смола, отверждаемая при комнатной температуре для чувствительных датчиков, гибкая эпоксидная смола для складных устройств или термоэпоксидная смола для компонентов высокой мощности, у нас есть опыт и продукты, отвечающие вашим требованиям. Свяжитесь с нашей командой, чтобы обсудить ваш проект и найти подходящий эпоксидный заливочный состав для вашей электроники.
Ссылки
- Шоу, М.Т., и Макнайт, У.Дж. (2005). Введение в вязкоупругость полимеров (3-е изд.). Уайли-Интерсайенс.
- Лэмб, Р.Н. (1997). Физика поверхности полимеров (2-е изд.). Спрингер.
- Альянс электронной промышленности (EIA). (2019). Стандарт инкапсуляции электронных компонентов и сборок (EIA-IS-71). ОВОС.
- Рудольф Н. и др. (2021). Роль поверхностного натяжения в смачивании эпоксидной смолы для герметизации электронных устройств. Журнал электронных материалов, 50 (8), 4521-4530.