Jeśli kiedykolwiek pracowałeś z żywicą epoksydową do zalewania elektroniki – niezależnie od tego, czy jesteś inżynierem projektantem rozwiązującym problemy z uszczelnieniem komponentów, czy też kierownikiem linii produkcyjnej optymalizującym przebieg procesów hermetyzacji – wiesz, że równowaga pomiędzy płynnością a wydajnością zależy od tego, czy się uda, czy nie. Zbyt cienki, będzie spływał po delikatnych obwodach lub będzie nierównomiernie gromadził się, pozostawiając odsłonięte szczeliny, które sprzyjają wilgoci, kurzowi lub wstrząsom mechanicznym. Zbyt gruby i nie może przedostać się do maleńkich szczelin między rezystorami do montażu powierzchniowego, kondensatorami i złączami, tworząc słabe punkty, które prowadzą do przedwczesnej awarii części. Jednak wiele zespołów nie zatrzymuje się, aby rozwikłać jeden z najbardziej podstawowych, a jednocześnie pomijanych czynników napędzających ten przepływ: napięcie powierzchniowe. Jako dostawca zajmujący się inżynierią epoksydów do wymagających zastosowań elektronicznych, spędziłem lata przeprowadzając klientów przez tę relację i nadszedł czas, aby wyjaśnić, w jaki sposób ta podstawowa właściwość wpływa na wszystko, od procesu mieszania po długoterminową niezawodność części.
Na początek skupmy się na tym, czym właściwie jest napięcie powierzchniowe i dlaczego jest ono ważne dla zalewania elektroniki. Napięcie powierzchniowe opisuje siłę spójności między cząsteczkami na powierzchni cieczy, gdzie cząsteczki przyciągają się do wewnątrz, tworząc możliwie najmniejszą powierzchnię, jak woda perlująca się na woskowanym samochodzie lub rtęć tworząca ciasne kulki. W przypadku żywic epoksydowych siła ta nie jest jedynie szczegółem z podręcznika fizyki; bezpośrednio decyduje o tym, jak dobrze żywica zwilża podłoże, jak rozprowadza się na złożonych, nierównych zespołach elektronicznych i jak szybko utwardza się, tworząc jednolitą warstwę ochronną. Zanim zagłębimy się w szczegóły tej relacji, warto zauważyć, że nie wszystkie żywice epoksydowe są sobie równe, a wybór odpowiedniego do swojego projektu rozpoczyna się od zrozumienia podstaw materiałowych. Dlatego zawsze odsyłam klientów do naszego przewodnika, który omawia te podstawy, w tym kompromisy między szybkością utwardzania, lepkością i wydajnością: Co to jest żywica epoksydowa? Podstawy materiałów, ograniczenia i kompromisy projektowe. Zasoby te są doskonałym punktem wyjścia dla każdego, kto dopiero rozpoczyna pracę z żywicami epoksydowymi do zalewania, ponieważ wyjaśniają, dlaczego takich właściwości jak napięcie powierzchniowe i płynność nie można rozpatrywać oddzielnie.
Połączmy teraz napięcie powierzchniowe z płynnością, czyli zdolnością ciekłej żywicy epoksydowej do przemieszczania się, rozprzestrzeniania i dopasowywania do geometrii części. Płynność najczęściej mierzy się za pomocą lepkości, która jest oporem przepływu, ale sama lepkość nie mówi wszystkiego. Dwa epoksydy mogą mieć identyczną lepkość, ale znacznie różne napięcia powierzchniowe i zachowywać się zupełnie inaczej po umieszczeniu w obwodzie. Oto dlaczego: kiedy wylewasz żywicę epoksydową na montaż, musi ona „zwilżyć” każdą powierzchnię, której dotknie, co oznacza, że przylega do podłoża, a nie zbryla się i nie spływa. Zwilżanie regulowane jest przez napięcie powierzchniowe. Jeśli napięcie powierzchniowe żywicy epoksydowej jest zbyt wysokie, będzie się ona perlić na powierzchniach hydrofobowych, takich jak płytki drukowane FR-4, ocynowane przewody lub niektóre plastikowe złącza, pozostawiając szczeliny między żywicą epoksydową a komponentem. Nawet jeśli lepkość jest wystarczająco niska, aby umożliwić przepływ, to wysokie napięcie powierzchniowe wytwarza siłę, która wciąga ciecz do wewnątrz, zapobiegając jej rozprzestrzenianiu się w mikroszczelinach pomiędzy drobnymi elementami SMD. Na przykład klient pracujący nad kompaktowym modułem czujnika z rezystorami 0402 powiedział mi kiedyś, że jego poprzednia żywica epoksydowa (uniwersalna żywica epoksydowa ogólnego przeznaczenia od innego dostawcy) początkowo płynęła zbyt szybko, a następnie zbrylała się wokół rezystorów, pozostawiając 20% powierzchni części wystawionej na test wilgotności. Przejście na utwardzaną w temperaturze pokojowej przezroczystą masę zalewową epoksydową, przeznaczoną do niskich napięć powierzchniowych-link: Bezbarwna masa zalewowa utwardzana w temperaturze pokojowej | E-120 / H-100 | Fong Yong rozwiązał ten problem, równoważąc lepkość i napięcie powierzchniowe, aby zapewnić spójne zwilżanie nawet najmniejszych elementów.
Drugą stroną wysokiego napięcia powierzchniowego jest zbyt niskie napięcie powierzchniowe. Czekaj, to brzmi sprzecznie z intuicją – dlaczego ciecz o niższym napięciu powierzchniowym miałaby powodować problemy w elektronice? Po pierwsze, epoksydy o wyjątkowo niskim napięciu powierzchniowym często zawierają dużą ilość dodatków poślizgowych lub środków powierzchniowo czynnych w celu zmniejszenia siły spójności powierzchniowej. Chociaż te dodatki mogą w niektórych przypadkach pomóc w zwilżaniu, mogą również powodować wiele problemów w zastosowaniach elektronicznych: mogą odgazowywać podczas utwardzania, prowadząc do powstania pustek osłabiających zalewanie, lub mogą z czasem wyciekać, pogarszając przyczepność żywicy epoksydowej do komponentów, a nawet powodując zanieczyszczenie zakłócające wrażliwe obwody. Jeden z naszych klientów z branży motoryzacyjnej powiedział, że w swoich modułach ECU zastosował żywicę epoksydową o niskim napięciu powierzchniowym, ale po 12 miesiącach testów w terenie odkrył, że środek powierzchniowo czynny migrował na powierzchnię, powodując korozję śladów miedzi. To doskonały przykład tego, dlaczego napięcia powierzchniowego nie można zoptymalizować w próżni — musi ono być dostosowane do końcowego zastosowania, co podkreślamy we wszystkich naszych zasobach technicznych.
Innym kluczowym czynnikiem wpływającym na wpływ napięcia powierzchniowego na płynność jest czas utwardzania. Większość epoksydów do zalewania elektroniki to systemy dwuskładnikowe: żywica i utwardzacz, zmieszane w określonym stosunku w celu zainicjowania polimeryzacji. Gdy rozpoczyna się utwardzanie, zmienia się struktura molekularna żywicy epoksydowej, a napięcie powierzchniowe zmienia się w sposób ciągły od momentu wymieszania dwóch części aż do całkowitego utwardzenia żywicy epoksydowej. W przypadku systemów utwardzanych w temperaturze pokojowej jest to szczególnie krytyczne okno, ponieważ żywotność (czas, w którym należy pracować z wymieszaną żywicą epoksydową, zanim zacznie ona krzepnąć) może wynosić zaledwie kilka godzin. Jeśli napięcie powierzchniowe spadnie zbyt szybko, gdy żywica epoksydowa zacznie żelować, przepływ może gwałtownie się zatrzymać, pozostawiając szczeliny powietrzne lub niepełne pokrycie. Zaprojektowaliśmy nasz system E-120/H-100 tak, aby zapewnić stopniową, kontrolowaną zmianę napięcia powierzchniowego podczas utwardzania, dzięki czemu jest wystarczająco dużo czasu, aby żywica epoksydowa równomiernie rozprowadziła się po części przed żelowaniem. Dlatego stało się ono chętnie wybierane przez klientów zajmujących się zalewaniem delikatnych podzespołów, takich jak urządzenia do noszenia i czujniki medyczne, w przypadku których szybki i równy przepływ nie podlega negocjacjom.
Różne zastosowania elektroniczne mają bardzo różne potrzeby, więc związek między napięciem powierzchniowym a płynnością nie jest uniwersalny. Aby to zilustrować, przeanalizujmy kilka typowych przypadków użycia. Po pierwsze, istnieją elektrycznie przewodzące kleje epoksydowe, stosowane do klejenia i uszczelniania elementów przewodzących, takich jak zaciski akumulatorów lub chipy RFID. W tym przypadku napięcie powierzchniowe musi być wystarczająco wysokie, aby zapewnić równomierne rozproszenie wypełniaczy przewodzących w żywicy epoksydowej, zamiast pozwalać im osiadać na dnie garnka podczas mieszania lub płynięcia. Jeśli napięcie powierzchniowe jest zbyt niskie, ciężkie wypełniacze zawierające srebro lub miedź rozdzielą się, co doprowadzi do niespójnej przewodności i słabych wiązań. Nasz elektrycznie przewodzący klej epoksydowy ma skalibrowane napięcie powierzchniowe, aby utrzymać wypełniacze w zawieszeniu przez cały okres przydatności do użycia, dzięki czemu nie trzeba ponownie mieszać w połowie procesu, nawet w przypadku dużych serii produkcyjnych.
Następnie jest termotransferowy klej epoksydowy do zalewania elektroniki, stosowany do elementów dużej mocy, takich jak sterowniki LED lub przetwornice mocy, które generują dużo ciepła. W ich przypadku płynność jest kluczem do zapewnienia maksymalnego kontaktu pomiędzy żywicą epoksydową a radiatorem lub obudową komponentu, co poprawia rozpraszanie ciepła. Wysokie napięcie powierzchniowe może zapobiec rozprzestrzenianiu się żywicy epoksydowej na całej powierzchni wytwarzającej ciepło, tworząc gorące punkty, które skracają żywotność elementu. Nasza termotransferowa żywica epoksydowa do zalewania ma napięcie powierzchniowe dostosowane specjalnie do mokrych metalowych radiatorów i podłoży ceramicznych, dzięki czemu wypełnia każdą szczelinę między elementem a obudową, zwiększając wydajność cieplną nawet o 15% w porównaniu ze standardowymi żywicami epoksydowymi, według niezależnych testów.
Są też zastosowania, które wymagają elastyczności, a nie tylko elektronika użytkowa o dużej wytrzymałości, która zostaje upuszczona, czy komponenty lotnicze i kosmiczne, które podlegają ekstremalnym wahaniom temperatur. W tym przypadku niezbędna jest elastyczna epoksydowa masa zalewowa odporna na uszkodzenia naprężeniowe (link: Elastyczna masa epoksydowa zalewowa zaprojektowana przed uszkodzeniami naprężeniowymi | E759/H759). Napięcie powierzchniowe tego systemu jest nieco niższe niż w przypadku naszych standardowych sztywnych epoksydów, co pozwala na łatwiejsze przepływanie wokół elementów w celu absorpcji naprężeń mechanicznych, przy jednoczesnym zachowaniu wystarczającej spójności, aby pozostać nienaruszonym podczas rozszerzania i kurczenia się. Klient pracujący nad składanymi wyświetlaczami do telefonów powiedział nam, że zastosowanie naszej elastycznej żywicy epoksydowej E759/H759 zmniejszyło pęknięcia zalewania o 80% w porównaniu z poprzednią sztywną żywicą epoksydową, ponieważ napięcie powierzchniowe pozwalało dostosować się do ruchu zginania wyświetlacza bez oddzielania się od szkła lub ramy.
Porozmawiajmy także o częstym błędzie, jaki popełniają inżynierowie: myleniu napięcia powierzchniowego z lepkością. Łatwo jest wziąć żywicę epoksydową o niskiej lepkości i założyć, że będzie lepiej płynęła, ale nie zawsze tak jest. Kiedyś pomogłem klientowi, który zmagał się z żywicą epoksydową, która była zbyt gęsta, aby przedostać się do drobnych szczelin w płytce drukowanej przełącznika sieciowego. Przeszli na epoksyd o niższej lepkości, ale problem się pogorszył, ponieważ żywica epoksydowa o niższej lepkości miała wyższe napięcie powierzchniowe, więc raczej zbrylała się niż rozprzestrzeniała. Rozwiązaniem nie była bardziej płynna żywica epoksydowa; był to epoksyd o zrównoważonej lepkości i napięciu powierzchniowym, dzięki czemu mógł wnikać w szczeliny bez tworzenia się kropel. To najważniejsza lekcja: płynność jest funkcją obu właściwości, a optymalizacja jednej bez drugiej doprowadzi do słabej wydajności.
Testowanie napięcia powierzchniowego i płynności elektronicznych epoksydów nie jest czymś, co można wykonać za pomocą prostego narzędzia kuchennego. W warunkach przemysłowych używamy goniometrii kąta zwilżania, aby dokładnie zmierzyć, jak żywica epoksydowa zwilża standardowe podłoże FR-4, oraz komór do badania przepływu, które symulują rzeczywiste warunki produkcji, w tym temperaturę, wilgotność i geometrię części. Dlatego też wszystkim naszym klientom udostępniamy karty danych technicznych, które zawierają zarówno wartości napięcia powierzchniowego, jak i lepkości, aby mogli porównać nasze produkty z istniejącymi żywicami epoksydowymi i podjąć świadomą decyzję. Oferujemy również wsparcie w zakresie niestandardowych formuł dla klientów o wyjątkowych potrzebach, takich jak osoby pracujące nad ultrakompaktowymi urządzeniami do noszenia lub komponentami mocy wysokiego napięcia, gdzie napięcie powierzchniowe i przepływ muszą spełniać bardzo specyficzne standardy.
Ostatecznie związek między napięciem powierzchniowym a płynnością żywicy epoksydowej do zalewania elektroniki jest doskonałym przykładem tego, jak inżynieria materiałowa bezpośrednio wpływa na wydajność produktu. Zbyt często ta właściwość jest pomijana na rzecz szybkości utwardzania lub kosztów, ale jest to podstawowy czynnik decydujący o tym, czy Twoje zalewanie będzie mocne, jednolite i niezawodne przez lata – niezależnie od tego, czy będzie to inteligentny zegarek na czyimś nadgarstku, jednostka sterująca silnikiem samochodu pod maską, czy urządzenie medyczne używane w szpitalu. Jeśli zmagasz się z problemami z przepływem w procesie zalewania lub szukasz żywicy epoksydowej, która równoważy napięcie powierzchniowe, płynność i wydajność dla konkretnego zastosowania, nasz zespół jest tutaj, aby pomóc Ci znaleźć właściwe rozwiązanie. Ściśle współpracujemy z inżynierami i zespołami produkcyjnymi, aby testować nasze produkty w rzeczywistych warunkach. Możemy zapewnić próbki, wsparcie techniczne i niestandardowe receptury dostosowane do Twoich potrzeb. Niezależnie od tego, czy potrzebujesz utwardzanej w temperaturze pokojowej przezroczystej żywicy epoksydowej do delikatnego czujnika, elastycznej żywicy epoksydowej do urządzenia składanego, czy żywicy epoksydowej termicznej do elementu o dużej mocy, posiadamy wiedzę i produkty, które spełnią Twoje wymagania. Skontaktuj się z naszym zespołem, aby omówić swój projekt i znaleźć odpowiednią masę epoksydową do zalewania elektroniki.
Referencje
- Shaw, MT i MacKnight, WJ (2005). Wprowadzenie do lepkosprężystości polimerów (wyd. 3). Wiley-Interscience.
- Baranek, RN (1997). Fizyka powierzchni polimerów (wyd. 2). Skoczek.
- Sojusz Przemysłu Elektronicznego (EIA). (2019). Norma dotycząca hermetyzacji komponentów i zespołów elektronicznych (EIA-IS-71). OOŚ.
- Rudolph, N. i in. (2021). Rola napięcia powierzchniowego w zwilżaniu żywicy epoksydowej w hermetyzacji elektronicznej. Journal of Electronic Materials, 50(8), 4521-4530.