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低压注塑包封保护在电子产品中的作用
  2020-09-01      30

许文蓉(KONIG康尼格市场主管)

电子产品给生活带来诸多便利,向轻、薄、短小更多环保考量的趋势发展。电子产品设计者和制造商需要将电子产品制造地更加小型化,同时又需要让电子产品使用更多的电子元器件来增加更多的功能。电子产品在操作环境中的可靠性需要得到保障,留给产品保护工艺的压力很大并且空间极其有限。本文将深入分析聚酰胺热熔胶低压注塑工艺在帮助制造商应对电子产品制造挑战中所起的作用。

聚酰胺热熔胶

聚酰胺热熔胶低压注塑工艺(以下简称低压注塑工艺)起源于20世纪80年代欧洲汽车工业,开发之初用于汽车连接器的包封保护。低压注塑工艺使用的化学材料是以二聚脂肪酸为基础的高性能聚酰胺热熔胶,该脂肪酸来自可再生资源,比如大豆,葵花籽和油菜籽,缩聚成二聚物。在缩聚过程中,该二聚脂肪酸和二胺发生反应,释放出水,生成聚酰胺热熔胶。这类热熔胶环保无卤无毒,耐温范围宽广,具有低温柔韧性,和高温无蠕变性,比其他热熔胶更加坚固结实,有类似于塑料的特性。聚酰胺热熔胶是一种热塑性材料,固化过程不会产生交叉链接,也不会释放任何有毒烟气,与环氧树脂或聚氨酯这些热固性材料相比有很大的优势。

颗粒状的热熔胶需要被加热至熔化,以便在保持良好流动性的液体状态下进行进一步加工。与传统的高压注塑技术不同的是,这种单组份热熔胶在特制的模具中只需要1.5-60bar的低压就可以包封电子元器件。这种热熔胶在熔融状态下的粘稠度很低,仅在1000-8000mPa.s之间,让低压的工作条件成为可能。另外,注塑的温度范围在150-240℃之间,并且这个温度在接触到电子元器件和金属模具时热量瞬间导出降温。通过这种低压注塑工艺,可以温和地将PCBA、FPC、连接器、传感器、线束等敏感精密的电子元器件包封保护起来,而不会对其产生伤害。

这类粘合剂具有机械性能,在低压注塑中,这些粘合剂成型为外部三维结构发挥塑料的功能,不仅仅是两个基材表面一层薄膜,热塑性塑料外壳完全可以被这种粘合剂取代。这类粘合剂的另一个重要特点是它的粘性,它可以将被包封的众多基材(如PCB,电线绝缘材料,塑料等)牢固的粘合起来,形成一个完美的防水减震系统。

在实际应用中,需要融合不同的原材料来实现多样化的特性以及不同的颜色方案,比如抗紫外线和热稳定性,高硬度,耐化学溶剂,高绝缘强度等等。由于这种融合,这类聚酰胺材料没有明确的熔点,而是具有较为宽泛的软化范围,也是一个玻璃化温度范围。聚合物对温度的敏感性一般用环球软化点来表征,软化点表述的是固体向液态的转化温度,这个数值对于工艺过程非常重要,因为注塑温度必须超过这一数值。

这种聚酰胺热熔胶具有防水、防尘、耐温、绝缘、减震、抗冲击、耐化学腐蚀等优异特性。

膨胀系数在-45℃到95℃之间约为300ppm/K,通过TMA测量标准来确定。由于良好的高断裂伸长率和耐低温挠曲性,在苛刻的温度冲击测试下表现非常优异。这种材料会随着温度升高逐渐变软,在出现高的机械负荷时,需要考虑材料具体的热性能。阻燃性符合UL 94-V0,通过FMVSS 302测试。

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图1 不同牌号聚酰胺热熔胶

在测试体表面敷上少量液体或将测试体快速浸入液体来测定耐腐蚀性,然后将测试体保存在相应的工作温度下。在短暂接触的情况下,对燃料类化学物质具有耐受性。在中期接触的情况下,对柴油的耐受性也令人满意。但对于长期接触酒精的应用条件,则不适用。低VOC也是这种材料的显著特点。在100℃下测试30分钟,VOC值低于30ppm。根据DIN 7520标准,在100℃下测试16小时,雾化值低于0.1mg。符合RoHS和REACH认证。

低压注塑工艺流程

这种低压注塑工艺中的聚酰胺热熔胶是单组份材料,在熔化和固化过程中没有化学反应没有溶剂挥发不会产生有毒气体,符合日渐严苛的环保要求。基于二聚脂肪酸的聚酰胺主要为非结晶质结构,分子结构及其复杂,非常不均匀,与普通聚酰胺材料相比,聚酰胺热熔胶有更强的柔韧性和冷挠曲性。熔化后普通聚酰胺材料的粘稠度比聚酰胺热熔胶要高很多,因此只能用传统的高压注塑设备来加工,而低粘度的聚酰胺热熔胶可以用低压注塑设备来加工。

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图2,热熔胶低压注塑与传统高压注塑对比

聚酰胺热熔胶在特制的胶缸加热熔化,熔化后的低粘度聚酰胺热熔胶只需要极小的压力就可注满模具,通过模具设计,可以成型为制造商要求的厚度、形状,也可以实现选择性包封,实现产品保护的同时满足下一步装配的结构要求。合理的模具设计对于脱模和包封产品的日后性能都至关重要。脱模对工艺周期有巨大影响,会直接影响生产效率。模具设计直接影响热熔胶材料在电子元器件关键部位上的包封效果。在冷却阶段,这种聚酰胺热熔胶会收缩,收缩率约为8%到10%。为了改善这种材料收缩,在注胶之后,立即加上一个保压阶段。经过这一保压阶段,收缩率可以下降到约1%,可以从外部轮廓体现。在模流分析软件的帮助下,可以对注塑过程进行模拟,必要时进行优化。模拟计算的重点参数包括导热性、热容量以及不同剪切速率下的粘度。输入的数据用来计算注胶点位置范围,同时用以评估注胶温度、注胶压力以及保压参数的设定。

传统保护工艺和低压注塑工艺

电子产品为了在使用环境中达到耐久性可靠性,电子元器件需要保护这一点毋庸置疑。灌封三防漆涂覆出现早于20世纪50年代,出现的更早更为电子行业熟知。聚酰胺热熔胶低压注塑工艺出现于20世纪80年代,用来解决原有保护工艺不能解决的问题,是对原有保护工艺的补充。

灌封通常需要双组份材料按比例混合,通过手工操作或设备注入塑料外壳,两种材料发生化学反应会产生应力。相较于聚氨酯灌封,聚酰胺热熔胶是单组份材料,易于储存,整个生产过程只发生物理反应没有化学反应,消除应力,不仅能和基材有良好的粘结,还因为聚酰胺热熔胶具有机械性能,通过模具形成即拥有机械强度的外型不需要灌封外壳。在应用于需要配合装配结构的电子产品时,具有更好的装配结构适配性。

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图3 低压注塑和化学灌封工艺流程

三防漆涂覆用来达到“防潮、防盐雾、防霉”的作用,三防漆涂覆通常使用喷射涂覆、手工刷涂或浸润涂覆,容易产生化学气体挥发,不管是热暴露还是紫外暴露都需要时间等待固化。由于涂覆的厚度薄,肉眼很难检测固化程度涂覆质量,需要测量系统来检测和保证一致性。聚酰胺热熔胶低压注塑通过模具成型,产品包封厚度按照客户需求设计,具有高一致性。聚酰胺热熔提取自植物,是工作环境亲和性化学材料,熔化及固化过程中无有毒烟气产生,生产车间不需要额外的防护。

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图4 聚酰胺热熔胶材料

就像制造商需要选用合适的点胶设备来完成三防漆涂覆工艺一样,聚酰胺热熔胶也需要相应的低压注塑设备来完成这一工艺。聚酰胺热熔胶只是一种材料,是否能正确使用这就要取决于设备及项目经验。颗粒状的材料需要熔化后由齿轮泵计量并泵送,通过输胶管由注胶枪加压注射入模具成型,所以熔胶单元对材料熔点和温度把握,输胶管对低粘度高温流体的运输能力,注胶枪的材料射出和压力控制,每一个环节都至关重要。当在选用这些设备时,不能仅仅考虑设备本身,而是要考虑低压注塑生产流程的所有其他部分。目标不仅仅是达到电子元器件包封保护的要求,还要考虑设备的熔胶效率,对聚酰胺热熔胶材料性能的有效保留,模具设计对量产节奏的影响,产品测试的配合,特别在大批量生产时还需要考虑产品的可追溯性,以便解决出现的问题和改善生产过程。

电子产品设计的难题和低压注塑解决方案

由于电子产品小型化多功能的发展趋势,电子产品设计者和制造商需要把更多的电子元器件集成在一个有限的空间内,同时需要电子元器件的可靠性需要得到保障。根据对电子产品的功能及结构的把握,低压注塑在项目开发之初就把电子元器件保护和结构件功能结合在一起。低压注塑采用模具成型,通过优异的模具设计,可以实现选择性包封,包封厚度可控,最终成型的零部件可以配合下一步装配需求。

开发低压注塑解决方案以设备制造商的建议为起点,需要根据应用要求选定聚酰胺热熔胶的种类,然后进行开模、试模的实验来测试包封后的电子元器件性能。模流分析软件观测到的材料流动及冷却时间冷却状态具有参考作用,在实际打样时我们往往会发现一些问题,需要调整一些参数。当出现不可接受的溢胶、缺胶、气泡、与基材粘合度不佳时,这些问题可能源于聚酰胺热熔胶材料受潮或选型不匹配,可能源于低压注塑设备熔胶注胶环节,可能源于模具设计,又或者是电路板在使用前清洁不当受到污染。这个时候,就需要增加实验,重新评估这一工艺的各个环节,来确定问题的根源并且做相应的改善。在进行这些实验时,一般需要调整一些设备参数,包括:熔胶时间、熔胶温度、齿轮泵转速、注胶压力、保压时间、冷却时间等;同时需要调整模具设计来解决气泡、缩水等问题。调整和测试这些参数,用以兼顾聚酰胺热熔胶熔融及固化的材料品质,以及包封后电子元器件的成型品质。一旦根据材料特性确定了一组理想的参数,并按照客户需求验证了模具设计,就可以使用这个工艺对设备进行低压注塑包封样品的测试。

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图5 溢胶

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图6 缺胶

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图7 气泡缺陷

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图8 边缘粘合度不佳

IPC-7621规定了低压注塑包封后的产品验收标准,在产品表面、溢胶、缺胶、气泡、粘合、融合纹、电路板挠曲等方面做了具体规定。低压注塑后电路板外表均匀并显示所需纹理,无气泡或有轻微气泡,不影响标签读取或条形码扫描,外型符合所有功能要求和关键尺寸,即为合格的低压注塑产品。

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图9 合格的低压注塑选择性包封PCBA

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图10 合格的低压注塑全包封PCBA

也就是说,当PCBA需要保护,保护的同时需要实现PCBA在产品上的结构件功能,并且需要为整个生产流程考虑下一步装配的便利性,那么你需要认真考虑下低压注塑工艺。

低压注塑产品测试及量产

 

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图11 低压注塑工艺保护PCBA


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图12 灌封工艺保护PCBA

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图13 三防漆涂覆保护PCBA

如图11,以应用于汽车电子领域的低压注塑PCBA为例。首先需要聚酰胺热熔胶选型:了解PCBA需要达到的保护级别,以及终端产品的使用环境,来确定聚酰胺热熔胶的型号,从材料角度保证低压注塑后PCBA的物理及化学性能。其次验证PCBA包封效果:模具设计完成后进行模流分析,模具验证,产品验证。如果客户提供的原始PCBA出现IC、电容等元器件排列间隙过小不利于热熔胶流动包封的情况,那么就需要和客户一起优化PCBA元器件排布,以达成优异的包封保护效果。低压注塑后的PCBA需要通过一系列汽车行业的标准和测试,可以通过第三方实验室或者客户实验室进行测试。测试内容一般有高低温测试、防水测试、阻燃性、耐老化性、耐应力开裂、电性能、负压变形试验、耐紫外光试验等。

一旦样品通过了验证,下一步就是量产准备。这个时候,一套包括关键参数设置的工艺控制文档,以及经过适当培训的操作人员就是工艺实现的重要因素。设备需要对工艺参数和生产参数具有存储功能,在需要的时候调整和导出。

对比图11,12,13,相较灌封工艺,低压注塑不需要灌封工艺的塑料外壳,聚酰胺热熔胶和PCBA具有粘结力,贴合PCBA;通过模具设计,可以实现选择性包封,可以成型为客户需要的外型结构,而不是灌满整个塑料盒。相较三防漆涂覆,低压注塑包封后的PCBA,有一定的厚度,具有结构功能和抗震效果;聚酰胺热熔胶固化时间短,固化效果易观测,无溶剂挥发,生产环境绿色环保。这一切通过模具设计实现,带来更高的制程稳定性和更高的良品率。低压注塑后的产品符合行业标准及客户端标准的同时,以其出色的结构功能往往可以减少螺丝、螺母等紧固件的使用,还会在下一步装配流程中提高装配效率,节约产品的内部空间。

最后,当你选择低压注塑工艺这一有别于传统的保护工艺时,一个有经验的理解整个工艺流程的供应商能够提供更多价值。

结语

当然,我们建议保护所有电子元器件,以延长终端产品的使用寿命,并保护元器件免受环境影响。所要求的防护等级取决于终端产品的应用环境。它可能仅在室内环境中使用,只需要考虑防尘;有些终端产品会在更严苛的环境中使用,如经受高低温度变化的汽车驾驶环境;亦或是需要长时间经受压力和海水考验的环境,如海底光缆。在一般使用环境下,你可能会问:是否需要用聚酰胺热熔胶低压注塑代替聚氨酯灌封、三防漆涂覆?这是一个有趣的观点,因为低压注塑不需要灌封的塑料外壳,没有三防漆的化学溶剂挥发,保护电子元器件的同时还提供结构件优势。然而,如何选择将取决于设计师需要的保护级别。

聚酰胺热熔胶经过40多年的发展,已经开发了不同特性的众多材料,广泛应用于汽车电子、消费电子、通讯电子、航空航天、医疗电子等行业,解决各种行业难题。当产品需要防水抗震耐用高一致性,特别是具有结构性要求时,低压注塑就是最好的解决方案。IPC-7621指出,当需要防止冲击、振动、电路组件的物理接触、腐蚀性、潮湿或潮湿环境时,可以考虑使用聚酰胺热熔胶低压注塑。在高振动环境下,聚酰胺热熔胶的机械附着力和共振阻尼特性可以减轻构件和引线的附着力。如果没有额外的机械手段,那么整个PCBA只有一个焊点和PCB之间有机械结合力。当采用聚酰胺热熔胶包封,那PCBA的所有区域都会得到保护。当需要保护知识产权并避免别人抄袭底层电路,聚酰胺热熔胶还具备柔韧性、耐化学性和对基板和元器件的粘结力,不仅可以提供极佳的保护,还可选不透明颜色确保遮蔽电路细节。

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