Jak przetwarzać żele i zalewy silikonowe

W dzisiejszym artykule chciałbym zwrócić uwagę na praktyczne wskazówki w przetwórstwie żeli i zalew silikonowych. Wskazówki te dotyczą pracy z silikonami addycyjnymi (a nie kondensacyjnymi). Najczęściej silikony typu addycyjnego są bezrozpuszczalnikowymi materiałami stworzonymi do zalewania i hermetyzacji komponentów elektronicznych. Biuletyn ten zawiera zalecenia dla przetwarzania tych materiałów i szczegóły dotyczące przygotowania substratów, powierzchni, błędów aplikacyjnych, itp.

Informacje ogólne

Jak już zostało nadmienione, addycyjne zalewy i żele silikonowe są bezrozpuszczalnikowymi materiałami stworzonymi do zalewania i hermetyzacji komponentów elektronicznych. Dostępne są w różnych wersjach: od utwardzanych w temperaturze pokojowej do utwardzanych w temperaturze podwyższonej, przeźroczyste i kolorowe. Dostarczane są jako jedno- lub dwuskładnikowe systemy, mieszane w proporcjach wagowych 1:1 lub 10:1.

Większość elastomerów silikonowych ma niską lepkość zapewniającą precyzyjne nanoszenie i zalewanie skomplikowanych elementów. Po prawidłowym utwardzeniu, tworzą one odporne powłoki, zapewniające ochronę przed wilgocią, brudem, uderzeniem, wibracjami i innymi szkodliwymi czynnikami. Wszystkie zalewy są odporne na promieniowanie UV i wysokie temperatury. Ponadto, niektóre z zalew i żeli posiadają certyfikat niepalności UL 94.

Przetwarzanie

Przygotowanie podłoża

Dla lepszych rezultatów, elementy przygotowane do zalewania powinny zostać oczyszczone z olejów, smarów lub innych zanieczyszczeń. Zanieczyszczenia te wprowadzane są np. podczas produkcji obudowy. Dla żeli i zalew nie posiadających samoczynnej adhezji (brak dodatku czynnika adhezyjnego), adhezja uzyskiwana jest przy użyciu specjalnego podkładu, nazywanego primerem. Żele bardzo często korzystają ze swojej cechy („lepka natura”), aby wytworzyć coś w rodzaju mechanicznej przyczepności.

Środki czyszczące pomagające w przygotowaniu powierzchni to alkohol izopropylowy, aceton, toluen lub inne środki dedykowane. W większości przypadków zwykłe przetarcie powierzchni wystarcza jako przygotowanie części pod zalanie silikonem.

Przed procesem zalewania, przygotowane moduły powinny być przechowywane w czystych miejscach, gdzie nie ma możliwości gromadzenia się brudu i kurzu.

Jeżeli wymagane jest użycie specjalistycznego podkładu (primeru), powinien on być nałożony cienką warstwą na uprzednio wyczyszczoną i wysuszoną powierzchnię.

Przygotowanie materiału

Przed użyciem żeli i zalew silikonowych, powinno się je składować i przechowywać, zamknięte i odizolowane od brudu i nadmiaru wilgoci. Wszelkie zanieczyszczenia, które wnikną do silikonu przed użyciem, w łatwy sposób znajdą drogę, aby znaleźć się w finalnym produkcie.

Żele i zalewy mogą być mieszane i dozowane ręcznie lub za pomocą dostępnych na rynku mieszarko-dozowników. Szczególnie zalewy dwu komponentowe posiadają lepkość, odpowiednią do mieszania w mieszalnikach statycznych.

Kiedy producent decyduje się mieszać i dozować ręcznie, wymagane jest dokładne wymieszanie składników. Najlepsze praktyki daje umieszczanie jako pierwszego składnika B. Do mieszania powinno używać się płaskiego narzędzia, gdyż daje ono możliwość łatwego skrobania z dna i boków naczynia. Po dodaniu składnika A, dokładne wymieszanie jest wymagane. Wiele produktów dostępnych jest w różnych kolorach, dzięki którym operator widzi kiedy silikon wymieszany jest odpowiednio (uzyskanie jednolitego koloru mieszaniny). Smugi są wynikiem niedokładnego wymieszania. Kiedy mieszamy ręcznie dobrą praktyką jest mierzenie czasu mieszania. Po tym czasie utwardzamy próbkę i porównujemy jej twardość z kartą techniczną. Jeśli wartości są zbliżone, można założyć że doszło do dokładnego wymieszania. Jeżeli są zupełnie inne, wymagany jest dłuższy proces mieszania składników.

Podczas mieszania, zwłaszcza ręcznego, powietrze może być wprowadzane do środka zalewy. Uwięzionego powietrza można się pozbyć odgazowując mieszankę (na ogół 0,9 bar). Zbiornik, w którym znajduje się silikon, powinien być wypełniony w ¼ objętości, aby uniknąć przelania, jako że duże bańki będą tworzyć się natychmiast. Powinno się wprowadzić ciśnienie atmosferyczne, aby bąble popękały, a następnie dalej odgazowywać pod próżnią. Czas odgazowywania zależy od ilości wprowadzonego powietrza i od lepkości mieszaniny. Przy odgazowywaniu materiałów o dużej lepkości, może koniecznym okazać się kilkakrotne odgazowywanie (wprowadzanie ciśnienia atmosferycznego i ponowna próżnia).

Dozowanie

Kiedy silikon dozowany jest grawitacyjnie, należy ostrożnie wlewać (dozować) płynny silikon od najniższego punktu zbiornika (obudowy), tak aby płyn podnosił się powoli, oblewając dokładnie komponenty. Pozwoli to na uwięzienie mniejszej ilości pęcherzyków powietrza. Wykonanie kilku prób może być konieczne w celu wybrania odpowiedniego punktu dozowania. W przypadku zalewania modułów gdzie płytka PCB znajduje się blisko obudowy, ryzyko uwięzienia powietrza pod płytką jest znacząco większe. W celu pozbycia się tego problemu, należy uważnie wybrać punkt do zalewania, najlepiej tak, aby zalewa wpływając do obudowy jednocześnie wypychała powietrze. Najczęściej wymagane jest podłączenie próżni w celu pozbycia się wszystkich pęcherzyków.

Utwardzanie

Addycyjna reakcja utwardzania zachodzi pomiędzy polimerem bazowym a czynnikiem sieciującym. Podczas reakcji nie wydziela się żaden produkt uboczny. Taki mechanizm reakcji jest wolny od zjawiska rewersji czy depolimeryzacji nawet w warunkach podwyższonej temperatury.

Czas utwardzania zależy od rodzaju wybranego materiału. Temperatura materiału, jak i temperatura urządzenia zalewanego mogą mieć znaczny wpływ na szybkość reakcji utwardzania. Podczas utwardzania przy użyciu podwyższonej temperatury, stosunkowo masywne urządzenia będą wymagać dodatkowego czasu w piecu, aby osiągnąć żądaną temperaturę. Aby przyśpieszyć proces, wymagane jest podgrzanie urządzenia przed zalaniem. Operacja ta zmniejsza całkowity czas potrzebny do przetworzenia części.

Dokładne czasy utwardzania podawane są zawsze w kartach technicznych, na co sugerujemy zwracać baczną uwagę.

Temperatura pracy

Standardowe żele silikonowe posiadają temperaturę pracy ciągłej od -45 do 150ºC. Zalewy silikonowe mają wyższą górną granicę, i ich zakres to -45 do 200ºC. Krótki czas działania temperatury 300ºC nie wpływa znacząco na degradację materiału.

Gdy elementy osadzone są w żelach lub zalewach, różnice w wartościach rozszerzalności cieplnej pomiędzy elastomerem i częściami (różne kształty części) mogą wpływać na granice temperatur, w których takie systemy mogą być używane. Z tego powodu, limity temperaturowe powinny być dokładnie określone w testach laboratoryjnych przed produkcją urządzenia na dużą skalę.

Zahamowanie utwardzania

Addycyjne żele i zalewy silikonowe utwardzają się szybko i równomiernie w szerokim zakresie temperatur, w grubych sekcjach, w warunkach narażenia na powietrze lub w całkowicie zamkniętych obudowach. Mogą być utwardzane w formach wykonanych z różnych materiałów i w kontakcie z większością materiałów elektronicznych.

Istnieją pewne sytuacje, gdy reakcja utwardzania nie przebiega prawidłowo lub zostaje zahamowana. Takie warunki występują, gdy w środowisku obecny jest reakcji materiał zwany inhibitorem. W tym obszarze (zazwyczaj mniej niż 0,5 mm grubości) elastomer pozostaje w stanie ciekłym, nawet gdy reakcja utwardzania została zakończona. Materiał ten pozostanie płynny niezależnie od kolejnych prób, aby przekształcić go do twardej, suchej masy.

W niektórych przypadkach można pozbyć się zjawiska zahamowania. Podgrzewanie wstępne urządzenia, w najwyższej temperaturze którą jest w stanie wytrzymać, może pomóc usunąć lotne substancje chemiczne, mogące powodować zahamowanie. W wielu zastosowaniach, użycie primera może działać jako bariera przed materiałami hamującymi reakcję. W innych przypadkach zastosowanie wyższych temperatur lub dłuższego czasu utwardzania może wystarczyć, aby pokonać łagodne zahamowanie.

Przyczyny zahamowania

Hamowanie jest spowodowane przez skażenie materiałów utwardzanych na drodze reakcji addycji śladowymi ilościami niektórych rodzajów chemikaliów. Chemikalia te zakłócają reakcję utwardzania, a tym samym zapobiegają konwersji materiału do formy stałej. Do wytworzenia tego efektu, wystarczająca może być nawet bardzo mała ilość inhibitora . Na szczęście, tylko niewielka liczba rodzajów materiałów chemicznych, może spowodować zahamowanie.

Niektóre materiały, chemikalia, utwardzacze i plastyfikatory mogą hamować proces reakcji utwardzania. Najbardziej znanym z nich są:

✔️ Związki metaloorganiczne

✔️ Gumy silikonowe zawierające katalizator cynoorganiczny

✔️ Siarka, polisulfony lub inne materiały zawierające siarkę

✔️ Aminy, uretany lub inne zawierające aminy

✔️ Nienasycone plastyfikatory węglowodorowe

✔️ Pozostałości topnika po procesie lutowania

Jeśli podłoże lub materiał jest podejrzewany, iż może powodować zahamowanie reakcji, zaleca się przeprowadzenie badanie zgodności. Przeprowadzenie ślepej próby jest wskazane. Obecność produktu ciekłego lub nie do końca utwardzonego na styku wątpliwego podłoża (materiału) i silikonu, wskazuje na niezgodność (materiał jest inhibitorem) i zahamowanie procesu utwardzania.

Naprawa

Do naprawy małych powierzchni i ubytków elastomerów, mogą być stosowane jednokomponentowe, utwardzane w temperaturze pokojowej uszczelniacze silikonowe. Silikony RTV utwardzane wilgocią będą łatwo przylegały do materiałów utwardzanych addycyjnie. Do naprawy większych powierzchni, takich gdzie elementy zostały usunięte, zaleca się użycie tego samego lub podobnego materiału silikonowego.

Odciski palców, kurz lub brud mogą przeszkodzić w uzyskaniu adhezji nowego materiału do materiału już utwardzonego. Aby zapewnić dobrą przyczepność, zaleca się wycięcie starej powierzchni lub przeszlifowanie papierem ściernym przed nałożeniem nowego materiału.

Elastomery silikonowe są łatwe do naprawy. Uszkodzoną sekcję można odciąć nożem podczas wymiany części, a naprawiany obszar może być zalany świeżą zalewą silikonową.

Żele silikonowe również mogą być naprawione. Podobne jak zalewy, żel może być usunięty ręcznie. Możliwe jest również nasycenie żelu rozpuszczalnikiem przed usunięciem. Proces ten spowoduje, iż żel będzie łatwiejszy do usunięcia. Spęczniały żel może być usunięty, naprawa dokonana, a obszar po naprawie zalany nowym żelem. Żele miękkie mają unikalną zdolność do samodzielnego leczenia. Po pewnym okresie linia rozdziału w żelu zniknie, a żelów nie będzie można oddzielić bez rozdarcia żelu.

Autor: Michał Zieliński

Artykuł opublikowano dzięki uprzejmości firmy CFI Elastomers