Korzyści zalewania i enkapsulacji elektroniki

© CFI Elastomers

Ten artykuł skierowany jest przede wszystkim do inżynierów elektryków i elektroników ze wszystkich branż zajmujących się projektowaniem, produkcją i ochroną krytycznych elementów elektrycznych i elektronicznych. Przedstawia obecne i przyszłe technologie hermetyzacji i zalewania, które chronią wrażliwe elementy elektryczne i elektroniczne przed głównymi zagrożeniami: wstrząsami, wibracjami, wilgocią, czynnikami korozyjnymi, ekstremalnymi temperaturami, pękaniem, starzeniem się korozji itp.

Publikacja ta dostarcza również kluczowych informacji dla niespecjalistycznych decydentów, w tym kierowników wykonawczych, kierowników ds. przemysłu i zaopatrzenia, a także dyrektorów finansowych lub sprzedawców, aby umożliwić im zrozumienie, jak działa technologia enkapsulacji i zalewania oraz jak może poprawić wydajność, zapewniają bezpieczeństwo i ochronę dla dużej różnorodności zastosowań i rynków oraz przyczyniają się do ich konkurencyjności.

Dlaczego skuteczna ochrona krytycznych części elektrycznych i elektronicznych jest ważniejsza niż kiedykolwiek?

Zastanówmy się chwile, gdzie jest i pracuje elektronika w obecnych czasach. Od miniaturowych urządzeń osobistych po ogromne statki oceaniczne, zautomatyzowane zakłady przemysłowe - elektronika umożliwia nam ulepszanie życia ludzi na całym świecie. Przyczynia się do wytwarzania lepszych produktów i usług, które muszą być coraz lepiej chronione. Jest to szczególnie ważne w przypadku stosowania w produktach, które nie mogą zawieść, takich jak elektryczne pojazdy transportowe, aby uniknąć zagrożenia życia i bezpieczeństwa ludzi. Elektryfikacja jest również kluczem do zmniejszenia naszego śladu węglowego, zanieczyszczenia i naszej zależności od paliw kopalnych. Krótko mówiąc, trwała i odpowiednio chroniona elektronika jest kluczem do przeciwdziałania globalnemu ociepleniu i kontrolowania zmian klimatycznych dla zrównoważonej przyszłości.

Co to jest zalewanie, hermetyzacja i enkapsulacja w elektronice?

Zalewanie, hermetyzacja czy enkapsulacja to główne techniki stosowane do ochrony wrażliwych i krytycznych elementów elektronicznych przed różnymi zagrożeniami, takimi jak trudne warunki środowiskowe i klimatyczne, agresywna chemia, wibracje, kurz, narażenie na ciepło i ogień. Działają obok innych technik ochronnych, takich jak lakierowanie oraz uszczelnianie i klejenie. Często pojęcia używane są wymiennie, lecz występując między nimi różnice - przynajmniej w literaturze.

Przyjrzyjmy się zatem, jakie to różnice:

• Zalewanie, hermetyzacja (potting) to proces wypełniania (częściowego lub całkowitego) materiałem żywicznym (silikon, PU, epoksyd) elementu elektronicznego lub zespołu elementów w obudowie, w celu zapewnienia ochrony. Stosowane preparaty mogą również przyczynić się do poprawy izolacji elektrycznej, zmniejszenia palności i rozpraszania ciepła.
• Enkapsulacja jest procesem podobnym do zalewania, ale różni się tym, że element jest zwykle zanurzany w formie, a następnie umieszczany w przestrzeni, niekoniecznie wypełniając całą wnękę. Celem enkapsulacji jest zatem stworzenie ochronnej „powłoki” wokół elementu, bez osadzania go. Zapewnia odporność na zagrożenia, takie jak wstrząsy, wibracje, wilgoć, czynniki korozyjne oraz poprawia izolację elektryczną, ognioodporność i odprowadzanie ciepła. Zaletą enkapsulacji jest łatwiejszy dostęp do podzespołów w celu naprawy lub łatwiejsza wymiana, ponieważ nie są one na stałe zintegrowane z elementem gotowym.

A zatem zalewanie czy enkapsulacja? Oto jest pytanie.

Kluczem do ustalenia, czy zalewanie lub enkapsulacja jest najlepsze dla danego zastosowania, jest kilka czynników, w tym warunki operacyjne i środowiskowe produktu końcowego, właściwości fizyczne wymagane dla używanych materiałów oraz wymagania dotyczące przetwarzania i możliwości producenta.

Silikony są coraz częściej wybieranymi materiałami do zalewania lub zamykania wrażliwej elektroniki, takiej jak czujniki, siłowniki, jednostki centralne (CPU), płytki obwodów drukowanych (PCB) i inne zespoły, głównie ze względu na ich doskonałe właściwości zwilżające, które minimalizują powstawanie pęcherzyków powietrza i inne niedoskonałości.

Jakie są główne zalety zalewania i hermetyzacji oraz jakie materiały są „najlepsze”?

Dziś dominują w tej dziedzinie trzy rodzaje materiałów: silikony, żywice epoksydowe i poliuretany. W poniższej tabeli wymieniamy i porównujemy ich wewnętrzne cechy:

Osiem obszarów, w których silikony przewyższają epoksydy lub poliuretany w zalewaniu i enkapsulacji:

1. Odporność na ciepło, zakres temperatur – silikony oferują lepszą odporność na ciepło, zakres temperatur (-50° do 200°C i do 300°C w niektórych preparatach).

2. Trudnopalność – silikon jest samogasnący.

3. Rozszerzalność termiczna – silikon ze względu na niską twardość oferuje większe liniowe współczynniki rozszerzalności cieplnej. Znacznie wyższe niż inne polimery.

4. Elastyczność – elastomery silikonowe są szczególnie elastyczne i pod tym względem przewyższają epoksydy lub poliuretany.

5. Odporność na zagrożenia środowiskowe – silikony przewyższają wszystkie inne materiały do zalewania i enkapsulacji z tej kategorii, w szczególności odporność na wilgoć i promieniowanie UV. Te cechy, a także odporność na ciepło i wysoki zakres temperatur (wspomniany powyżej) sprawiają, że silikony są idealnym materiałem do układów elektronicznych w trudnych warunkach.

6. Wibracje - w zastosowaniach przemysłowych silikony zapewniają dużą odporność na wibracje, ponieważ są bardziej miękkie i bardziej elastyczne (niski moduł). Ze względu na swoją odporność na zmiany temperatury i ochronę przed substancjami korozyjnymi, silikon szczególnie dobrze sprawdza się w wymagających zamkniętych przestrzeniach, takich jak obudowy silników lub turbiny.

7. Stabilność dielektryczna – silikony zapewniają zarówno doskonałą izolację elektryczną, jak i wystarczająco stałą przewodność w szerokim zakresie temperatur i częstotliwości.

8. Możliwość naprawy – silikony można rozpuszczać w rozpuszczalnikach, gdy jest to konieczne do przeróbki lub naprawy określonych elementów.

Trzy obszary, w których żywice epoksydowe lub poliuretany oferują alternatywne funkcje w zalewaniu i hermetyzacji:

1. Wytrzymałość mechaniczna – to plus dla epoksydów i poliuretanów, ale w niektórych przypadkach silikon ma wystarczającą odporność. Należy to określić pod kątem potrzeb użytkownika końcowego.

2. Siła adhezji – żywice epoksydowe zapewniają najwyższy poziom siły adhezji w wiązaniu, ale silikony i poliuretany zapewniają adhezję od średniej do wysokiej, wystarczającą dla większości zastosowań. Epoksydy mają na ogół najsilniejszą siłę wiązania spośród trzech materiałów, ale przyczepność silikonu można modyfikować i optymalizować tak, aby przylegała do różnych podłoży i zapewniała większą elastyczność po ich utwardzeniu.

3.Twardość – epoksydy są generalnie twardsze niż silikony po utwardzeniu, co może być wadą lub zaletą w zależności od zastosowania.

Czytelnicy powinni pamiętać, że w niektórych aplikacjach możliwe jest połączenie tych trzech technologii, biorąc pod uwagę łatwość przetwarzania, krytyczne kryteria wydajności produktu końcowego i opłacalność. Co więcej, zarówno żywice epoksydowe, jak i poliuretany mają wyższy moduł ścinania niż silikony, które są ważnymi cechami w twardych częściach, ale mogą być wadą przy naprawach.

Autor: © Michał Zieliński, CFI Elastomers

michal.zielinski@cfielastomers.pl