Epoxys vielfältige Rolle bei der Leiterplattenherstellung von IoT-Geräten
Hersteller von IoT-Geräten können Epoxide in zahlreichen Design- und Fertigungsphasen einsetzen, um spezifische Anforderungen oder Bedürfnisse erfüllen.
Der Markt für das Internet der Dinge (IoT) boomt. Dieser Erfolg treibt Ingenieure dazu an, praktische Lösungen zur Verbesserung der Leiterplatten (PCBs) zu suchen, die zu einem integralen Bestandteil der heutigen IoT-Geräte werden.
Epoxid ist ein Material, das während des PCB-Herstellungsprozesses für IoT-Produkte verschiedene Funktionen erfüllt. Hier erfahren Sie mehr über die entscheidende Rolle, die es in der IoT-Fertigung spielt.
Auf spezielle Anforderungen abgestimmt
Hersteller können entweder spezielle Epoxide auswählen oder spezifische Epoxideigenschaften ändern, um bestimmte Leistungs- oder Herstellungsanforderungen zu erfüllen. Zum Beispiel können Additive ein Epoxid härter oder dicker machen, wodurch es sich maximal als Schutzlack eignet. Hier sind einige andere Möglichkeiten, bestimmte Epoxideigenschaften abzustimmen.
Elektrische und Wärmeleitfähigkeit
Die Verwendung von Silber als Füllstoff für ein- oder zweikomponentiges Epoxid kann einen elektrisch leitfähigen Klebstoff erzeugen, der das Löten ersetzt. Elektrisch leitfähige Klebstoffe sind entweder isotrop oder anisotrop. Diejenigen der ersten Kategorie sind in alle Richtungen elektrisch leitfähig. Anisotrope Klebstoffe leiten den Strom jedoch nur in eine Richtung. Sie werden manchmal verwendet, um Antennenstrukturen in Produkten zur Funkfrequenzerkennung (RFID) zu verbinden.
Epoxide helfen auch bei der Wärmeleitfähigkeit. Eine Möglichkeit besteht darin, solche Klebstoffe zu verwenden, um zwei Oberflächen zu verbinden und Wärme auf die kühlere zu übertragen. Da den meisten Epoxiden jedoch keine angemessenen intrinsischen Wärmemanagementfähigkeiten fehlen, machen Füllstoffe das Defizit aus. Pulver wie Kupfer, Bornitrid und Aluminium verbessern die Wärmeübertragungseigenschaften erheblich.
Extreme Temperaturtoleranz
Während und vor dem Aushärten werden den Epoxiden auch Additive und Härter beigemischt, um die Klebstoffe beständig gegen kryogene Temperaturen zu machen. Umgekehrt gibt es Epoxide, die Temperaturen standhalten, die wärmer als die ungefähr 300 Grad Fahrenheit sind, die nicht extrem hitzetolerante Typen können.
Geringe Ausgasung
Epoxide, die in der Luft- und Raumfahrtindustrie verwendet werden, müssen Typen mit geringer Ausgasung sein. Durch das Ausgasen werden aufgrund des Weltraumvakuums flüchtige Verbindungen um ein Raumfahrzeug herum freigesetzt.
Die NASA verwendet zwei Testparameter, um sicherzustellen, dass Epoxide die Ausgasungsanforderungen erfüllen:Gesamtmasseverlust (TML) und gesammelte flüchtige kondensierbare Materialien (CVCM). Genauer gesagt schreiben die Standards der NASA vor, dass ein Epoxidklebstoff oder eine Vergussmasse eine TML von weniger als 1 % und eine CVCM von weniger als 0,1 % aufweisen.
Unternehmen, die ausgasungsarme, hochreine Epoxide anbieten, testen diese Produkte zunächst unter strengen Bedingungen in spezialisierten Kammern. Anschließend veröffentlichen sie die Ergebnisse und bedienen Kunden, die ausgasungsarme Klebstoffe benötigen.
Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE)
Die meisten Materialien erfahren eine thermische Ausdehnung aufgrund der Zunahme der Energie molekularer Wechselwirkungen aufgrund von Temperaturänderungen. Der CTE drückt aus, wie stark sich die Temperatur bei jedem Temperaturanstieg um ein Grad ändert.
CTE-Fehlanpassungen können zwischen zwei Substraten oder zwischen einem Klebstoff und einem Substrat auftreten. Daher besteht ein üblicher Ansatz darin, Klebstoffe mit einem möglichst niedrigen WAK auszuwählen. Eine andere Möglichkeit besteht darin, spezielle negative WAK-Füllstoffe oder Keramiken in ungefüllte Adhäsive einzubringen. Dies führt jedoch zu einem signifikanten Anstieg des Zugmoduls, wodurch das Epoxid steifer wird.
Glasübergangstemperatur (Tg)
Die Glasübergangstemperatur (Tg) von Epoxid ist ein Bereich, in dem es von einer starren, glasartigen Konsistenz zu einer weicheren, gummiartigen Konsistenz geht. Sie kann zwischen 50 und 250 Grad Celsius betragen. Die Wahl des Epoxids, die verwendeten Füllstoffe und die Aushärtezeit können jedoch alle die Tg beeinflussen.
Epoxide mit einer Tg von mehr als 150 Grad Celsius haben typischerweise eine überlegene Hochtemperaturbeständigkeit. Typen mit einer Tg im Bereich von 120-130 °C bieten jedoch hervorragende chemische Beständigkeitseigenschaften.
Richtige Haftung auf verschiedenen Substraten
Epoxidklebstoffe kleben und versiegeln eine Vielzahl von Untergründen, von Metallen und den meisten Kunststoffen bis hin zu Holz und Beton. Es gibt jedoch einige ungeeignete Materialien, wie z. B. Kunststoffe mit niedriger Oberflächenenergie, darunter Polyolefine, Silikone und Fluorkohlenwasserstoffe. Um bei der Entscheidung, Epoxide auf diesen Materialien zu verwenden, voranzukommen, müssen sie vorbehandelt werden, um die Oberfläche des Substrats zu verändern.
Härtezeit und Speicheranforderungen
Epoxidklebstoffe sind als Ein- und – häufiger – als Zweikomponenten-Formulierung erhältlich. Einkomponenten-Optionen werden normalerweise als Pasten geliefert und erfordern, dass sie mit Kellen aufgetragen werden, um Lücken zu füllen. Diese Epoxide benötigen zum Aushärten Wärme sowie eine Kühllagerung, um ihre Haltbarkeit zu erhalten.
Zweikomponenten-Typen erfordern das Mischen und die Verwendung der Produkte innerhalb eines bestimmten Zeitrahmens, der von wenigen Minuten bis zu mehreren Stunden reichen kann. Diese Epoxide härten bei etwas wärmer als Raumtemperatur (ca. 75-85 Grad Fahrenheit) aus, obwohl mehr Hitze den Prozess beschleunigt.
Zweikomponenten-Epoxidharze haben im Vergleich zu Einkomponenten-Typen auch weniger strenge Lageranforderungen. Hersteller können diese Besonderheiten bei der Auswahl von Epoxidharzen berücksichtigen, die ihren Produktionsanforderungen entsprechen.
Viskosität
Centipose (CPS) ist ein Viskositätswert, der auf Epoxide angewendet wird, um anzuzeigen, wie schnell es fließt. Ein Epoxid mit niedrigem CPS fließt schnell, während sich die Fließgeschwindigkeit mit steigendem CPS verlangsamt. Die Viskosität eines Epoxids bestimmt seine möglichen Anwendungsfälle und die Methoden zum Auftragen der Produkte.
Eine verringerte Viskosität hilft auch, Hohlräume zu reduzieren. Viele Hersteller verkaufen Epoxidharze in einem breiten Viskositätsbereich, beispielsweise von 100-1.500.000 CPS. Hitze beeinflusst jedoch auch die Viskosität, und wenn sie ihr ausgesetzt wird, wird die Konsistenz des Epoxids verdünnt.
Niedrigviskose Epoxide können 12-24 Stunden zum Aushärten benötigen – länger als ihre hochviskosen Gegenstücke. Hochviskose Epoxide eignen sich für Oberflächenbeschichtungsanwendungen. Die Verarbeitung erfordert jedoch, dass die vom Hersteller angegebene maximale Dicke, die oft 1-2 Zentimeter beträgt, nicht überschritten wird.
Auf der gesamten Leiterplatte als Material verwendet
Ingenieure arbeiten bei der Entwicklung von PCBs häufig mit Epoxiden. Bestimmte Epoxide verhalten sich unterschiedlich, und Ingenieure müssen in der Regel alles verwenden, was ein Hersteller anbietet.
Wenn Sie jedoch die Funktionen eines bestimmten Epoxids kennen, kann das Designprojekt reibungslos verlaufen. Während einige klebende Eigenschaften aufweisen, bieten andere Wärmeleitfähigkeit. Eine Diskrepanz zwischen den Eigenschaften einer Klebstoffverbindung und den Materialien des Produkts kann zu Problemen bei der Herstellung oder Verwendbarkeit führen, sobald ein Produkt auf den Markt kommt.
Die Prepregs einer Leiterplatte werden beispielsweise häufig aus einem halbgehärteten Glas-Epoxid-Material hergestellt. Prepregs sind dielektrische Materialien mit bindenden und isolierenden Eigenschaften. Der interne Kern einer Leiterplatte besteht normalerweise aus vollständig ausgehärtetem Glas-Epoxid-Material mit beidseitig laminiertem Kupfer.
Darüber hinaus haben Unternehmen begonnen, Epoxid während der Leiterplattenherstellung mit anderen Substanzen zu kombinieren, um die Kosten für dielektrische Materialien zu senken. Eine gängige Praxis ist die Verwendung mit Polyphenylenoxid (PPO) oder Polyphenylether (PPE), bei denen es sich um Thermoplaste handelt.
Die Verwendung von PPO ohne Epoxid erhöht typischerweise die Gesamtherstellungskosten. Wenn Sie sich jedoch darauf verlassen, werden die Kosten gesenkt und gleichzeitig die Leistungsanforderungen erfüllt.
Am Beispiel eines neu entwickelten implantierten Blutsauerstoffsensors können Sie sich ein Bild von den vielfältigen Einsatzmöglichkeiten von Epoxid auf PCB-Bauteilen für ein IoT-Gerät machen. Dieses fortschrittliche Produkt verklebte einen piezoelektrischen Kristall mit leitfähigem Silberepoxid und befestigte ihn dann an einer Leiterplatte. Die Entwickler verwendeten auch ultraviolett-härtbares Epoxid, um die drahtgebondeten Bereiche innerhalb der Leiterplatte zu umgeben.
Gewählt, um die Wärmeübertragung zu verbessern
Wie bereits erwähnt, haben bestimmte Epoxide unterschiedliche Eigenschaften. Das Wärmemanagement ist für die meisten Unternehmen, die IoT-Geräte entwickeln und herstellen, ein wichtiges Anliegen. Überhöhte Temperaturen können empfindliche Elektronik beschädigen und zu Fehlfunktionen der Geräte führen. Einige Ingenieure haben Wege entwickelt, um IoT-Geräte von Wärme wie Körperwärme zu profitieren. Das Ziel besteht jedoch in der Regel darin, Hotspots und eine allgemeine Überhitzung zu vermeiden.
Die Notwendigkeit, die Wärme zu kontrollieren, wird umso wichtiger, je kleiner IoT-Geräte werden. Herkömmliche Methoden umfassen die Verwendung von Lüftern und Kühlkörpern. Eine andere Möglichkeit besteht darin, zwischen den wärmeabgebenden oder kühlenden Bauteilen Wärmeleitpasten aufzubringen. Die Leute können auch die gewünschten Ergebnisse erzielen, indem sie bestimmte Arten von Epoxiden verwenden.
Beispielsweise verbessern Ein- und Zweikomponenten-Epoxidharze die Wärmeübertragung über Grenzflächen hinweg. Die Leute können sie auch wählen, um andere Wärmeableitungsmethoden zu ergänzen, z. B. die Verwendung von Epoxid, um einen Kühlkörper mit einer Leiterplatte zu verbinden.
Wenn diskutiert wird, wie schnell die Wärmeableitung bei bestimmten Epoxiden erfolgt, beziehen sie sich auf die Leitfähigkeit der Substanzen. Wenn ein Epoxid einen Wärmeleitwert von 0,3-0,4 Watt pro Millikelvin hat, bedeutet dies, dass die Wärme vergleichsweise langsam abgeführt wird. Werte von 1,7-2 Watt pro Millikelvin weisen jedoch auf eine schnellere Wärmeleitfähigkeit hin.
Die Tg ist jedoch ein weiterer Aspekt, der bei der Verwendung von Epoxidharzen für das Wärmemanagement während der Leiterplattenherstellung zu berücksichtigen ist. Alle verwendeten Epoxide müssen mit der Tg der begleitenden Substrate kompatibel sein.
Als konforme Beschichtung ausgewählt
Wenn Unternehmen in der IoT-Fertigung tätig sind, müssen die Vertreter die wahrscheinlichen Umgebungseigenschaften berücksichtigen, denen das Gerät während des normalen Gebrauchs ausgesetzt ist. Einige IoT-Geräte werden beispielsweise im Freien in staubigen oder feuchten Umgebungen aufgestellt. In anderen Fällen führen die IoT-Produkte eine ständige Überwachung in abgelegenen Gebieten durch und werden nicht häufig von Menschen überprüft.
Daher ist es wichtig, die PCBs für IoT-Geräte so zu bauen, dass sie potenziell rauen Elementen standhalten. Eine übliche Methode hierfür ist das Auftragen von Schutzlacken. Das so verwendete Epoxid ist sowohl hart als auch undurchsichtig und bietet einen guten Schutz gegen Chemikalien, Abrieb und Feuchtigkeit. Schutzlacke auf Epoxidharzbasis sind auch eine gute Wahl für IoT-Geräte, die hoher Luftfeuchtigkeit ausgesetzt sind.
Schutzbeschichtungen sind extrem dünn und dennoch schützend. Sie fügen eine Schutzschicht direkt auf PCB-Komponenten ohne Dicke hinzu, die unerwünschtes Volumen hinzufügen würde. Da konforme Beschichtungen auch die Lebensdauer einer Leiterplatte verlängern, bieten sie einem Hersteller von IoT-Geräten eine einfache Möglichkeit, die von einem Kunden erwartete längere Leistung zu erbringen.
In ähnlicher Weise können Schutzlacke teure Reparaturkosten reduzieren, die den Gewinn eines Herstellers beeinträchtigen könnten. Auch Leiterplatten, die in IoT-Produkten vorzeitig brechen, könnten dem Ruf des Herstellers schaden. Die Entscheidung, während der Leiterplattenherstellung konforme Beschichtungen aufzutragen, ist eine relativ einfache Möglichkeit, die Funktionalität zu verlängern und damit die Kunden zufrieden zu stellen.
Angewandt, um Reverse Engineering zu verhindern
Reverse Engineering tritt auf, wenn jemand – oft ein Wettbewerber – versucht zu bestimmen, wie ein Hersteller einen Artikel hergestellt hat. Es ist ein Risiko in zahlreichen Branchen und gilt für chemische und biologische Prozesse sowie physikalische Produkte.
Zum Schutz vor Reverse Engineering existieren zahlreiche präventive Maßnahmen. Einige Hersteller platzieren beispielsweise Sensoren in der Leiterplatte, um solche Versuche zu erkennen und zu verhindern. Eine weniger aufwendige, aber dennoch effektive Technik ist das Eintopfen.
Es beinhaltet die Verwendung einer Hülle oder einer ähnlichen Schicht, um eine Leiterplatte oder ein anderes elektronisches Bauteil vollständig zu umhüllen. Die Leute gießen eine Verbindung in diesen Gehäusebereich, die aushärtet und Teil der Leiterplatte wird. Epoxidharz ist eine häufig gewählte Vergussmasse. Seine Undurchsichtigkeit hindert die Leute daran, visuelle Details zu erfahren, die ihnen helfen, mehr über das Design zu verstehen.
Einige Vergussmassen sind auch nicht entfernbar. Das ist gut, wenn es um den Schutz vor Designkopien geht. Dies kann es einer autorisierten Person jedoch auch erschweren oder unmöglich machen, eine Leiterplatte zu reparieren.
Je nach Projekt können Ingenieure auch Silikone zur Verkapselung anstelle von Epoxiden verwenden. Silikone behalten nicht nur ihre mechanischen Eigenschaften über einen weiten Temperaturbereich bei, sondern sind auch weich und flexibel, wodurch sie sich zum Abdecken empfindlicher Elektronik eignen.
Das Vergießen wird normalerweise zusammen mit mehreren anderen Maßnahmen ausgewählt, die Menschen davon abhalten, ein PCB-Design zurückzuentwickeln. Daher müssen Hersteller ermitteln, welche Optionen optimalen Schutz bieten und überlegen, ob sie die Vergussmasse später eventuell entfernen müssen.
Epoxy hilft beim Fortschritt der IoT-Fertigung
Diese Beispiele zeigen, dass Hersteller von IoT-Geräten Epoxide in zahlreichen Design- und Herstellungsphasen anwenden können, um bestimmte Anforderungen oder Bedürfnisse zu erfüllen. Da IoT-Geräte immer beliebter werden und sich noch weiter verbreiten, wird Epoxid weiterhin ein wichtiger Bestandteil der Leiterplattenherstellung sein.
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