Termoreaktyvaus plastiko gamybos procesas ir jo taikymas elektronikos pramonėje
Termoreaktingi plastikai (arba termoreaktingi plastikai) yra polimerų grupė, kuri kaitinant arba katalizuojant patiria nuolatinius cheminius pokyčius ir sudaro trimatę tinklinę struktūrą (susiejimas skersiniais ryšiais). Skirtingai nuo termoplastų, kuriuos galima pakartotinai lydyti ir keisti formą, termoreaktingi plastikai, kartą „sukietėję“, negali būti perlydyti be degradacijos. Dėl šios savybės termoreaktingi plastikai ypač tinka tiems atvejams, kuriems reikalingas didelis atsparumas karščiui, matmenų stabilumas ir gera elektrinė varža – savybės, kurios yra labai svarbios elektronikos pramonėje.
Pagrindinės termoreaktyviųjų plastikų charakteristikos
Prieš aptariant gamybos procesą, svarbu suprasti priežastis, kodėl termoreaktyvūs plastikai yra plačiai naudojami elektronikoje:
1. Atspari karščiui ir lengvai neminkštėja: Sukietėjusi medžiaga išlieka stabili aukštesnėje darbo temperatūroje nei daugelis termoplastų.
2. Didelis matmenų stabilumas: mažesnis susitraukimas ir deformacija, svarbu tiksliems komponentams.
3. Geros elektros izoliacijos savybės: Daugelis termoreaktyviųjų dervų pasižymi dideliu dielektriniu stiprumu ir dideliu varžos koeficientu.
4. Atsparumas cheminėms medžiagoms ir drėgmei: tinka grandinių apsaugai nuo korozijos ar drėgnos aplinkos.
5. Mechaninis stiprumas ir standumas: Paprastai standesni, ypač kai sutvirtinti pluoštais (pvz., stiklo pluoštu).
Populiarūs termoreaktingų medžiagų pavyzdžiai: epoksidinė, fenolio (bakelito), melamino formaldehido, karbamido formaldehido, nesotieji poliesteriai ir termoreaktingi poliuretanai.
-
Bendrieji termoreaktyvaus plastiko gamybos proceso etapai
Nors tai skiriasi priklausomai nuo dervos tipo, paprastai termoreaktyviųjų gaminių gamybos procesas vyksta šiais etapais.
1. Dervos formulė: medžiagos „recepto“ nustatymas
Procesas prasideda nuo bazinės dervos ir kietiklio/kietinimo priemonės pasirinkimo. Šiame etape gamintojai taip pat prideda priedų, kad pakoreguotų savybes:
– Užpildai, tokie kaip silicio dioksidas, kalcio karbonatas, aliuminio oksido trihidratas: padidina stiprumą, sumažina sąnaudas, pagerina šilumines savybes.
– Armatūra (sutvirtinimas), pavyzdžiui, stiklo pluoštas, anglies pluoštas, aramidas: padidina atsparumą tempimui ir smūgiams.
– Atsparus ugniai: svarbus elektronikos saugos standartams (pvz., UL 94).
– Pigmentai: spalvos ir komponentų identifikavimas.
– Katalizatorius/greitasis: pagreitina kietėjimo reakciją.
– Plastifikatorius (kai kuriose formulėse): reguliuoja lankstumą.
– Sujungimo medžiaga: pagerina sukibimą tarp dervos ir užpildo/armatūros.
Ši formulė yra labai svarbi elektronikos pramonėje, nes komponentai turi atitikti griežtus reikalavimus, tokius kaip atsparumas litavimo karščiui, dielektrinės savybės ir atsparumas drėgmei.
2. Maišymas ir degazavimas
Derva, kietiklis, užpildas ir priedai maišomi naudojant pramoninį maišytuvą (planetinį maišytuvą, didelio šlyties maišytuvą arba dvisraigtį ekstruderį tam tikroms sistemoms). Elektronikos reikmėms dažnai atliekamas vakuuminis degazavimas, siekiant pašalinti oro burbuliukus. Burbuliukai gali būti mechaninės silpnosios vietos ir sukelti elektros gedimus (pvz., dalinį išlydį izoliatoriuose).
3. Liejimas / formavimas
Skirtingai nuo termoplastų, kurie paprastai išlydomi, o tada įpurškiami, termoreaktyviosios dervos formuojamos dar būdamos santykinai skystos / klampios arba ruošinių pavidalu (pvz., granuliuoti / granulių formos junginiai, skirti presavimui). Įprasti formavimo metodai:
a. Kompresinis liejimas
Termoreaktyvios medžiagos (pvz., fenolio liejimo mišiniai) dedamos į karštą formą ir presuojamos. Karštis ir slėgis sukelia kietėjimą, kol produktas sukietėja.
– Privalumai: tinka elektriniams komponentams, tokiems kaip jungikliai, tam tikri korpusai ir izoliatoriai.
– Trūkumai: proceso ciklas gali būti ilgesnis nei termoplastinio liejimo.
b. Perkėlimo liejimas
Panašiai kaip ir presavimo būdu, medžiaga kaitinama puode, o po to kanalais „perkeliama“ į formos ertmę. Šis metodas plačiai naudojamas puslaidininkinių komponentų (IC pakuočių) sandarinimui naudojant epoksidinės dervos liejimo mišinius.
– Privalumai: tolygesnis sudėtingų formų užpildymas.
– Labai aktualu integrinių grandinių korpusams, diodams, tranzistoriams.
c. Reakcinis liejimas (RIM)
Du ar daugiau skystų komponentų (pvz., poliuretano) sumaišomi ir įpurškiami į formą, kur jie reaguoja ir sukietėja viduje.
– Tinka komponentams, kuriems reikalingas tvirtumo ir mažo svorio derinys.
– Naudojamas keliose elektroninėse dalyse, kurioms reikalingas atsparumas aplinkos poveikiui.
d. Laminavimas ir impregnavimas
Tokių medžiagų kaip FR-4 (epoksidinės dervos ir stiklo pluošto pagrindu pagamintas PCB substratas) atveju procesas apima stiklo pluošto audinio impregnavimą epoksidine derva (prepregu), o po to laminavimą slėgiu ir karščiu.
– Išvestis: laminuota plokštė spausdintinei plokštei, pasižyminti geromis dielektrinėmis savybėmis ir atsparumu karščiui.
4. Kietėjimas: termoreaktyvumo esmė
Kietėjimas yra skersinių jungčių susidarymo procesas, kurio metu derva paverčiama nuolatine, kieta kieta medžiaga. Kietėjimą gali sukelti:
– Šiluma (terminis kietėjimas)
– Katalizatorius/akceleratorius
– UV spinduliuotė (kai kurioms specialioms dervoms, pvz., UV spinduliuote kietėjančiai epoksidinei dervai tam tikrose srityse)
– Šilumos ir laiko derinys (dažnai atliekamas pakartotinis kietinimas, siekiant pasiekti maksimalias savybes)
Svarbūs kietėjimo parametrai:
– Formos / orkaitės temperatūra
– Kietėjimo laikas
– Slėgis (liejimui)
– Dervos ir kietiklio santykis
– Šildymo profilis (didinimas), siekiant išvengti tuštumų ar įtrūkimų dėl egzoterminių reakcijų
Elektronikos pramonėje kietėjimo kontrolė lemia kokybę: netobulas kietėjimas gali sukelti delaminaciją, įtrūkimus, liekamuosius kvapus arba sumažėjusią elektros izoliaciją.
5. Apdaila, mechaninis apdirbimas ir kokybės kontrolė
Po sukietėjimo komponentai gali būti naudojami:
– apipjaustymas (pjovimas akimirksniu)
– gręžimas / mechaninis apdirbimas (laminatų ar tam tikrų komponentų)
– papildoma danga arba padengimas
– matmenų ir vizualinė apžiūra
Elektronikos kokybės kontrolė dažnai apima:
– dielektrinio stiprumo bandymas
– sekimo ir lanko varžos bandymas
– atsparumo karščiui bandymas
– drėgmės sugerties bandymas
– patikimumo bandymai (terminis ciklas, vibracijos bandymai, senėjimo bandymai)
-
Termoreaktyviųjų medžiagų panaudojimas elektronikos pramonėje
1. Puslaidininkių kapsuliavimas ir pakavimas
Epoksidinė derva yra pageidaujamas integrinių grandynų formavimo mišinys. Jos funkcijos:
– apsaugo lustus ir vielos jungtis nuo drėgmės, dulkių ir smūgių
– užtikrina mechaninį stabilumą
– padeda išsklaidyti šilumą (ypač jei pridedama termiškai laidaus užpildo, pvz., aliuminio oksido)
Perkėlimo liejimas dažniausiai naudojamas masinei IC korpusų gamybai.
2. PCB (spausdintinės plokštės) pagrindas
FR-4 epoksidinės dervos ir stiklo pluošto laminatas yra pramonės standartas. Jo privalumai:
– aukšta elektros izoliacija
– geras matmenų stabilumas
– karščiui atsparus litavimo procesas
– pakankamas mechaninis stiprumas komponentams išlaikyti
Be FR-4, paprastai elektronikai taip pat yra fenolio pagrindo laminatų (ekonomiškesnių), nors jų našumas yra mažesnis.
3. Vandens užpildymas ir konforminis padengimas
Termoreaktyvusis polimeras naudojamas maitinimo šaltinių, LED valdiklių, jutiklių ar automobilių modulių grandinių užpildymui (užpildymui ir „sandarinimui“ dervoje). Jo privalumai:
– apsauga nuo vandens, vibracijos ir cheminių medžiagų
– užkirsti kelią fizinei prieigai (apsauga nuo klastojimo)
– padidina izoliaciją ir sumažina trumpojo jungimo riziką
4. Izoliatorių komponentai ir elektros įranga
Fenolio, melamino arba epoksidinės dervos naudojamos:
– jungiklio korpusas
- terminalo blokas
– izoliatorius
– dalys, kurioms reikalingas atsparumas karščiui ir lankui
Termoreaktyvūs plastikai yra pranašesni, nes jie nesuminkštėja, kai kyla vietinė temperatūra.
5. Elektroninis klijavimas
Termoreaktyvios epoksidinės dervos taip pat naudojamos kaip:
– konstrukciniai klijai komponentams
– BGA/CSP užpildas, siekiant padidinti atsparumą terminiams ciklams
– klijų tvirtinimas prie įvairių tipų puslaidininkių korpusų
-
Vystymosi iššūkiai ir tendencijos
Nepaisant privalumų, termoreaktyvusis plastikas turi trūkumų: jį sunku mechaniškai perdirbti, nes jo negalima vėl išlydyti. Šiuo metu pramonė juda link:
– mažai lakiųjų organinių junginių turinti formulė ir ekologiškesnė
– termoreaktyvūs polimerai su atskyrimo savybėmis arba dinaminiai tinklai (vitrimerai), kuriuos lengviau perdirbti
– padidintas šilumos laidumas, reikalingas dideliems galingumo įrenginiams
– vidinių įtempių mažinimas, siekiant išvengti įtrūkimų naujos kartos puslaidininkių korpusuose
-
Išvada
Termoreaktyviųjų plastikų gamybos procesas sutelktas į dervos formulavimą ir kietinimą, dėl kurio susidaro nuolatinė susiūta struktūra. Tokie formavimo metodai kaip presinis liejimas, pernešimo liejimas, RIM ir laminavimas leidžia termoreaktyviuosius plastikus plačiai taikyti elektronikoje – nuo integrinių komponentų pakavimo ir spausdintinių plokščių iki modulių užpildymo ir net izoliacinių komponentų. Šiuolaikinei elektronikai vis labiau reikalaujant atsparumo karščiui, apsaugos nuo aplinkos ir matmenų stabilumo, termoreaktyvieji plastikai išlieka pagrindine medžiaga, skatinančia inovacijas siekiant didesnio efektyvumo ir tvarumo.
Jei pageidaujate, galiu pritaikyti šį straipsnį į techninę versiją (su kietėjimo parametrų, epoksidinių kietiklių tipų arba UL/IPC standartų pavyzdžiais) arba į populiaresnę versiją, skirtą plačiajai visuomenei.
