物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 市場(chǎng)正在蓬勃發(fā)展。這一成功促使工程師探索實(shí)用的解決方案，以改進(jìn)成為當(dāng)今物聯(lián)網(wǎng)小工具不可或缺的一部分的印刷電路板 (PCB)。

環(huán)氧樹(shù)脂是一種在物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品的 PCB 制造過(guò)程中發(fā)揮各種功能的材料。這里有更多關(guān)于它在物聯(lián)網(wǎng)制造中發(fā)揮的重要作用。

調(diào)整以滿(mǎn)足特定要求

制造商可以選擇特種環(huán)氧樹(shù)脂或改變特定的環(huán)氧樹(shù)脂特性以滿(mǎn)足特定的性能或制造需求。例如，添加劑可以使環(huán)氧樹(shù)脂更硬或更厚，使其最適合用作保形涂層。以下是調(diào)整特定環(huán)氧樹(shù)脂特性的其他一些方法。

電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率

使用銀作為單組分或兩組分環(huán)氧樹(shù)脂的填料可以產(chǎn)生導(dǎo)電粘合劑來(lái)代替焊接。導(dǎo)電粘合劑要么是各向同性的，要么是各向異性的。第一類(lèi)中的那些在所有方向上都是導(dǎo)電的。然而，各向異性粘合劑僅在一個(gè)方向上導(dǎo)電。它們有時(shí)用于粘合射頻識(shí)別 (RFID) 產(chǎn)品中的天線(xiàn)結(jié)構(gòu)。

環(huán)氧樹(shù)脂也有助于導(dǎo)熱。一種選擇是使用這種粘合劑連接兩個(gè)表面并將熱量傳遞到較冷的表面。然而，由于大多數(shù)環(huán)氧樹(shù)脂缺乏足夠的內(nèi)在熱管理能力，填料彌補(bǔ)了不足。銅、氮化硼和鋁等粉末顯著提高了傳熱性能。

極端溫度耐受性

在固化期間和固化之前，添加劑和硬化劑也會(huì)混入環(huán)氧樹(shù)脂中，以使粘合劑能夠抵抗低溫。相反，存在的環(huán)氧樹(shù)脂可以承受比非極端耐熱類(lèi)型的約 300 華氏度更高的溫度。

低釋氣

用于航空航天工業(yè)的環(huán)氧樹(shù)脂必須是低釋氣類(lèi)型。由于太空的真空，除氣會(huì)導(dǎo)致航天器周?chē)尫懦鰮]發(fā)性化合物。

NASA 使用兩個(gè)測(cè)試參數(shù)來(lái)確保環(huán)氧樹(shù)脂滿(mǎn)足除氣要求：總質(zhì)量損失 (TML) 和收集的揮發(fā)性可冷凝材料 (CVCM)。更具體地說(shuō)，NASA 的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定環(huán)氧樹(shù)脂粘合劑或灌封化合物的 TML 小于 1%，CVCM 小于 0.1%。

提供低釋氣、高純度環(huán)氧樹(shù)脂的公司首先在專(zhuān)門(mén)的室中在嚴(yán)格的條件下測(cè)試這些產(chǎn)品。然后他們公布結(jié)果，迎合需要低釋氣粘合劑的客戶(hù)。

熱膨脹系數(shù) (CTE)

大多數(shù)材料由于溫度變化導(dǎo)致分子相互作用的能量增加而經(jīng)歷熱膨脹。CTE 表示溫度每升高 1 度會(huì)發(fā)生多少變化。

CTE 不匹配可能發(fā)生在兩個(gè)基材之間或粘合劑和基材之間。因此，一種常見(jiàn)的方法是選擇 CTE 盡可能低的粘合劑。另一種選擇是將特殊的負(fù) CTE 填料或陶瓷插入未填充的粘合劑中。然而，這樣做會(huì)導(dǎo)致拉伸模量顯著增加，從而使環(huán)氧樹(shù)脂更硬。

玻璃化轉(zhuǎn)變 (Tg) 溫度

環(huán)氧樹(shù)脂的玻璃化轉(zhuǎn)變 (Tg) 溫度是一個(gè)范圍，在該溫度范圍內(nèi)，它會(huì)從堅(jiān)硬的玻璃狀稠度轉(zhuǎn)變?yōu)楦彳?、更有彈性的稠度。它可以跨越大約50-250攝氏度。然而，環(huán)氧樹(shù)脂的選擇、使用的填料和固化時(shí)間都會(huì)影響 Tg。

Tg 超過(guò) 150 攝氏度的環(huán)氧樹(shù)脂通常具有優(yōu)異的耐高溫性。然而，Tg 在 120-130 攝氏度范圍內(nèi)的類(lèi)型可提供出色的耐化學(xué)性。

對(duì)各種基材的正確附著力

環(huán)氧粘合劑可粘合并密封各種基材，從金屬和大多數(shù)塑料到木材和混凝土。但是，也有一些不適合的材料，例如低表面能塑料，包括聚烯烴、有機(jī)硅和碳氟化合物。繼續(xù)決定在這些材料上使用環(huán)氧樹(shù)脂需要對(duì)它們進(jìn)行預(yù)處理以改變基材的表面。

固化時(shí)間和儲(chǔ)存要求

環(huán)氧粘合劑可作為單組分和更常見(jiàn)的雙組分配方提供。單組分選項(xiàng)通常以糊劑形式出現(xiàn)，需要人們用抹子涂抹它們以填補(bǔ)空白。這些環(huán)氧樹(shù)脂需要加熱才能固化，也需要冷藏以保持其保質(zhì)期。

雙組分類(lèi)型需要在特定時(shí)間范圍內(nèi)混合和使用產(chǎn)品，時(shí)間范圍從幾分鐘到幾小時(shí)不等。這些環(huán)氧樹(shù)脂在略高于室溫（大約 75-85 華氏度）的溫度下固化，盡管更多的熱量會(huì)加速該過(guò)程。

與單組分類(lèi)型相比，雙組分環(huán)氧樹(shù)脂的儲(chǔ)存要求也不那么嚴(yán)格。制造商在選擇符合其生產(chǎn)要求的環(huán)氧樹(shù)脂時(shí)可能會(huì)牢記這些細(xì)節(jié)。

粘度

厘泊 (CPS) 是應(yīng)用于環(huán)氧樹(shù)脂的粘度值，用于指示其流動(dòng)速度。低 CPS 環(huán)氧樹(shù)脂流動(dòng)迅速，而流速隨著 CPS 的升高而減慢。環(huán)氧樹(shù)脂的粘度決定了它的潛在用例和應(yīng)用產(chǎn)品的方法。

降低的粘度也有助于減少空隙。許多制造商銷(xiāo)售各種粘度的環(huán)氧樹(shù)脂，例如 100-1,500,000 CPS。然而，熱量也會(huì)影響粘度，并且暴露于它會(huì)使環(huán)氧樹(shù)脂的稠度變薄。

低粘度環(huán)氧樹(shù)脂可能需要 12-24 小時(shí)才能固化——比高粘度環(huán)氧樹(shù)脂要長(zhǎng)。高粘度環(huán)氧樹(shù)脂適合表面涂層應(yīng)用。但是，加工它們需要不超過(guò)制造商規(guī)定的最大厚度，通常為 1-2 厘米。

用作整個(gè) PCB 的材料

工程師在開(kāi)發(fā) PCB 時(shí)經(jīng)常使用環(huán)氧樹(shù)脂。特定環(huán)氧樹(shù)脂的行為方式不同，工程專(zhuān)業(yè)人員通常必須使用制造商提供的任何東西。

然而，了解特定環(huán)氧樹(shù)脂的功能有助于設(shè)計(jì)項(xiàng)目順利進(jìn)行。雖然有些具有粘合特性，但有些具有導(dǎo)熱性。一旦產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)，粘合劑化合物的特性與產(chǎn)品材料之間的不匹配可能會(huì)導(dǎo)致影響制造或可用性的問(wèn)題。

例如，電路板的預(yù)浸料通常由半固化的玻璃環(huán)氧樹(shù)脂材料制成。預(yù)浸料是具有粘合和絕緣特性的介電材料。PCB 的內(nèi)核通常采用完全固化的玻璃環(huán)氧樹(shù)脂材料，兩面都層壓有銅。

此外，公司已開(kāi)始在 PCB 制造過(guò)程中將環(huán)氧樹(shù)脂與其他物質(zhì)結(jié)合，以不斷降低與介電材料相關(guān)的成本。一種常見(jiàn)的做法是將其與熱塑性塑料聚苯醚 (PPO) 或聚苯醚 (PPE) 一起使用。

使用不含環(huán)氧樹(shù)脂的 PPO通常會(huì)增加總體制造成本。但是，依靠它可以減少開(kāi)支，同時(shí)仍能滿(mǎn)足性能要求。

您可以通過(guò)新開(kāi)發(fā)的植入式血氧傳感器示例了解環(huán)氧樹(shù)脂在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的 PCB 組件上的多種用途。這種先進(jìn)的產(chǎn)品將壓電晶體與導(dǎo)電銀環(huán)氧樹(shù)脂粘合，然后將其連接到 PCB。開(kāi)發(fā)人員還使用紫外線(xiàn)固化環(huán)氧樹(shù)脂來(lái)圍繞 PCB 內(nèi)的引線(xiàn)鍵合區(qū)域。

選擇改善傳熱

如前所述，特定的環(huán)氧樹(shù)脂具有不同的特性。對(duì)于大多數(shù)設(shè)計(jì)和制造物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的公司來(lái)說(shuō)，熱管理是一個(gè)重要的問(wèn)題。過(guò)高的溫度會(huì)損壞精密的電子設(shè)備并導(dǎo)致小工具發(fā)生故障。一些工程師已經(jīng)開(kāi)發(fā)出使物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備受益于溫暖的方法，例如體溫。但是，目標(biāo)通常是避免熱點(diǎn)和整體過(guò)熱。

隨著物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備變得越來(lái)越小，控制熱量的需求變得更加重要。傳統(tǒng)方法包括使用風(fēng)扇和散熱器。另一種選擇是在發(fā)熱或具有冷卻能力的組件之間涂抹導(dǎo)熱油脂。人們還可以通過(guò)使用特定種類(lèi)的環(huán)氧樹(shù)脂來(lái)獲得所需的結(jié)果。

例如，單組分和雙組分環(huán)氧樹(shù)脂增強(qiáng)了跨界面的熱傳遞。人們還可以選擇它們來(lái)補(bǔ)充其他散熱方法，例如使用環(huán)氧樹(shù)脂將散熱器粘合到 PCB 上。

當(dāng)人們討論某些環(huán)氧樹(shù)脂的散熱速度有多快時(shí)，他們指的是物質(zhì)的導(dǎo)電性。如果環(huán)氧樹(shù)脂的熱導(dǎo)率為0.3-0.4 瓦/毫開(kāi)爾文，這意味著熱量消散相對(duì)較慢。然而，每毫開(kāi)爾文 1.7-2 瓦的值表明導(dǎo)熱速度更快。

然而，Tg 是在 PCB 制造過(guò)程中使用環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行熱管理時(shí)要考慮的另一個(gè)方面。使用的任何環(huán)氧樹(shù)脂都必須與隨附基材的 Tg 相容。

被選為保形涂層

當(dāng)公司從事物聯(lián)網(wǎng)制造時(shí)，代表必須考慮小工具在正常使用過(guò)程中可能接觸到的環(huán)境特征。例如，一些物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備被放置在室外多塵或潮濕的環(huán)境中。在其他情況下，物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品會(huì)在偏遠(yuǎn)地區(qū)進(jìn)行持續(xù)監(jiān)控，并且不會(huì)經(jīng)常被人工檢查。

因此，為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備構(gòu)建 PCB 以承受潛在的惡劣因素至關(guān)重要。一種常見(jiàn)的方法是應(yīng)用保形涂層。以這種方式使用的環(huán)氧樹(shù)脂既堅(jiān)硬又不透明，可以很好地防止化學(xué)品、磨損和潮濕。對(duì)于暴露在高濕度環(huán)境中的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，環(huán)氧保形涂料也是明智的選擇。

保形涂層非常薄但具有保護(hù)性。他們直接在 PCB 組件的頂部添加保護(hù)層，而不會(huì)增加不希望的體積的厚度。由于保形涂層還延長(zhǎng)了 PCB 的使用壽命，因此它們是物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備制造商提供客戶(hù)期望的延長(zhǎng)性能的一種簡(jiǎn)單方法。

同樣，保形涂層可以降低可能削減制造商利潤(rùn)的昂貴維修成本。物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品內(nèi)部過(guò)早損壞的 PCB 也可能損害制造商的聲譽(yù)。在 PCB 制造過(guò)程中選擇應(yīng)用保形涂層是延長(zhǎng)功能的相對(duì)簡(jiǎn)單的方法，從而讓客戶(hù)滿(mǎn)意。

應(yīng)用于勸阻逆向工程

當(dāng)某人（通常是競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手）試圖確定制造商如何生產(chǎn)產(chǎn)品時(shí)，就會(huì)發(fā)生逆向工程。這是許多行業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)，適用于化學(xué)和生物過(guò)程以及物理產(chǎn)品。

存在許多預(yù)防措施來(lái)防止逆向工程。例如，一些制造商在 PCB 內(nèi)放置傳感器以檢測(cè)和防止此類(lèi)嘗試。然而，一個(gè)較少涉及但仍然有效的技術(shù)是練習(xí)灌封。

它涉及使用外殼或類(lèi)似層來(lái)完全包裹 PCB 或其他電子元件。人們將一種化合物倒入該外殼區(qū)域，它會(huì)硬化并成為 PCB 的一部分。環(huán)氧樹(shù)脂是一種常用的灌封材料。它的不透明性阻止了人們學(xué)習(xí)有助于他們更多地了解設(shè)計(jì)的視覺(jué)細(xì)節(jié)。

一些灌封化合物也是不可去除的。在防止設(shè)計(jì)復(fù)制方面，這是一件好事。但是，它也可能使授權(quán)人員難以或不可能維修 PCB。

根據(jù)手頭的項(xiàng)目，工程師也可以使用有機(jī)硅而不是環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行封裝。除了在很寬的溫度范圍內(nèi)保持其機(jī)械性能外，有機(jī)硅還柔軟且柔韌，使其適合覆蓋敏感的電子產(chǎn)品。

灌封通常與其他幾種阻止人們對(duì) PCB 設(shè)計(jì)進(jìn)行逆向工程的措施一起選擇。因此，制造商必須確定哪些選項(xiàng)可提供最佳保護(hù)，并考慮他們是否可能需要在以后去除灌封化合物。

環(huán)氧樹(shù)脂助力物聯(lián)網(wǎng)制造進(jìn)步

這些示例表明，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備制造商可以在眾多設(shè)計(jì)和制造階段應(yīng)用環(huán)氧樹(shù)脂來(lái)滿(mǎn)足某些要求或需求。隨著物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的普及和普及，環(huán)氧樹(shù)脂將繼續(xù)成為 PCB 制造的關(guān)鍵部分。

審核編輯 黃昊宇