Zalewanie elektroniki – potting

Zalewanie elektroniki – potting

Adhezja skuteczne przyciąganie.Sonderhoff

Zalewanie elektroniki-potting.

Zalewanie elektroniki – potting – jest jedną z ważnych operacji dokonywanych na końcu procesu produkcji. Jeśli zalewanie elektroniki jest wykonane wadliwie, cały detal może wylądować w koszu do utylizacji. Dlatego warto poświęcić uwagę temu pozornie łatwemu procesowi, gdyż jego wadliwość może pociągać za sobą ważne negatywne konsekwencje.

Zalewanie elektroniki (potting) to operacja polegająca na zalaniu obwodów elektronicznych w całości lub częściowo za pomocą żywicy, zwanej zalewą, która utwardza się w wyniku reakcji chemicznej. Żywice służące do zalewania są najczęściej dwuskładnikowe:

Epoksydowe – tradycyjnie najbardziej odporne mechanicznie, z dobrymi parametrami termicznymi, a z dodatkiem wypełniaczy posiadające świetne własności termoprzewodzące. Niestety, w dużych ilościach potrafią się mocno nagrzewać w wyniku reakcji, a temperatura ta może przekraczać nawet 100°C.

Poliuretanowe – najpopularniejsze ze względu na cenę oraz niską temperaturę reakcji chemicznej. Mimo słabszych w porównaniu z epoksydami parametrów, wytrzymują zwykle ciągłą pracę w temperaturze co najmniej 90°C. Co ważne, istnieją w dziesiątkach tysięcy modyfikacji. Istnieją zalewy twarde i elastyczne, wypełnione i niewypełnione, przezroczyste i kolorowe. Wspólną ich cechą są kłopoty z odpornością na promieniowanie UV, ale wtedy stosuje się utwardzacze alifatyczne i ta odporność pojawia się w wysokim stopniu. Oczywiście odporność na promieniowanie UV ma swoją cenę wyrażoną w pieniądzach.

Silikonowe – tradycyjnie stosowane tam, gdzie elektronika jest narażona na wysokie temperatury, gdyż silikony znakomicie pracują do 180°C standardowo, a do 240-300°C w wersjach specjalnych. Jednak sama elektronika nie może często pracować w tak wysokich temperaturach, a głównym argumentem za ich stosowaniem jest to, że reakcja utwardzania silikonu jest endotermiczna, czyli że można zalewać nawet wielkie detale bez obawy, że się zagrzeją.

Podstawowym zagadnieniem w mieszaniu żywic przy zalewaniu elektroniki jest to, by zalewa nie zawierała powietrza. Powietrze jest niepożądane z kilku powodów: mieszanina jest nieestetyczna, bąbelki w zastygniętej żywicy sprawiają wrażenie niechlujstwa (słusznie), ale najważniejsze jest, że powietrze ma odporność na przebicie kilkakrotnie mniejsze (ok. 5 kV/mm) niż żywica – zwykle 14-22 kV/mm.
Żywica musi być dobrze wymieszana i jak wspomniałem wyżej – odpowietrzona. Przy ręcznym mieszaniu i odpowietrzaniu potrzebujemy więc dodatkowy czas na przeprowadzenie tych operacji, zwykle kilka, kilkanaście minut. W wyniku tego tracimy część czasu życia żywicy, czyli czasu, w którym żywica nadaje się do zastosowania. Jeśli jest to 1-2 godziny lub więcej, problem jest mniejszy, choć tracimy ważny parametr – lejność. Żywica bowiem – każda – zaczyna gęstnieć zaraz po rozpoczęciu mieszania. A jej głównym celem podczas zalewania jest wniknięcie w każdą szczelinę w celu wzmocnienia konstrukcji i eliminacji wnęk powietrznych, które powstają gdy wąskie szczeliny próbujemy zalać gęstą substancją. Najlepiej jest więc, gdy zalewamy elektronikę świeżo zmieszaną żywicą. A taka jest tylko przez krótką chwilę. W mieszaniu maszynowym żywica jest mieszana statycznie lub dynamicznie, ale zawsze przy samym wylocie maszyny. Oznacza to, że jako mieszanka pozostaje ona w tym stanie bardzo krótko. Dodatkowo nie ulega zapowietrzeniu w czasie mieszania, gdyż każdy składnik jest tylko przetłaczany przez instalację za pomocą precyzyjnych pomp.
Mieszanie maszynowe ma wiele zalet:

  • nie wprowadza powietrza do żywicy (jak mieszanie ręczne),
  • umożliwia dozowanie precyzyjnych ilości, nawet z dokładnością poniżej 1%,
  • umożliwia dozowanie z zadaną prędkością – jest to ważne ze względu na to, że często żywica wpływa wolniej w szczeliny niż wypływa z dyszy maszyny (coś, jakbyśmy próbowali wlać szybko miód do butelki przez lejek, musimy spowolnić lanie, żeby miód nie wylał się przez górną krawędź lejka),
  • eliminuje możliwość pomyłki stosunków mieszania, co często się zdarza przy mieszaniu ręcznym,
  • eliminuje błędy mieszania, gdy przy ręcznym mieszaniu nie jest przestrzegana procedura czasu mieszania – czasem mieszanie, aby było efektywne musi trwać określony czas, nie każdy ma tyle cierpliwości,

Mieszanie maszynowe ma jednak istotną wadę – trzeba kupić maszynę, co stanowi pewną inwestycję, która musi mieć uzasadnienie ekonomiczne.
Maszyna ma jednak dodatkową zaletę: przy jej pomocy można mieszać żywice o bardzo krótkim czasie życia, nawet liczonym w sekundach. Można wypełniać formy o wadze nawet kilkudziesięciu kilogramów!

Jakie parametry żywicy są ważne przy doborze maszyny?

  • Sedymentacja produktu – jeśli składnik żywicy sedymentuje (czyli osadza się jedna z jego frakcji), musimy temu niepożądanemu zjawisku przeciwdziałać. Ważna jest szybkość sedymentacji – jeśli żywica sedymentuje powoli, wystarczy dodać mieszacz w zbiorniku. Jeśli sedymentacja jest szybka – należy rozważyć wdrożenie recyrkulacji tego składnika – jest to ważne, bo niektóre wypełniacze potrafią się osadzić w pompach i wężach, zatykając cały ciąg technologiczny maszyny. Żywice do zalewania elektroniki sedymentują często, gdyż zawierają wypełniacze stabilizujące je po zastygnięciu termicznie lub zapewniają wysoką przewodność termiczną.
  • Rodzaj i ilość wypełniaczy – wypełniacze nie tylko sedymentują, ale mają często negatywny wpływ na ścieralność elementów zwilżanych maszyny. Należy ustalić z producentem trzy parametry: procentową zawartość wypełniaczy, ich granulację i twardość. Najłatwiej byłoby dowiedzieć się, co jest wypełniaczem, ale tą informację podają tylko niektórzy producenci.
  • Lepkość składników żywicy – niektóre żywice charakteryzują się wysoką, inne niską lepkością. Każda z nich wpływa istotnie na budowę maszyny. Głównym zagadnieniem jest rozważenie oporów tłoczenia – lepkość to energia, czyli im większa lepkość, tym większe moce są niezbędne do przetłoczenia żywicy. Lepkość idzie w parze z wydatkiem, oznacza to, że maszyna o dużym wydatku, pompująca wysokie lepkości, musi być naprawdę potężna i konsumuje wielkie ilości energii.
  • Istotnym parametrem jest różnica lepkości składników – czasem należy zmieszać dwa składniki o diametralnie różnej lepkości. Na przykład składnik o lepkości 60 Pa*s (porównywalny z gęstą musztardą) ze składnikiem o lepkości 100 mPa*s (porównywalnej z mlekiem odtłuszczonym). Jeśli jeszcze dodamy stosunek mieszania 6:1 objętościowo, to mamy całkiem interesujące zagadnienie techniczne.
  • Mieszalność – należy upewnić się, na ile żywica miesza się statycznie (patrz odnośnik), jeśli nie ma takiej informacji, należy przeprowadzić testy mieszalności określoną metodą.
  • Zapowietrzanie żywicy – sama żywica lub produkt po zalaniu

Na co należy zwrócić uwagę przy doborze maszyny?

  1. Sterowanie procesem – sposoby rozwiązania napędów, kontrola przepływów, obecność zamkniętych pętli sprzężenia zwrotnego itd.
  2. Rodzaj pomp – najpewniejsze do pompowania żywic zalewowych do elektroniki są pompy tłokowe, lub ich pochodne – pompy kawitacyjne. Często są stosowane pompy zębate, ale mają one swoje słabości (odnośnik) i należy być w tym wypadku bardzo ostrożnym.
  3. Sposób serwisowania – maszyny o pompach tłokowych mają cenną cechę: wymiana tłoka (czasem z tuleją) pozwala na prawie całkowitą odbudowę jej parametrów technicznych. Zabezpieczenie serwisowe dla maszyn do zalewania elektroniki jest bardzo ważne, chodzi wszak o zapewnienie ciągłości i powtarzalności procesu.
  4. Zmienność stosunku mieszania – To jest mitologia, że dobra maszyna do zalewania elektroniki musi mieć „zmienny stosunek mieszania”. W praktyce większość maszyn przez kilka lat pracuje na jednym rodzaju żywicy. Możliwość zmiany stosunku mieszania to co innego niż „zmienność stosunku mieszania”. Często producenci, którzy mają kłopoty z utrzymaniem stosunku mieszania reklamują się, że oferują maszynę o zmiennym stosunku mieszania. W praktyce oznacza to, że maszyna wymaga ciągłej kalibracji, gdyż nie potrafi (z różnych przyczyn) utrzymać stosunku mieszania w ryzach. Oferowane przez AMB TECHNIC rozwiązania oparte na pompach tłokowych lub kawitacyjnych zapewniają stabilność stosunku mieszania, bez konieczności ciągłej regulacji i poprawiania nastaw.
  5. Głębokość regulacji – dawka i stosunek mieszania mają czasem możliwości zmienności. Ważne jest jednak, by mieć świadomość, że każdy z tych parametrów ma swoją głębokość regulacji. Głębokość regulacji to iloraz wielkość maksymalnej i minimalnej. Dla niektórych urządzeń (pompa kawitacyjna) może wynosić nawet 70-90, co oznacza, że wielkość dawki maksymalnej może być np. 70 razy większa niż dawki minimalnej. Ale często głębokość regulacji w maszynach dozujących wynosi tylko 4-7, a to ma kilka implikacji, na przykład maszyny z małą głębokością regulacji są tańsze niż te z dużą głębokością regulacji.
  6. Wielkość zbiorników – zasada jest prosta: wielkość zbiornika powinna być minimalnie taka, by jego pojemność nie wyczerpała się w czasie jednej zmiany. Może być większy lub mniejszy, ale trzeba uważać, żeby żywica do zalewania nie przebywała w zbiorniku technologicznym miesiącami. Będzie podlegała degradacji i starzeniu.
  7. Inne – grzanie, stabilizacja termiczna, recyrkulacja – jest jeszcze wiele innych czynników decyzyjnych wpływających na wielkość budżetu inwestycyjnego.
  8. Cena maszyny – zwykle klienci nie chcą przepłacać za maszynę. Oczywiście, zawsze „lepsza” jest maszyna tańsza pod warunkiem, że jest tak samo dobra jak ta droższa. Jednak w mojej karierze spotkałem się już z sytuacją, że zakupiono maszynę tańszą, mniejszą, a potem użytkowano ją „do zarżnięcia”. Porównując to do samochodu, kupiono malucha i używano go do ciągnięcia przyczepy z węglem. Często nie było to zamierzone – na początku stosowano maszynę w mniejszym obciążeniu. Jednak po czasie zwiększyła się produkcja i maszynę powinno się wymienić. Niestety, to co jest oczywiste w przypadku samochodu, nie zawsze jest oczywiste w przypadku maszyny do zalewania żywicami. Spotykałem się z opinią, że „maszyna jest kiepskiej jakości” podczas gdy była jedynie niewłaściwa do wielkości produkcji.

WAŻNA UWAGA: czasem do małej operacji potrzebna jest skomplikowana maszyna. Jeśli np. żywica do zalewania elektroniki jest „trudna”: trzeba ją podgrzewać, cyrkulować, odpowietrzać, a do tego mieszać dynamicznie lub wysokociśnieniowo, po prostu nie da się „małą i tanią” maszyną zrobić trudnej roboty. W ekonomii nazywa się to „próg opłacalności” lub „bariera wejścia”. W takich sytuacjach jest nieraz możliwość wypożyczenia maszyny od firmy AMB TECHNIC na jakiś czas, żeby wykonać zlecenie, pokonać pik produkcyjny lub zalać krótką serię elektroniki.

Kontakt: Marek Bernaciak, tel.  605 631 531, e-mail: marek.bernaciak@amb.pl

Osobne artykuły – odnośniki:
Czas życia żywicy, kleju – co to jest?
Jakie dane przygotować przed zapytaniem ofertowym o maszynę dozującą? Głębokość regulacji !!
Objętościowy i wagowy stosunek mieszania
Mieszanie statyczne żywic
Dlaczego pompy zębate nie są dobre do żywic?
Mieszanie dynamiczne – rodzaje płukania komory mieszającej
Pompy do pompowania żywic
Pompy do odmierzania żywic
Co to jest lepkość i jak się ją mierzy?

 

Dodaj komentarz

Kontynuując przeglądanie strony, wyrażasz zgodę na używanie przez nas plików cookies. więcej informacji

Aby zapewnić Tobie najwyższy poziom realizacji usługi, opcje ciasteczek na tej stronie są ustawione na "zezwalaj na pliki cookies". Kontynuując przeglądanie strony bez zmiany ustawień lub klikając przycisk "Akceptuję" zgadzasz się na ich wykorzystanie.

Zamknij