Služby zalévání desek plošných spojů: Směsi, proces a pravidla návrhu

Zalévání desek plošných spojů (PCB) obaluje sestavenou desku (nebo konektor či modul) v pevném bloku pryskyřice, čímž ji zcela utěsní proti vlhkosti, vibracím, chemikáliím a neoprávněné manipulaci. Je to nejodolnější forma ochrany elektroniky – mnohem pevnější než tenký povlak – ale zvyšuje hmotnost, náklady a činí desku neopravitelnou, takže se používá tam, kde to prostředí vyžaduje. Tato příručka vysvětluje, co je zalévání, jak se liší od konformního povlakování, běžné pryskyřice a jejich nevýhody a jak společnost Highleap Electronics poskytuje zalévání jako součást montáže.

1. Co je zalévání desek plošných spojů a proti čemu chrání?

Zalévání desek plošných spojů je proces vyplňování krytu nebo formy kolem sestavené desky tekutou pryskyřicí, která vytvrdne do pevné hmoty a plně zapouzdří elektroniku. Chrání před vlhkostí a vniknutím vody, mechanickými nárazy a vibracemi, prachem, agresivními chemikáliemi, tepelnými cykly a reverzním inženýrstvím nebo neoprávněnou manipulací – mnohem dokonalejší utěsnění než povrchová úprava, protože součástky jsou zalité v pevném materiálu, nikoli pouze zakryté.

Toto úplné zapouzdření je důvodem, proč se zalévání volí pro nejnáročnější aplikace: automobilové a průmyslové moduly, venkovní a námořní elektroniku, napájecí zdroje a vše, co je vystaveno neustálým vibracím nebo ponoření. Stejný cíl – ochrana před vlivy prostředí – vede také k plně vodotěsnému designu desek plošných spojů, u nichž je zalévání často rozhodujícím krokem. Nevýhodami jsou hmotnost, dodatečné náklady, některé tepelné aspekty a skutečnost, že zalévanou desku obecně nelze opravit, a proto je zalévání vyhrazeno pro produkty, které to skutečně potřebují.

2. Zalévání desek plošných spojů vs. konformní povlakování: který z nich potřebujete?

Pro všeobecnou ochranu proti vlhkosti a kontaminaci při nízké hmotnosti a nákladech zvolte konformní povlak a pro zalévání, když je deska vystavena ponoření do vody, silným vibracím nebo agresivním chemikáliím a vyžaduje maximální odolnost. Oba typy ochrany chrání před překrývajícími se hrozbami, ale liší se stupněm:

Pro většinu vnitřní a spotřební elektroniky je konformní povlak tou správnou a ekonomickou úrovní ochrany. Zalévání si vyžádá svou váhu a cenu pouze tehdy, je-li aplikace skutečně náročná – ponoření, neustálé nárazy, vystavení chemickým látkám nebo potřeba skrýt obvod. Užitečné pravidlo: pokud tenká vrstva přežije prostředí, potřete ji; pokud musí být deska utěsněna v pevném materiálu, aby přežila, zalijte ji.

3. Zalévací hmoty: epoxidové, polyuretanové a silikonové

Tři hlavní zalévací hmoty jsou epoxidová (nejtvrdší a nejodolnější vůči chemikáliím a neodolnosti), polyuretanová (tvrdá, ale pružnější, odolná vůči vibracím) a silikonová (měkká, pružná a nejlepší pro široké teplotní rozsahy a tepelné namáhání). Volba pryskyřice je vyváženým poměrem tvrdosti, flexibility, teplotního rozsahu a tepelného chování:

• epoxidová Vytvrzuje tvrdě a pevně se spojuje, čímž poskytuje nejlepší chemickou odolnost a nejsilnější bariéru proti neoprávněné manipulaci – jeho tuhost však přenáší tepelné namáhání, takže je vhodný pro aplikace se stabilní teplotou.
• polyuretan Je pevný, ale zároveň pružnější než epoxid, dobře absorbuje vibrace a mechanické nárazy, což z něj dělá běžnou volbu pro pohyblivá nebo robustní zařízení.
• silikonové Zůstává měkký a pružný ve velmi širokém rozsahu teplot, čímž ulevuje od tepelné roztažnosti součástí, a je vhodný pro sestavy vystavené vysokým teplotám nebo tepelným cyklům.

Protože se pryskyřice nanáší přímo na sestavu, je úzce spjata s epoxidovými pryskyřičnými materiály desek plošných spojů používanými při zapouzdření obecně. Výběr správného materiálu závisí na provozní teplotě, mechanickém prostředí a na tom, zda je pro vaši desku důležitý odvod tepla přes zalévání.

4. Jak navrhnout prkénko pro zasazení rostlin

Navrhněte desku pro zalévání s ohledem na hmotnost a tepelnou roztažnost pryskyřice, vyhněte se zachyceným vzduchovým kapsám, ochraňte konektory a nastavitelné části, které musí zůstat přístupné, a odvádějte teplo z výkonových komponent zabudovaných v pryskyřici. Zalévání mění mechanické a tepelné chování sestavy, proto by mělo být plánováno v návrhu, a nikoli přidáváno naslepo. Klíčové aspekty:

• Tepelné roztažné napětí. Tuhá pryskyřice, která se rozpíná a smršťuje, může namáhat pájené spoje a součástky, takže umístění součástek a výběr pryskyřice musí odpovídat teplotnímu rozsahu.
• Zachycení vzduchu. Vysoké díly a úzké mezery mohou během lití zachytit vzduchové dutiny; rozvržení a odplynění (často vakuové zalévání) zabraňuje vzniku dutin, které oslabují těsnění.
• Oblasti s uzamčeným vstupem. Konektory, testovací body a nastavitelné součástky, které musí zůstat použitelné, je třeba maskovat nebo umístit mimo zalitou oblast.
• Odvod tepla. Výkonové součástky zalité v pryskyřici ztrácejí chlazení prouděním vzduchu, takže tepelná vodivost pryskyřice a tepelný design desky se s tím musí vypořádat.

Přesně takové problémy odhalí kontrola výroby v rané fázi, stejně jako kontrola vyrobitelnosti před sestavením odhalí rizika montáže ještě předtím, než se dostanou do výroby – mnohem levnější je řešit v návrhu než po zatavení desky do pryskyřice.

5. Proces zalévání desek plošných spojů krok za krokem

Proces zalévání probíhá v pěti krocích: příprava a zakrytí desky, smíchání dvousložkové pryskyřice ve správném poměru, její dávkování do pouzdra nebo formy, odstranění zachyceného vzduchu vakuovým odplyněním a následné vytvrzení do pevné látky. Každý krok má režim selhání, který určuje, zda hotové zapouzdření desku skutečně chrání, a proto je zalévání kontrolovaným procesem, nikoli pouhým litím pryskyřice:

• Připravte se a nasaďte si masku. Deska se očistí, aby se pryskyřice dobře spojila, a všechny konektory, testovací body nebo nastavitelné části, které musí zůstat přístupné, se před zaléváním zamaskují.
• Smíchejte v poměru. Většina zalévacích hmot jsou dvousložkové systémy, které musí být smíchány v přesném poměru a důkladně promíchány; směs s nesprávným poměrem nebo špatně promíchaná směs nemusí nikdy zcela vytvrdnout nebo může vytvrdnout se slabými místy.
• Dávkovat. Pryskyřice se nalije nebo čerpá do pouzdra nebo formy kolem desky a vyplní tak objem, aniž by narušila součástky.
• Vakuové odplynění. Sestava je umístěna pod vakuem, aby se z tekuté pryskyřice odstranil zachycený vzduch zpod dílů s nízkou vzdáleností, protože vzduchové dutiny oslabují těsnění a vytvářejí cesty pro vstup tepla a vlhkosti.
• Lék. Pryskyřice tvrdne – při pokojové teplotě nebo za tepla v závislosti na směsi – a tvoří finální pevný blok. Harmonogram vytvrzování ovlivňuje mechanické a tepelné vlastnosti pryskyřice.

Vakuové odplynění je krok, který se nejčastěji podceňuje: bez něj vzduchové kapsy zachycené během lití zanechávají dutiny, které ohrožují samotnou ochranu, kterou má zalévání poskytovat. Pryskyřice zvolená pro tyto kroky je úzce spjata s epoxidovými pryskyřičnými systémy používanými při zapouzdření a u produktů, u kterých je cílem úplné ponoření, je tento proces klíčovou součástí konstrukce vodotěsné desky plošných spojů.

6. Jak Highleap chrání a izoluje vaše sestavy

Společnost Highleap poskytuje zalévání a zapouzdření jako součást montáže, přičemž volí pryskyřici a proces tak, aby odpovídaly vašemu prostředí a chránily oblasti, které musí zůstat přístupné. Díky zapouzdření desek plošných spojů jsou desky utěsněny vhodnou epoxidovou, polyuretanovou nebo silikonovou směsí s ohledem na dutiny, tepelné namáhání a utěsnění konektorů.

Protože zalévání je posledním ochranným krokem na povrchu sestavené desky, Highleap jej dodává v rámci kompletace na klíč – deska je tedy vyrobena, osazena, otestována a poté zalita jako jeden koordinovaný proces a lehčí výrobky mohou místo toho obdržet konformní povlak tam, kde je to potřeba. Při žádosti o cenovou nabídku popište provozní prostředí (ponoření, vibrace, teplotní rozsah, chemické vystavení), které oblasti musí zůstat přístupné a jakékoli potřeby odvodu tepla, aby byla zvolena správná směs a proces.

7. Často kladené otázky k zalévání desek plošných spojů

Kolik stojí zalévání desek plošných spojů?

Zalévání zvyšuje náklady na pryskyřičný materiál, práci a vybavení pro míchání, dávkování a vakuové odplyňování a dobu vytvrzování, takže jednotkové náklady rostou s velikostí desky a objemem pryskyřice. Nejúspornější je, když je navrženo do sestavy a prováděno v dávkách, spíše než když se přidává jednorázově dodatečně.

Je zalévání totéž co zapouzdření?

Tyto termíny se ve většině elektronických prací používají zaměnitelně – oba znamenají zalití desky s plošnými spoji do vytvrzené pryskyřice. Přesněji řečeno, „zalévání“ znamená nalití pryskyřice do pouzdra, které zůstává na výrobku, zatímco „zapouzdření“ může znamenat lisované pryskyřičné těleso, ale proces a materiály jsou stejné.

Lze zalévací hmotu odstranit kvůli opravě?

Pevné epoxidové zalévání je v podstatě trvalé a nelze jej odstranit bez zničení desky; měkčí silikon a některé polyuretanové směsi lze někdy pro omezenou úpravu odříznout nebo vykopat, ale zalévání se obvykle volí pro výrobky, které se neopravují.

Způsobuje zalévání přehřívání součástek?

Může, protože zalití součástí do pryskyřice odstraňuje chlazení prouděním vzduchu. Řešením je použití tepelně vodivé zalévací směsi nebo návrh tepelných cest k pouzdru, aby výkonové komponenty odváděly teplo pryskyřicí, místo aby ho hromadily uvnitř.

Jakého krytí IP může dosáhnout zalitá deska plošných spojů?

Správně zalitá deska s utěsněnými kabelovými vstupy může dosáhnout vysoké úrovně ochrany proti vniknutí, včetně plné prachotěsnosti a odolnosti proti ponoření, a proto je zalévání běžné pro venkovní, námořní a zakopanou elektroniku. Dosažená třída ochrany závisí na krytu, těsnění konektorů a zalévání bez dutin.

Jak dlouho trvá, než zalévání vytvrdne?

Doba vytvrzování závisí na použité směsi a metodě a pohybuje se od několika hodin u tepelně vytvrzovaných epoxidů až po jeden den nebo i více u některých systémů vytvrzovaných při pokojové teplotě. Harmonogram vytvrzování ovlivňuje konečnou tvrdost a tepelné chování pryskyřice, takže se přizpůsobuje aplikaci, nikoli se uspěchá.