Servizi di incapsulamento per PCB: composti, processi e regole di progettazione

L'incapsulamento dei PCB consiste nel racchiudere una scheda assemblata (o un connettore o un modulo) in un blocco solido di resina, sigillandola completamente contro umidità, vibrazioni, agenti chimici e manomissioni. È la forma di protezione elettronica più robusta, molto più resistente di un sottile rivestimento, ma aggiunge peso, costi e rende la scheda non riparabile, quindi viene utilizzata solo quando l'ambiente lo richiede. Questa guida spiega cos'è l'incapsulamento, in cosa si differenzia dal rivestimento conforme, le resine più comuni e i relativi compromessi, e come Highleap Electronics fornisce l'incapsulamento come parte del processo di assemblaggio.

1. Cos'è l'incapsulamento dei PCB e da cosa protegge?

L'incapsulamento dei PCB è il processo di riempimento di un contenitore o di uno stampo attorno a una scheda assemblata con una resina liquida che, una volta indurita, forma una massa solida, incapsulando completamente i componenti elettronici. Protegge da umidità e infiltrazioni d'acqua, urti e vibrazioni meccaniche, polvere, agenti chimici aggressivi, cicli termici e manomissioni o tentativi di reverse engineering: una sigillatura molto più completa rispetto a un rivestimento superficiale, poiché i componenti sono incorporati in un materiale solido anziché essere semplicemente ricoperti.

L'incapsulamento totale è il motivo per cui l'incapsulamento viene scelto per le applicazioni più estreme: moduli automobilistici e industriali, elettronica per esterni e nautica, alimentatori e qualsiasi componente soggetto a vibrazioni costanti o immersione. Lo stesso obiettivo, ovvero proteggere dagli agenti esterni, è alla base anche della progettazione di PCB completamente impermeabili , per i quali l'incapsulamento è spesso il passaggio decisivo. I compromessi da considerare sono il peso, i costi aggiuntivi, alcune considerazioni termiche e il fatto che un circuito stampato incapsulato generalmente non può essere riparato; per questo motivo, l'incapsulamento è riservato ai prodotti che ne hanno effettivamente bisogno.

2. Incapsulamento del PCB o rivestimento conforme: quale scegliere?

Scegliete un rivestimento conforme per una protezione generale dall'umidità e dalla contaminazione, con un peso e un costo contenuti, e un'incapsulazione quando la scheda è esposta all'immersione in acqua, a forti vibrazioni o a sostanze chimiche aggressive e necessita della massima robustezza. Entrambi i metodi proteggono da minacce sovrapposte, ma differiscono enormemente in termini di grado di protezione:

Per la maggior parte dei dispositivi elettronici per interni e di consumo, un rivestimento protettivo è la soluzione più adeguata ed economica. L'incapsulamento, invece, giustifica il suo peso e il suo costo solo in applicazioni particolarmente gravose, come immersione, urti continui, esposizione a sostanze chimiche o la necessità di nascondere il circuito. Una regola utile: se una pellicola sottile può resistere all'ambiente, è meglio applicare un rivestimento protettivo; se invece il circuito stampato deve essere sigillato con un materiale solido per resistere, è preferibile incapsularlo.

3. Composti per incapsulamento: epossidico, poliuretanico e siliconico

I tre principali composti per l'incapsulamento sono l'epossidica (la più dura e resistente agli agenti chimici e alle manomissioni), il poliuretano (resistente ma più flessibile, adatto alle vibrazioni) e il silicone (morbido, flessibile e ideale per ampi intervalli di temperatura e stress termico). La scelta della resina rappresenta un equilibrio tra durezza, flessibilità, intervallo di temperatura e comportamento termico.

• Epoxy Indurisce e aderisce saldamente, offrendo la migliore resistenza chimica e la barriera più forte contro le manomissioni, ma la sua rigidità trasmette le sollecitazioni termiche, quindi è adatto ad applicazioni a temperatura stabile.
• poliuretano È resistente ma al contempo più elastico dell'epossidica, assorbendo bene vibrazioni e urti meccanici, il che lo rende una scelta comune per attrezzature mobili o soggette a sollecitazioni intense.
• Silicone Rimane morbido e flessibile in un intervallo di temperature molto ampio, alleviando le sollecitazioni dovute alla dilatazione termica sui componenti, ed è quindi la scelta ideale per assemblaggi ad alta temperatura o sottoposti a cicli termici.

Poiché la resina viene applicata direttamente sull'assemblaggio, è strettamente correlata ai materiali in resina epossidica per PCB generalmente utilizzati nell'incapsulamento, e la scelta di quella più adatta dipende dalla temperatura di esercizio, dall'ambiente meccanico e dall'importanza della dissipazione del calore attraverso l'incapsulamento per la scheda in questione.

4. Come progettare una tavola per il rinvaso

Progettare un circuito stampato per l'incapsulamento tenendo conto del peso e della dilatazione termica della resina, evitando la formazione di bolle d'aria, proteggendo i connettori e le parti regolabili che devono rimanere accessibili e gestendo il calore generato dai componenti di potenza incorporati nella resina. L'incapsulamento modifica il comportamento meccanico e termico dell'assemblaggio, pertanto dovrebbe essere pianificato in fase di progettazione anziché essere aggiunto in modo casuale. Considerazioni chiave:

• sollecitazioni dovute all'espansione termica. Una resina rigida che si espande e si contrae può sollecitare eccessivamente le saldature e i componenti, quindi il posizionamento dei componenti e la scelta della resina devono essere adatti all'intervallo di temperatura.
• Intrappolamento dell'aria. Parti alte e spazi ristretti possono intrappolare bolle d'aria durante la colata; la progettazione e la degassificazione (spesso tramite incapsulamento sottovuoto) prevengono la formazione di vuoti che indeboliscono la tenuta.
• Zone interdette. I connettori, i punti di test e i componenti regolabili che devono rimanere utilizzabili devono essere mascherati o posizionati all'esterno dell'area in cui sono contenuti.
• Dissipazione di calore. I componenti di potenza incorporati nella resina perdono il raffreddamento ad aria, quindi la conduttività termica della resina e la progettazione termica del circuito stampato devono compensare questo problema.

Questi sono esattamente i tipi di problemi che una revisione della produzione fa emergere precocemente, allo stesso modo in cui una revisione della producibilità pre-assemblaggio individua i rischi di assemblaggio prima che raggiungano la produzione: è molto più economico affrontarli in fase di progettazione che dopo che una scheda è stata sigillata nella resina.

5. Il processo di incapsulamento del PCB passo dopo passo

Il processo di incapsulamento si articola in cinque fasi: preparare e mascherare il circuito stampato, miscelare la resina bicomponente nel rapporto corretto, versarla nell'involucro o nello stampo, rimuovere l'aria intrappolata mediante degassamento sottovuoto e infine polimerizzare fino a solidificarsi. Ogni fase presenta una modalità di errore che determina se l'incapsulamento finale protegge effettivamente il circuito stampato; ecco perché l'incapsulamento è un processo controllato e non una semplice colata di resina.

• Preparatevi e indossate la mascherina. La scheda viene pulita per garantire una buona adesione della resina e, prima dell'incapsulamento, vengono mascherati eventuali connettori, punti di test o parti regolabili che devono rimanere accessibili.
• Mescolare secondo le proporzioni indicate. La maggior parte dei composti per ceramica sono sistemi bicomponenti che devono essere miscelati in proporzioni precise e accuratamente amalgamati; una miscela non corretta o con proporzioni errate potrebbe non indurirsi completamente o presentare punti deboli.
• Distribuire. La resina viene versata o pompata nell'involucro o nello stampo attorno alla scheda, riempiendone il volume senza spostare i componenti.
• Degassaggio sotto vuoto. L'assemblaggio viene posto sottovuoto per aspirare l'aria intrappolata nella resina liquida e da sotto le parti con basso distanziale, poiché le bolle d'aria indeboliscono la tenuta e creano vie di infiltrazione di calore e umidità.
• Cura. La resina si indurisce, a temperatura ambiente o con il calore a seconda del composto, formando il blocco solido finale. Il ciclo di indurimento influisce sulle proprietà meccaniche e termiche della resina.

La degassificazione sottovuoto è la fase più spesso sottovalutata: senza di essa, le bolle d'aria intrappolate durante la colata lasciano vuoti che compromettono la protezione che l'incapsulamento dovrebbe fornire. La resina scelta per queste fasi è strettamente correlata ai sistemi di resina epossidica utilizzati nell'incapsulamento e, per i prodotti in cui l'immersione completa è l'obiettivo, il processo è una parte fondamentale della realizzazione di un PCB impermeabile.

6. Come Highleap protegge e incapsula i tuoi assemblaggi

Highleap offre servizi di incapsulamento e sigillatura come parte integrante dell'assemblaggio, selezionando la resina e il processo più adatti al vostro ambiente e proteggendo le aree che devono rimanere accessibili. Attraverso l'incapsulamento dei PCB , le schede vengono sigillate con l'apposito composto epossidico, poliuretanico o siliconico, prestando attenzione a vuoti, stress termico e aree di esclusione per i connettori.

Poiché l'incapsulamento è la fase finale di protezione di un circuito stampato, Highleap lo offre all'interno di un processo di assemblaggio chiavi in ​​mano : il circuito stampato viene quindi fabbricato, assemblato, testato e infine incapsulato in un flusso coordinato. I prodotti meno impegnativi possono invece essere rivestiti con un rivestimento protettivo, laddove questo sia il livello di protezione adeguato. Quando richiedete un preventivo, descrivete l'ambiente operativo (immersione, vibrazioni, intervallo di temperatura, esposizione a sostanze chimiche), le aree che devono rimanere accessibili e le eventuali esigenze di dissipazione del calore, in modo da poter scegliere il composto e il processo più adatti.

7. Domande frequenti sull'incapsulamento dei PCB

Quanto costa l'incapsulamento dei circuiti stampati?

L'incapsulamento comporta costi aggiuntivi dovuti al materiale resinoso, alla manodopera e alle attrezzature per la miscelazione, l'erogazione e la degassificazione sottovuoto, nonché ai tempi di indurimento; pertanto, il costo unitario aumenta con le dimensioni del circuito stampato e il volume di resina. Risulta più economico se integrato nel processo di assemblaggio e realizzato in lotti, piuttosto che aggiunto in un secondo momento.

La messa in vaso è la stessa cosa dell'incapsulamento?

Nel settore dell'elettronica, i due termini vengono spesso usati in modo intercambiabile: entrambi indicano l'incapsulamento di un circuito stampato in resina indurita. In senso stretto, "incapsulamento" implica il versamento della resina in un involucro che rimane sul prodotto, mentre "incapsulamento" può riferirsi a un corpo in resina stampato, ma il processo e i materiali sono gli stessi.

È possibile rimuovere il terriccio per effettuare una riparazione?

L'incapsulamento in resina epossidica rigida è praticamente permanente e non può essere rimosso senza distruggere il circuito stampato; i composti più morbidi come il silicone e alcuni poliuretani possono talvolta essere tagliati o rimossi per interventi di riparazione limitati, ma l'incapsulamento viene generalmente scelto per prodotti che non saranno riparati.

L'incapsulamento provoca il surriscaldamento dei componenti?

Può succedere, perché l'incapsulamento dei componenti nella resina impedisce il raffreddamento tramite flusso d'aria. La soluzione consiste nell'utilizzare un composto di incapsulamento termicamente conduttivo o nel progettare percorsi termici verso l'involucro, in modo che i componenti di potenza disperdano il calore attraverso la resina anziché accumularlo internamente.

Quale grado di protezione IP può raggiungere un PCB incapsulato?

Una scheda correttamente incapsulata con ingressi per cavi sigillati può raggiungere elevati livelli di protezione contro l'ingresso di agenti esterni, inclusi i gradi di tenuta alla polvere e di resistenza all'immersione, motivo per cui l'incapsulamento è una pratica comune per i dispositivi elettronici installati all'esterno, in ambienti marini e interrati. Il grado di protezione raggiunto dipende dall'involucro, dalla tenuta dei connettori e dall'assenza di vuoti nell'incapsulamento.

Quanto tempo ci vuole per far maturare il prodotto in vaso?

Il tempo di indurimento dipende dal composto e dal metodo, e varia da poche ore per le resine epossidiche a indurimento termico a un giorno o più per alcuni sistemi a temperatura ambiente. Il ciclo di indurimento influisce sulla durezza finale e sul comportamento termico della resina, pertanto viene adattato all'applicazione specifica anziché essere affrettato.