บริการห่อหุ้มแผ่นวงจรพิมพ์ (PCB Potting): สารประกอบ กระบวนการ และกฎการออกแบบ

การพอกฝาแผงวงจรพิมพ์ (PCB potting) คือการห่อหุ้มแผงวงจรที่ประกอบเสร็จแล้ว (หรือขั้วต่อหรือโมดูล) ด้วยเรซินแข็งๆ เพื่อป้องกันความชื้น การสั่นสะเทือน สารเคมี และการดัดแปลงแก้ไขอย่างสมบูรณ์ นี่เป็นวิธีการป้องกันอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ทนทานที่สุด – แข็งแรงกว่าการเคลือบผิวบางๆ มาก – แต่จะเพิ่มน้ำหนัก ต้นทุน และทำให้แผงวงจรซ่อมแซมไม่ได้ ดังนั้นจึงใช้เฉพาะในกรณีที่สภาพแวดล้อมกำหนดไว้เท่านั้น คู่มือนี้จะอธิบายว่าการพอกฝาแผงวงจรพิมพ์คืออะไร แตกต่างจากการเคลือบผิวแบบคอนฟอร์มอลอย่างไร เรซินที่ใช้กันทั่วไปและข้อดีข้อเสียของแต่ละชนิด และวิธีที่ Highleap Electronics ให้บริการพอกฝาแผงวงจรพิมพ์เป็นส่วนหนึ่งของกระบวนการประกอบ

1. การเคลือบ PCB คืออะไร และช่วยป้องกันอะไรบ้าง?

การเคลือบ PCB ด้วยเรซินเหลว คือกระบวนการเติมเรซินเหลวลงในกล่องหรือแม่พิมพ์รอบแผงวงจรที่ประกอบเสร็จแล้ว เรซินจะแข็งตัวกลายเป็นมวลแข็ง ห่อหุ้มชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์อย่างสมบูรณ์ ป้องกันความชื้นและการซึมของน้ำ แรงกระแทกและการสั่นสะเทือน ฝุ่น สารเคมีรุนแรง การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ และการดัดแปลงแก้ไข ซึ่งเป็นการปิดผนึกที่สมบูรณ์กว่าการเคลือบผิวมาก เพราะชิ้นส่วนต่างๆ ถูกฝังอยู่ในวัสดุแข็ง ไม่ใช่แค่ถูกเคลือบไว้เฉยๆ

การห่อหุ้มอย่างสมบูรณ์แบบนั้นเป็นเหตุผลที่เลือกใช้การเคลือบด้วยเรซินสำหรับงานที่ต้องการความทนทานสูง เช่น โมดูลยานยนต์และอุตสาหกรรม อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กลางแจ้งและทางทะเล แหล่งจ่ายไฟ และสิ่งใดก็ตามที่ต้องเผชิญกับการสั่นสะเทือนหรือการจุ่มน้ำอย่างต่อเนื่อง เป้าหมายเดียวกันนี้ คือการป้องกันสิ่งแวดล้อมภายนอก ยังเป็นแรงผลักดันให้เกิด การออกแบบ แผงวงจรพิมพ์ (PCB) ที่กันน้ำ ได้อย่างสมบูรณ์ ซึ่งการเคลือบด้วยเรซินมักเป็นขั้นตอนที่สำคัญที่สุด ข้อเสียคือ น้ำหนักที่เพิ่มขึ้น ต้นทุนที่สูงขึ้น ข้อควรพิจารณาด้านความร้อนบางประการ และข้อเท็จจริงที่ว่าแผงวงจรที่เคลือบด้วยเรซินโดยทั่วไปไม่สามารถซ่อมแซมได้ ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมการเคลือบด้วยเรซินจึงสงวนไว้สำหรับผลิตภัณฑ์ที่จำเป็นอย่างแท้จริง

2. การเคลือบ PCB ด้วยวัสดุกันน้ำ กับการเคลือบแบบคอนฟอร์มอล: คุณต้องการแบบไหน?

เลือกใช้สารเคลือบแบบคอนฟอร์มอลสำหรับการป้องกันความชื้นและการปนเปื้อนทั่วไปด้วยน้ำหนักและต้นทุนต่ำ และเลือกใช้สารเคลือบแบบพอกเมื่อแผงวงจรต้องเผชิญกับการแช่น้ำ การสั่นสะเทือนสูง หรือสารเคมีที่มีฤทธิ์กัดกร่อน และต้องการความทนทานสูงสุด ทั้งสองวิธีให้การป้องกันภัยคุกคามที่ซ้ำซ้อนกัน แต่มีความแตกต่างกันอย่างมากในระดับความทนทาน:

สำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ภายในอาคารและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภคส่วนใหญ่การเคลือบแบบคอนฟอร์มอลเป็นระดับการป้องกันที่เหมาะสมและประหยัด การห่อหุ้มด้วยวัสดุแข็งจะคุ้มค่าและมีราคาแพงก็ต่อเมื่อการใช้งานนั้นรุนแรงจริงๆ เช่น การจุ่มน้ำ การกระแทกอย่างต่อเนื่อง การสัมผัสสารเคมี หรือความจำเป็นในการซ่อนวงจร กฎง่ายๆ คือ ถ้าฟิล์มบางๆ สามารถทนต่อสภาพแวดล้อมได้ ก็ควรเคลือบ แต่ถ้าแผงวงจรต้องถูกปิดผนึกด้วยวัสดุแข็งเพื่อให้ทนทาน ก็ควรห่อหุ้มด้วยวัสดุแข็ง

3. สารหล่อขึ้นรูป: อีพ็อกซี โพลียูรีเทน และซิลิโคน

สารเคลือบหลักสามชนิด ได้แก่ อีพ็อกซี (แข็งที่สุดและทนต่อสารเคมีและการงัดแงะได้ดีที่สุด) โพลียูรีเทน (เหนียวแต่ยืดหยุ่นกว่า เหมาะสำหรับทนต่อการสั่นสะเทือน) และซิลิโคน (อ่อนนุ่ม ยืดหยุ่น และดีที่สุดสำหรับช่วงอุณหภูมิที่กว้างและความเครียดจากความร้อน) การเลือกใช้เรซินนั้นขึ้นอยู่กับความสมดุลของความแข็ง ความยืดหยุ่น ช่วงอุณหภูมิ และพฤติกรรมทางความร้อน:

• อีพ็อกซี่ เมื่อแข็งตัวแล้วจะแข็งและยึดติดแน่น ให้ความต้านทานต่อสารเคมีได้ดีที่สุดและเป็นเกราะป้องกันการดัดแปลงที่แข็งแกร่งที่สุด แต่ความแข็งของมันจะถ่ายเทความเครียดจากความร้อน ดังนั้นจึงเหมาะสำหรับการใช้งานที่อุณหภูมิคงที่
• ยูรีเทน มีความทนทานแต่ยืดหยุ่นกว่าอีพ็อกซี่ สามารถดูดซับแรงสั่นสะเทือนและแรงกระแทกทางกลได้ดี จึงเป็นตัวเลือกที่นิยมใช้สำหรับอุปกรณ์ที่เคลื่อนย้ายได้หรืออุปกรณ์ที่ต้องการความทนทานสูง
• ยางทำจากซิลิคอน ยังคงความนุ่มและยืดหยุ่นได้ดีในช่วงอุณหภูมิที่กว้างมาก ช่วยลดความเครียดจากการขยายตัวเนื่องจากความร้อนของชิ้นส่วน และเป็นที่นิยมสำหรับชิ้นส่วนประกอบที่ต้องใช้งานที่อุณหภูมิสูงหรือมีการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิซ้ำๆ

เนื่องจากเรซินถูกสร้างขึ้นโดยตรงบนชิ้นส่วนประกอบ จึงมีความเกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับ วัสดุ เรซินอีพ็อกซี่สำหรับแผงวงจรพิมพ์ (PCB)ที่ใช้ในการห่อหุ้มโดยทั่วไป และการเลือกใช้วัสดุที่เหมาะสมนั้นขึ้นอยู่กับอุณหภูมิในการทำงาน สภาพแวดล้อมทางกล และว่าการระบายความร้อนผ่านวัสดุห่อหุ้มมีความสำคัญต่อแผงวงจรของคุณหรือไม่

4. วิธีการออกแบบแผ่นรองสำหรับปลูกต้นไม้

ออกแบบแผงวงจรสำหรับการเคลือบเรซินโดยคำนึงถึงน้ำหนักและการขยายตัวทางความร้อนของเรซิน หลีกเลี่ยงการเกิดฟองอากาศ ป้องกันขั้วต่อและชิ้นส่วนปรับได้ที่ต้องเข้าถึงได้ และจัดการความร้อนจากชิ้นส่วนไฟฟ้าที่ฝังอยู่ในเรซิน การเคลือบเรซินจะเปลี่ยนพฤติกรรมทางกลและทางความร้อนของชิ้นส่วนประกอบ ดังนั้นจึงควรวางแผนไว้ในขั้นตอนการออกแบบมากกว่าที่จะเพิ่มเข้าไปโดยไม่คิดให้รอบคอบ ข้อควรพิจารณาที่สำคัญ:

• ความเค้นจากการขยายตัวเนื่องจากความร้อน เรซินที่แข็งตัวซึ่งมีการขยายตัวและหดตัวอาจทำให้ข้อต่อบัดกรีและชิ้นส่วนต่างๆ เกิดความเครียด ดังนั้นการจัดวางชิ้นส่วนและการเลือกใช้เรซินจึงต้องเหมาะสมกับช่วงอุณหภูมิ
• การติดค้างของอากาศ ชิ้นส่วนสูงและช่องว่างแคบอาจทำให้เกิดฟองอากาศในระหว่างการเท การจัดวางและการไล่ฟองอากาศ (มักใช้การหล่อแบบสุญญากาศ) จะช่วยป้องกันฟองอากาศที่ทำให้การปิดผนึกอ่อนแอลง
• พื้นที่ห้ามเข้า ขั้วต่อ จุดทดสอบ และชิ้นส่วนปรับได้ที่ต้องยังคงใช้งานได้ จำเป็นต้องมีการปิดบังหรือวางไว้นอกบริเวณที่หุ้มด้วยวัสดุกันซึม
• การระบายความร้อน ชิ้นส่วนกำลังที่ฝังอยู่ในเรซินจะสูญเสียการระบายความร้อนด้วยการไหลเวียนของอากาศ ดังนั้นค่าการนำความร้อนของเรซินและการออกแบบระบายความร้อนของแผงวงจรจึงต้องรับมือกับปัญหานี้

นี่คือปัญหาประเภทที่การตรวจสอบการผลิตจะช่วยให้พบตั้งแต่เนิ่นๆ เช่นเดียวกับการตรวจสอบความสามารถ ในการผลิตก่อนการประกอบ ที่จะช่วยตรวจจับความเสี่ยงในการประกอบก่อนที่จะถึงขั้นตอนการผลิต ซึ่งการแก้ไขปัญหาในขั้นตอนการออกแบบนั้นมีต้นทุนต่ำกว่าการแก้ไขหลังจากที่แผงวงจรถูกเคลือบด้วยเรซินแล้วมาก

5. ขั้นตอนการเคลือบแผ่นวงจรพิมพ์ (PCB potting) ทีละขั้นตอน

กระบวนการเคลือบด้วยเรซินประกอบด้วยห้าขั้นตอน ได้แก่ การเตรียมและปิดบังแผงวงจร การผสมเรซินสองส่วนในอัตราส่วนที่ถูกต้อง การเทเรซินลงในภาชนะหรือแม่พิมพ์ การกำจัดอากาศที่ติดอยู่โดยการดูดสุญญากาศ และการอบให้แข็งตัว แต่ละขั้นตอนมีจุดที่อาจเกิดความล้มเหลว ซึ่งจะกำหนดว่าการเคลือบที่เสร็จสมบูรณ์นั้นสามารถปกป้องแผงวงจรได้จริงหรือไม่ นั่นเป็นเหตุผลว่าทำไมการเคลือบด้วยเรซินจึงเป็นกระบวนการที่มีการควบคุม ไม่ใช่แค่การเทเรซินลงไปเฉยๆ

• เตรียมตัวและสวมหน้ากากอนามัย ทำความสะอาดแผงวงจรเพื่อให้เรซินยึดเกาะได้ดี และปิดบังขั้วต่อ จุดทดสอบ หรือชิ้นส่วนปรับได้ใดๆ ที่จำเป็นต้องเข้าถึงได้ก่อนทำการเคลือบด้วยเรซิน
• ผสมให้ได้อัตราส่วนที่เหมาะสม วัสดุสำหรับหล่อขึ้นรูปส่วนใหญ่เป็นระบบสองส่วนที่ต้องผสมในอัตราส่วนที่แน่นอนและผสมให้เข้ากันอย่างทั่วถึง หากอัตราส่วนไม่ถูกต้องหรือผสมไม่ดี อาจจะไม่แข็งตัวอย่างสมบูรณ์หรืออาจแข็งตัวโดยมีจุดอ่อนอยู่
• จ่ายยา. เรซินจะถูกเทหรือปั๊มเข้าไปในช่องหรือแม่พิมพ์รอบแผงวงจร โดยเติมเต็มปริมาตรโดยไม่รบกวนชิ้นส่วนต่างๆ
• ไล่แก๊สออกด้วยระบบสุญญากาศ นำชิ้นส่วนประกอบไปวางไว้ในสภาวะสุญญากาศเพื่อดึงอากาศที่ติดอยู่ภายในเรซินเหลวและอากาศที่อยู่ใต้ชิ้นส่วนที่มีระยะห่างต่ำออกไป เนื่องจากช่องว่างอากาศจะทำให้การปิดผนึกอ่อนแอลงและสร้างช่องทางให้ความร้อนและความชื้นซึมเข้าไปได้
• รักษา. เรซินจะแข็งตัวที่อุณหภูมิห้องหรือด้วยความร้อน ขึ้นอยู่กับส่วนประกอบนั้นๆ ก่อตัวเป็นก้อนแข็งในที่สุด ระยะเวลาการบ่มมีผลต่อคุณสมบัติทางกลและทางความร้อนของเรซิน

การไล่แก๊สด้วยระบบสุญญากาศเป็นขั้นตอนที่มักถูกมองข้ามมากที่สุด: หากไม่มีขั้นตอนนี้ ฟองอากาศที่ติดอยู่ระหว่างการเทจะทำให้เกิดช่องว่าง ซึ่งจะลดประสิทธิภาพการป้องกันที่การเคลือบเรซินควรจะให้ได้ เรซินที่เลือกใช้ในขั้นตอนเหล่านี้มีความเกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับ ระบบ เรซินอีพ็อกซีที่ใช้ในการห่อหุ้ม และสำหรับผลิตภัณฑ์ที่ต้องการการจุ่มลงในของเหลวอย่างสมบูรณ์ กระบวนการนี้เป็นส่วนสำคัญในการสร้าง แผงวงจร พิมพ์กันน้ำ

6. Highleap บรรจุและปกป้องชิ้นส่วนประกอบของคุณอย่างไร

Highleap ให้บริการการหล่อและการห่อหุ้มเป็นส่วนหนึ่งของกระบวนการประกอบ โดยเลือกเรซินและกระบวนการให้เหมาะสมกับสภาพแวดล้อมของคุณ และปกป้องพื้นที่ที่จำเป็นต้องเข้าถึงได้ ด้วยการห่อหุ้ม PCBแผงวงจรจะถูกปิดผนึกด้วยสารประกอบอีพ็อกซี โพลียูรีเทน หรือซิลิโคน ที่เหมาะสม โดยคำนึงถึงช่องว่าง ความเครียดจากความร้อน และพื้นที่ห้ามติดตั้งขั้วต่อ

เนื่องจากการเคลือบด้วยเรซินเป็นขั้นตอนการป้องกันขั้นสุดท้ายบนแผงวงจรที่ประกอบเสร็จแล้ว Highleap จึงให้บริการแบบครบวงจรกล่าวคือ แผงวงจรจะถูกผลิต ประกอบ ทดสอบ และเคลือบด้วยเรซินในขั้นตอนเดียวอย่างเป็นระบบ ส่วนผลิตภัณฑ์ที่ใช้งานเบากว่าสามารถใช้การเคลือบแบบคอนฟอร์มอลแทนได้หากเหมาะสม เมื่อคุณขอใบเสนอราคา โปรดอธิบายสภาพแวดล้อมการใช้งาน (การแช่น้ำ การสั่นสะเทือน ช่วงอุณหภูมิ การสัมผัสสารเคมี) บริเวณใดบ้างที่ต้องเข้าถึงได้ และความต้องการในการระบายความร้อน เพื่อให้สามารถเลือกวัสดุและกระบวนการที่เหมาะสมได้

7. คำถามที่พบบ่อยเกี่ยวกับการห่อหุ้ม PCB

การเคลือบ PCB ด้วยเรซินมีราคาเท่าไหร่?

การเคลือบด้วยเรซินเพิ่มต้นทุนจากวัสดุเรซิน ค่าแรงและอุปกรณ์สำหรับการผสม การจ่าย และการไล่ฟองอากาศด้วยระบบสุญญากาศ รวมถึงเวลาในการบ่ม ดังนั้นต้นทุนต่อหน่วยจึงสูงขึ้นตามขนาดของแผ่นไม้และปริมาณเรซิน การออกแบบให้รวมอยู่ในกระบวนการประกอบและดำเนินการเป็นชุดๆ จะประหยัดกว่าการเพิ่มเข้ามาในภายหลังแบบครั้งเดียวจบ

การบรรจุลงภาชนะเหมือนกับการห่อหุ้มหรือไม่?

ในงานด้านอิเล็กทรอนิกส์ส่วนใหญ่ คำสองคำนี้ใช้แทนกันได้ ทั้งสองคำหมายถึงการห่อหุ้มแผงวงจรด้วยเรซินที่แข็งตัวแล้ว โดยทั่วไปแล้ว "potting" หมายถึงการเทเรซินลงในภาชนะที่ยึดติดกับผลิตภัณฑ์ ในขณะที่ "encapsulation" อาจหมายถึงการขึ้นรูปตัวเรือนจากเรซิน แต่กระบวนการและวัสดุนั้นเหมือนกัน

สามารถนำวัสดุอุดรอยรั่วออกเพื่อซ่อมแซมได้หรือไม่?

การอุดด้วยอีพ็อกซี่แบบแข็งนั้นมีประสิทธิภาพถาวรและไม่สามารถถอดออกได้โดยไม่ทำลายแผ่นวงจร ในขณะที่ซิลิโคนและสารประกอบโพลียูรีเทนบางชนิดที่มีความอ่อนกว่านั้น อาจสามารถตัดหรือขุดออกได้สำหรับการซ่อมแซมเล็กน้อย แต่โดยทั่วไปแล้วจะเลือกใช้การอุดด้วยอีพ็อกซี่สำหรับผลิตภัณฑ์ที่ไม่สามารถซ่อมแซมได้

การหล่อขึ้นรูปด้วยเรซินทำให้ชิ้นส่วนร้อนเกินไปหรือไม่?

อาจเป็นไปได้ เพราะการฝังชิ้นส่วนลงในเรซินจะทำให้การไหลเวียนของอากาศเพื่อระบายความร้อนหายไป วิธีแก้ไขคือการใช้สารเคลือบที่มีคุณสมบัติการนำความร้อน หรือออกแบบเส้นทางการระบายความร้อนไปยังตัวเรือน เพื่อให้ชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ระบายความร้อนผ่านเรซินแทนที่จะสะสมความร้อนไว้ภายใน

แผงวงจรพิมพ์ที่หุ้มด้วยวัสดุกันน้ำสามารถมีระดับการป้องกันน้ำและฝุ่น (IP rating) ได้เท่าใด?

แผงวงจรที่หุ้มด้วยวัสดุกันน้ำอย่างถูกต้องและมีการปิดผนึกช่องเสียบสายเคเบิลอย่างแน่นหนา สามารถให้ระดับการป้องกันการซึมผ่านสูง รวมถึงการป้องกันฝุ่นละอองและการกันน้ำได้อย่างสมบูรณ์ ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมการหุ้มด้วยวัสดุกันน้ำจึงเป็นเรื่องปกติสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กลางแจ้ง ทางทะเล และที่ฝังอยู่ใต้ดิน ระดับการป้องกันที่ได้นั้นขึ้นอยู่กับตัวเรือน การปิดผนึกที่ขั้วต่อ และการหุ้มด้วยวัสดุกันน้ำที่ปราศจากช่องว่าง

การหล่อดินใช้เวลานานแค่ไหนในการแห้งสนิท?

ระยะเวลาในการบ่มขึ้นอยู่กับส่วนประกอบและวิธีการ โดยอาจใช้เวลาเพียงไม่กี่ชั่วโมงสำหรับอีพ็อกซี่ที่บ่มด้วยความร้อน ไปจนถึงหนึ่งวันหรือมากกว่านั้นสำหรับระบบที่อุณหภูมิห้องบางชนิด ตารางการบ่มส่งผลต่อความแข็งและคุณสมบัติทางความร้อนของเรซินในขั้นสุดท้าย ดังนั้นจึงควรปรับให้เหมาะสมกับการใช้งานมากกว่าที่จะเร่งรีบ