O papel diversificado do epóxi na fabricação de PCB de dispositivos IoT

Os fabricantes de dispositivos IoT podem aplicar epóxis em várias fases de design e fabricação para cumprir requisitos ou necessidades específicas.
O mercado de Internet das Coisas (IoT) está em alta. Esse sucesso leva os engenheiros a explorar soluções práticas para melhorar as placas de circuito impresso (PCBs) que se tornam partes integrantes dos dispositivos IoT de hoje.

O epóxi é um material que atende a várias funções durante o processo de fabricação de PCB para produtos IoT. Aqui está mais sobre o papel vital que desempenha na fabricação de IoT.

Ajustado para atender aos requisitos específicos

Os fabricantes podem escolher epóxi especiais ou alterar propriedades específicas de epóxi para atender a necessidades específicas de desempenho ou fabricação. Por exemplo, os aditivos podem tornar um epóxi mais duro ou mais espesso, tornando-o mais adequado como revestimento isolante. Aqui estão algumas outras maneiras de ajustar propriedades específicas do epóxi.

Condutividade elétrica e térmica

Usar prata como enchimento para epóxi de uma ou duas partes pode criar um adesivo eletricamente condutor para substituir a solda. Os adesivos eletricamente condutores são isotrópicos ou anisotrópicos. Aqueles na primeira categoria são eletricamente condutores em todas as direções. No entanto, os adesivos anisotrópicos conduzem eletricidade em apenas uma direção. Às vezes, eles são usados ​​para unir estruturas de antena em produtos de identificação por radiofrequência (RFID).

Os epóxis também auxiliam na condutividade térmica. Uma opção é usar esses adesivos para unir duas superfícies e transferir calor para a mais fria. No entanto, como a maioria dos epóxis carece de recursos adequados de gerenciamento térmico intrínseco, os enchimentos compensam o déficit. Pós como cobre, nitreto de boro e alumínio aumentam significativamente as propriedades de transferência de calor.

Tolerância a temperaturas extremas

Aditivos e endurecedores também são misturados em epóxis durante e antes da cura para tornar os adesivos resistentes a temperaturas criogênicas. Por outro lado, existem epóxis que suportam temperaturas mais altas do que aproximadamente 300 graus Fahrenheit que os tipos tolerantes ao calor não extremo podem.

Baixa emissão de gases

Os epóxis usados ​​na indústria aeroespacial devem ser do tipo com baixa emissão de gás. A liberação de gases causa a liberação de compostos voláteis em torno de uma espaçonave devido ao vácuo do espaço.

A NASA usa dois parâmetros de teste para garantir que os epóxis atendam aos requisitos de liberação de gases:perda de massa total (TML) e materiais condensáveis ​​voláteis coletados (CVCM). Mais especificamente, os padrões da NASA ditam que um adesivo epóxi ou composto de envasamento tem um TML de menos de 1% e um CVCM de menos de 0,1%.

As empresas que oferecem epóxis de baixa emissão de gás e alta pureza testam esses produtos primeiro sob condições estritas em câmaras especializadas. Eles então publicam os resultados, atendendo aos clientes que precisam de adesivos de baixa emissão de gás.

Coeficientes de expansão térmica (CTEs)

A maioria dos materiais experimenta expansão térmica devido ao aumento na energia das interações moleculares devido às mudanças de temperatura. O CTE expressa a quantidade de mudança que ocorre com cada aumento de um grau na temperatura.

As incompatibilidades de CTE podem ocorrer entre dois substratos ou entre um adesivo e um substrato. Assim, uma abordagem comum é selecionar adesivos com o menor CTE possível. Outra opção é inserir enchimentos CTE negativos especiais ou cerâmicas em adesivos não preenchidos. No entanto, isso causa um aumento significativo no módulo de tração, tornando o epóxi mais rígido.

Temperatura de transição (Tg) do vidro

A temperatura de transição vítrea (Tg) do epóxi é uma faixa na qual vai de uma consistência rígida, semelhante ao vidro, para uma mais macia e emborrachada. Pode abranger cerca de 50-250 graus Celsius. No entanto, a escolha do epóxi, os enchimentos usados ​​e o tempo de cura podem afetar a Tg.

Os epóxis com Tg de mais de 150 graus Celsius geralmente apresentam resistência superior a altas temperaturas. No entanto, os tipos com uma Tg na faixa de 120-130 Celsius fornecem excelentes propriedades de resistência química.

Adesão Adequada a Vários Substratos

Os adesivos epóxi ligam e vedam uma ampla variedade de substratos, desde metais e a maioria dos plásticos até madeira e concreto. No entanto, existem alguns materiais inadequados, como plásticos de baixa energia de superfície, incluindo poliolefinas, silicones e fluorocarbonos. Avançar com as decisões de uso de epóxis nesses materiais requer um pré-tratamento para alterar a superfície do substrato.

Tempo de cura e requisitos de armazenamento

Os adesivos epóxi estão disponíveis em formulações de um e - mais comumente - de dois componentes. As opções de um componente normalmente vêm como pastas e exigem que as pessoas as apliquem com espátula para preencher as lacunas. Esses epóxis requerem calor para curar, bem como armazenamento refrigerado para manter sua vida útil.

Os tipos de dois componentes requerem a mistura e o uso dos produtos em um período de tempo específico que pode variar de alguns minutos a várias horas. Esses epóxis curam ligeiramente mais quente do que a temperatura ambiente (cerca de 75-85 graus Fahrenheit), embora mais calor acelere o processo.

Os epóxis de dois componentes também têm requisitos de armazenamento menos rigorosos em comparação com os tipos de um componente. Os fabricantes podem manter essas especificações em mente ao escolher os epóxis que se alinham com seus requisitos de produção.

Viscosidade

Centipose (CPS) é um valor de viscosidade aplicado a epóxis para indicar quão rápido ele flui. Um epóxi de baixo CPS flui rapidamente, enquanto a taxa de fluxo diminui à medida que o CPS aumenta. A viscosidade de um epóxi dita seus casos de uso em potencial e os métodos de aplicação dos produtos.

A viscosidade reduzida também ajuda a reduzir os vazios. Muitos fabricantes vendem epóxis em uma ampla faixa de viscosidades, como de 100-1.500.000 CPS. No entanto, o calor também afeta a viscosidade e a exposição a ele dilui a consistência de um epóxi.

Os epóxis de baixa viscosidade podem levar de 12 a 24 horas para curar - mais tempo do que seus equivalentes de alta viscosidade. Os epóxis de alta viscosidade são adequados para aplicações de revestimento de superfície. No entanto, processá-los requer não exceder a espessura máxima especificada pelo fabricante, que geralmente é de 1 a 2 centímetros.

Usado como um material em todo o PCB

Os engenheiros freqüentemente trabalham com epóxis durante o desenvolvimento de PCBs. Os epóxis específicos se comportam de maneiras diferentes e os profissionais de engenharia geralmente devem usar tudo o que o fabricante fornecer.

No entanto, saber sobre as funções de um epóxi em particular ajuda o projeto de design a correr bem. Enquanto alguns têm propriedades adesivas, outros oferecem condutividade térmica. Uma incompatibilidade entre as características de um composto adesivo e os materiais do produto pode levar a problemas que afetam a fabricação ou a usabilidade quando um produto chega ao mercado.

Por exemplo, os pré-impregnados de uma placa de circuito são frequentemente feitos de um material epóxi de vidro semicurado. Prepregs são materiais dielétricos com propriedades de ligação e isolamento. O núcleo interno de um PCB geralmente apresenta material de vidro-epóxi totalmente curado com cobre laminado em ambos os lados.

Além disso, as empresas começaram a combinar epóxi com outras substâncias durante a fabricação de PCBs em um esforço contínuo para cortar custos associados a materiais dielétricos. Uma prática comum é usá-lo com óxido de polifenileno (PPO) ou éter polifenílico (PPE), que são termoplásticos.

Usar PPO sem epóxi normalmente aumenta os custos gerais de fabricação. No entanto, contar com ele reduz despesas e ainda atende aos requisitos de desempenho.

Você pode ter uma ideia dos múltiplos usos de epóxi em componentes de PCB para um dispositivo IoT com o exemplo de um sensor de oxigênio no sangue implantado recentemente. Este produto avançado uniu um cristal piezoelétrico com epóxi de prata condutiva e, em seguida, conectou-o a um PCB. Os desenvolvedores também usaram epóxi curável por ultravioleta para circundar as áreas ligadas por fio dentro do PCB.

Escolhido para melhorar a transferência de calor

Como mencionado anteriormente, epóxis específicos têm características diferentes. O gerenciamento térmico é uma preocupação significativa para a maioria das empresas que projetam e fabricam dispositivos IoT. Temperaturas excessivas podem danificar componentes eletrônicos delicados e fazer com que os dispositivos funcionem mal. Alguns engenheiros desenvolveram maneiras de fazer com que os dispositivos IoT se beneficiem do calor, como o calor corporal. No entanto, o objetivo normalmente é evitar pontos quentes e superaquecimento geral.

A necessidade de controlar o calor torna-se ainda mais crucial à medida que os dispositivos IoT ficam menores. Os métodos tradicionais incluem o uso de ventiladores e dissipadores de calor. Outra opção é aplicar graxas térmicas entre os componentes que emitem calor ou têm capacidade de resfriamento. As pessoas também podem obter os resultados desejados usando tipos específicos de epóxis.

Por exemplo, os epóxis de um e dois componentes aumentam a transferência de calor entre as interfaces. As pessoas também podem escolhê-los para complementar outros métodos de dissipação de calor, como o uso de epóxi para unir um dissipador de calor a um PCB.

Quando as pessoas discutem a rapidez com que ocorre a dissipação de calor com certos epóxis, elas se referem à condutividade das substâncias. Se um epóxi tem um valor de condutividade de calor de 0,3-0,4 watts por mili-Kelvin, isso significa que o calor se dissipa relativamente lentamente. No entanto, valores de 1,7-2 watts por mili-Kelvin indicam condutividade de calor mais rápida.

No entanto, a Tg é outro aspecto a considerar ao usar epóxis para gerenciamento térmico durante a fabricação de PCB. Quaisquer epóxis usados ​​devem ter compatibilidade com a Tg dos substratos que os acompanham.

Selecionado como um revestimento conforme

Quando as empresas se envolvem na fabricação de IoT, os representantes devem considerar as características ambientais prováveis ​​às quais o gadget ficará exposto durante o uso normal. Por exemplo, alguns dispositivos IoT são colocados ao ar livre em ambientes empoeirados ou úmidos. Em outros casos, os produtos IoT realizam monitoramento constante em áreas remotas e não são verificados com frequência por humanos.

Portanto, é vital construir PCBs para dispositivos IoT para resistir a elementos potencialmente agressivos. Uma maneira comum de fazer isso é aplicando revestimentos isolantes. O epóxi usado dessa forma é duro e opaco, proporcionando boa proteção contra produtos químicos, abrasão e umidade. Revestimentos isolantes epóxi também são escolhas sábias para dispositivos IoT expostos a alta umidade.

Os revestimentos isolantes são extremamente finos, porém protetores. Eles adicionam uma camada de proteção diretamente sobre os componentes do PCB, sem espessura que adicionaria volume indesejável. Como os revestimentos isolantes também estendem a vida útil de um PCB, eles são uma maneira fácil para um fabricante de dispositivo IoT fornecer o desempenho prolongado que o cliente espera.

Da mesma forma, os revestimentos isolantes podem reduzir os custos de reparo caros que podem prejudicar os lucros do fabricante. Os PCBs quebrando prematuramente dentro dos produtos IoT também podem prejudicar a reputação do fabricante. A escolha de aplicar revestimentos isolantes durante a fabricação de placas de circuito impresso é uma maneira relativamente direta de prolongar a funcionalidade, mantendo assim os clientes satisfeitos.

Aplicado para desencorajar a engenharia reversa

A engenharia reversa ocorre quando alguém - geralmente um concorrente - tenta determinar como um fabricante produziu um item. É um risco em várias indústrias e se aplica a processos químicos e biológicos, bem como a produtos físicos.

Existem inúmeras medidas preventivas para proteger contra a engenharia reversa. Por exemplo, alguns fabricantes colocam sensores dentro do PCB para detectar e prevenir tais tentativas. No entanto, uma técnica menos envolvente, mas ainda eficaz, é praticar o envasamento.

Envolve o uso de um shell ou camada semelhante para envolver completamente um PCB ou outro componente eletrônico. As pessoas colocam um composto nessa área da caixa, que endurece e se torna parte do PCB. A resina epóxi é um composto de envasamento comumente escolhido. Sua opacidade impede que as pessoas aprendam detalhes visuais que as ajudem a entender mais sobre o design.

Alguns compostos de envasamento também não são removíveis. Isso é uma coisa boa quando se trata de proteção contra a cópia do design. No entanto, também pode tornar difícil ou impossível para uma pessoa autorizada reparar um PCB.

Dependendo do projeto em questão, os engenheiros também podem usar silicones para encapsulamento em vez de epóxis. Além de manter suas propriedades mecânicas em uma ampla faixa de temperatura, os silicones são macios e flexíveis, tornando-os adequados para cobrir componentes eletrônicos sensíveis.

O envasamento geralmente é selecionado junto com várias outras medidas que impedem as pessoas de fazer engenharia reversa de um projeto de PCB. Portanto, os fabricantes devem determinar quais opções fornecem proteção ideal e considerar se eles podem precisar remover o composto de envasamento posteriormente.

O epóxi ajuda o progresso da fabricação de IoT

Esses exemplos mostram que os fabricantes de dispositivos IoT podem aplicar epóxis em várias fases de design e fabricação para atender a certos requisitos ou necessidades. À medida que os dispositivos IoT continuam crescendo em popularidade e se tornando cada vez mais difundidos, o epóxi continuará sendo uma parte crítica da fabricação de PCBs.