El papel diverso del epoxi en la fabricación de PCB de dispositivos IoT
Los fabricantes de dispositivos IoT pueden aplicar epoxis en numerosas fases de diseño y fabricación para Cumplir requisitos o necesidades específicos.
El mercado de Internet de las cosas (IoT) está en auge. Ese éxito empuja a los ingenieros a explorar soluciones prácticas para mejorar las placas de circuito impreso (PCB) que se convierten en partes integrales de los dispositivos de IoT actuales.
El epoxi es un material que cumple diversas funciones durante el proceso de fabricación de PCB para productos de IoT. Aquí encontrará más información sobre el papel fundamental que desempeña en la fabricación de IoT.
Ajustado para cumplir con requisitos específicos
Los fabricantes pueden elegir epóxicos especiales o alterar propiedades específicas del epóxico para cumplir con las necesidades particulares de rendimiento o fabricación. Por ejemplo, los aditivos pueden hacer que un epoxi sea más duro o más espeso, haciéndolo más adecuado como revestimiento de conformación. Aquí hay algunas otras formas de ajustar propiedades epoxi particulares.
Conductividad eléctrica y térmica
El uso de plata como relleno para epoxi de una o dos partes puede crear un adhesivo conductor de electricidad para reemplazar la soldadura. Los adhesivos conductores de electricidad son isótropos o anisótropos. Los de la primera categoría son conductores de electricidad en todas las direcciones. Sin embargo, los adhesivos anisotrópicos conducen la electricidad en una sola dirección. A veces se utilizan para unir estructuras de antenas en productos de identificación por radiofrecuencia (RFID).
Los epóxicos también ayudan con la conductividad térmica. Una opción es usar dichos adhesivos para unir dos superficies y transferir calor a la más fría. Sin embargo, dado que la mayoría de los epóxicos carecen de capacidades de gestión térmica intrínseca adecuadas, los rellenos compensan el déficit. Los polvos como el cobre, el nitruro de boro y el aluminio aumentan significativamente las propiedades de transferencia de calor.
Tolerancia a temperaturas extremas
Los aditivos y endurecedores también se mezclan en epoxis durante y antes del curado para hacer que los adhesivos sean resistentes a las temperaturas criogénicas. Por el contrario, existen epoxis que soportan temperaturas más cálidas que los aproximadamente 300 grados Fahrenheit que pueden soportar los tipos no tolerantes al calor extremo.
Baja emisión de gases
Los epóxicos utilizados en la industria aeroespacial deben ser del tipo de baja emisión de gases. La desgasificación provoca la liberación de compuestos volátiles alrededor de una nave espacial debido al vacío del espacio.
La NASA utiliza dos parámetros de prueba para garantizar que los epoxis cumplan con los requisitos de desgasificación:pérdida de masa total (TML) y materiales condensables volátiles recolectados (CVCM). Más específicamente, los estándares de la NASA dictan que un adhesivo epoxi o un compuesto para encapsular tiene un TML de menos del 1% y un CVCM de menos del 0.1%.
Las empresas que ofrecen epoxis de alta pureza y baja emisión de gases primero prueban esos productos bajo condiciones estrictas en cámaras especializadas. Luego, publican los resultados, atendiendo a los clientes que necesitan adhesivos de baja emisión de gases.
Coeficientes de expansión térmica (CTE)
La mayoría de los materiales experimentan expansión térmica debido al aumento de la energía de las interacciones moleculares debido a los cambios de temperatura. CTE expresa cuánto cambio ocurre con cada aumento de temperatura de un grado.
Los desajustes de CTE pueden ocurrir entre dos sustratos o entre un adhesivo y un sustrato. Por lo tanto, un enfoque común es seleccionar adhesivos con un CTE tan bajo como sea posible. Otra opción es insertar cerámicas o rellenos CTE negativos especiales en adhesivos sin relleno. Sin embargo, hacer eso provoca un aumento significativo en el módulo de tracción, haciendo que el epoxi sea más rígido.
Temperatura de transición vítrea (Tg)
La temperatura de transición vítrea (Tg) del epoxi es un rango en el que pasa de una consistencia rígida similar al vidrio a una más suave y gomosa. Puede abarcar aproximadamente entre 50 y 250 grados Celsius. Sin embargo, la elección del epoxi, los rellenos utilizados y el tiempo de curado pueden afectar la Tg.
Los epóxicos con una Tg de más de 150 grados Celsius suelen tener una resistencia superior a altas temperaturas. Sin embargo, los tipos con una Tg en el rango de 120-130 Celsius brindan excelentes propiedades de resistencia química.
Adhesión adecuada a varios sustratos
Los adhesivos epoxi se adhieren y sellan una amplia variedad de sustratos, que van desde metales y la mayoría de los plásticos hasta madera y concreto. Sin embargo, existen algunos materiales inadecuados, como los plásticos de baja energía superficial, que incluyen poliolefinas, siliconas y fluorocarbonos. Seguir adelante con la decisión de usar epoxis en esos materiales requiere un tratamiento previo para cambiar la superficie del sustrato.
Requisitos de almacenamiento y tiempo de curado
Los adhesivos epoxi están disponibles en formulaciones de uno y, más comúnmente, de dos componentes. Las opciones de un componente normalmente vienen en forma de pastas y requieren que las personas las apliquen con llana para llenar los huecos. Estos epóxicos requieren calor para curar, así como almacenamiento en frío para mantener su vida útil.
Los tipos de dos componentes necesitan mezclar y usar los productos dentro de un período de tiempo específico que puede variar desde unos pocos minutos hasta varias horas. Estos epóxicos curan a una temperatura ligeramente superior a la ambiente (aproximadamente 75-85 grados Fahrenheit), aunque más calor acelera el proceso.
Los epóxicos de dos componentes también tienen requisitos de almacenamiento menos estrictos en comparación con los tipos de un componente. Los fabricantes pueden tener en cuenta estos detalles al elegir epoxis que se alineen con sus requisitos de producción.
Viscosidad
Centipose (CPS) es un valor de viscosidad aplicado a epoxis para indicar qué tan rápido fluye. Un epoxi de bajo CPS fluye rápidamente, mientras que el caudal se ralentiza a medida que aumenta el CPS. La viscosidad de un epoxi dicta sus posibles casos de uso y los métodos de aplicación de los productos.
La viscosidad reducida también ayuda a reducir los huecos. Muchos fabricantes venden epoxis en una amplia gama de viscosidades, como 100-1,500,000 CPS. Sin embargo, el calor también afecta la viscosidad y la exposición al mismo adelgaza la consistencia del epoxi.
Los epóxicos de baja viscosidad pueden tardar entre 12 y 24 horas en curarse, más tiempo que sus contrapartes de alta viscosidad. Los epóxicos de alta viscosidad se adaptan a las aplicaciones de revestimiento de superficies. Sin embargo, procesarlos requiere no exceder el grosor máximo especificado por el fabricante, que a menudo es de 1 a 2 centímetros.
Se utiliza como material en toda la PCB
Los ingenieros suelen trabajar con epoxis mientras desarrollan PCB. Los epóxidos específicos se comportan de diferentes maneras, y los profesionales de la ingeniería generalmente deben usar lo que sea que proporcione un fabricante.
Sin embargo, conocer las funciones de un epoxi en particular ayuda a que el proyecto de diseño se desarrolle sin problemas. Mientras que algunos tienen propiedades adhesivas, otros ofrecen conductividad térmica. Una discrepancia entre las características de un compuesto adhesivo y los materiales del producto podría generar problemas que afecten la fabricación o la usabilidad una vez que el producto llega al mercado.
Por ejemplo, los preimpregnados de una placa de circuito a menudo están hechos de un material epoxi de vidrio semicurado. Los preimpregnados son materiales dieléctricos con propiedades aglutinantes y aislantes. El núcleo interno de una placa de circuito impreso generalmente presenta material de vidrio epoxi completamente curado con cobre laminado en ambos lados.
Además, las empresas han comenzado a combinar epoxi con otras sustancias durante la fabricación de PCB en un esfuerzo continuo por reducir los costos asociados con los materiales dieléctricos. Una práctica común es usarlo con óxido de polifenileno (PPO) o éter polifenílico (PPE), que son termoplásticos.
El uso de PPO sin epoxi generalmente aumenta los costos generales de fabricación. Sin embargo, confiar en él reduce los gastos sin dejar de cumplir con los requisitos de rendimiento.
Puede hacerse una idea de los múltiples usos de epoxi en componentes de PCB para un dispositivo de IoT con el ejemplo de un sensor de oxígeno en sangre implantado recientemente desarrollado. Este producto avanzado unió un cristal piezoeléctrico con epoxi de plata conductora y luego lo conectó a una PCB. Los desarrolladores también utilizaron epoxi curable por rayos ultravioleta para rodear las áreas unidas con cables dentro de la PCB.
Elegido para mejorar la transferencia de calor
Como se mencionó anteriormente, los epoxis específicos tienen diferentes características. La gestión térmica es una preocupación importante para la mayoría de las empresas que diseñan y fabrican dispositivos de IoT. Las temperaturas excesivas pueden dañar los dispositivos electrónicos delicados y hacer que los dispositivos funcionen mal. Algunos ingenieros han desarrollado formas de hacer que los dispositivos de IoT se beneficien del calor, como el calor corporal. Sin embargo, el objetivo suele ser evitar los puntos calientes y el sobrecalentamiento general.
La necesidad de controlar el calor se vuelve aún más crucial a medida que los dispositivos de IoT se hacen más pequeños. Los métodos tradicionales incluyen el uso de ventiladores y disipadores de calor. Otra opción es aplicar grasas térmicas entre los componentes que emiten calor o tienen capacidad de enfriamiento. Las personas también pueden obtener los resultados deseados mediante el uso de tipos específicos de epoxis.
Por ejemplo, los epóxicos de uno y dos componentes mejoran la transferencia de calor a través de las interfaces. Las personas también pueden elegirlos para complementar otros métodos de disipación de calor, como el uso de epoxi para unir un disipador de calor a una PCB.
Cuando las personas discuten la rapidez con la que se disipa el calor con ciertos epóxicos, se refieren a la conductividad de las sustancias. Si un epoxi tiene un valor de conductividad térmica de 0.3-0.4 vatios por mili-Kelvin, eso significa que el calor se disipa comparativamente lentamente. Sin embargo, los valores de 1,7-2 vatios por mili-Kelvin indican una conductividad térmica más rápida.
Sin embargo, la Tg es otro aspecto a considerar cuando se utilizan epoxis para la gestión térmica durante la fabricación de PCB. Cualquier epoxis utilizado debe ser compatible con la Tg de los sustratos adjuntos.
Seleccionado como revestimiento conformado
Cuando las empresas se dedican a la fabricación de IoT, los representantes deben considerar las probables características ambientales a las que se expondrá el dispositivo durante el uso normal. Por ejemplo, algunos dispositivos de IoT se colocan al aire libre en entornos polvorientos o húmedos. En otros casos, los productos de IoT realizan un monitoreo constante en áreas remotas y los humanos no los controlan con frecuencia.
Por lo tanto, es vital construir los PCB para que los dispositivos de IoT resistan elementos potencialmente agresivos. Una forma común de hacerlo es aplicar recubrimientos de conformación. El epoxi que se usa de esta manera es a la vez duro y opaco, proporcionando una buena protección contra los productos químicos, la abrasión y la humedad. Los recubrimientos de conformación epoxi también son una buena elección para los dispositivos de IoT expuestos a alta humedad.
Los recubrimientos conformados son extremadamente finos pero protectores. Agregan una capa de protección directamente sobre los componentes de PCB sin espesor que agregaría un volumen no deseado. Dado que los recubrimientos de conformación también prolongan la vida útil de una PCB, son una manera fácil para que un fabricante de dispositivos de IoT proporcione el rendimiento prolongado que espera un cliente.
De manera similar, los revestimientos de conformación pueden reducir los costosos costos de reparación que podrían reducir las ganancias de un fabricante. Los PCB que se rompen prematuramente dentro de los productos de IoT también podrían dañar la reputación del fabricante. La elección de aplicar recubrimientos de conformación durante la fabricación de PCB es una forma relativamente sencilla de prolongar la funcionalidad y, por lo tanto, mantener contentos a los clientes.
Aplicado para desalentar la ingeniería inversa
La ingeniería inversa ocurre cuando alguien, a menudo un competidor, intenta determinar cómo un fabricante produjo un artículo. Es un riesgo en numerosas industrias y se aplica a procesos químicos y biológicos, así como a productos físicos.
Existen numerosas medidas preventivas para proteger contra la ingeniería inversa. Por ejemplo, algunos fabricantes colocan sensores dentro de la PCB para detectar y prevenir tales intentos. Sin embargo, una técnica menos complicada pero eficaz es practicar el encapsulamiento.
Implica el uso de una carcasa o una capa similar para revestir completamente una PCB u otro componente electrónico. La gente vierte un compuesto en el área de la caja, que se endurece y se convierte en parte del PCB. La resina epoxi es un compuesto para macetas comúnmente elegido. Su opacidad impide que las personas aprendan detalles visuales que les ayuden a comprender más sobre el diseño.
Algunos compuestos para macetas tampoco son removibles. Eso es bueno cuando se trata de protegerse contra la copia de diseños. Sin embargo, también podría dificultar o imposibilitar que una persona autorizada repare una PCB.
Dependiendo del proyecto en cuestión, los ingenieros también pueden usar siliconas para encapsular en lugar de epoxis. Además de mantener sus propiedades mecánicas en un amplio rango de temperatura, las siliconas son suaves y flexibles, lo que las hace apropiadas para cubrir componentes electrónicos sensibles.
El encapsulado generalmente se selecciona junto con otras medidas que impiden que las personas realicen ingeniería inversa en un diseño de PCB. Por lo tanto, los fabricantes deben determinar qué opciones brindan una protección óptima y considerar si es posible que necesiten eliminar el compuesto para macetas más adelante.
El epoxi ayuda al progreso de la fabricación de IoT
Estos ejemplos muestran que los fabricantes de dispositivos de IoT pueden aplicar epoxis en numerosas fases de diseño y fabricación para cumplir con ciertos requisitos o necesidades. A medida que los dispositivos de IoT continúen ganando popularidad y se generalicen aún más, el epoxi seguirá siendo una parte fundamental de la fabricación de PCB.
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