环氧树脂在物联网设备 PCB 制造中的多种作用

物联网 (IoT) 市场正在蓬勃发展。这一成功促使工程师探索实用的解决方案，以改进成为当今物联网小工具不可或缺的一部分的印刷电路板 (PCB)。

环氧树脂是一种在物联网产品的 PCB 制造过程中发挥各种功能的材料。这里有更多关于它在物联网制造中发挥的重要作用。

调整以满足特定要求

制造商可以选择特种环氧树脂或改变特定的环氧树脂特性以满足特定的性能或制造需求。例如，添加剂可以使环氧树脂更硬或更厚，使其最适合用作保形涂层。以下是调整特定环氧树脂特性的其他一些方法。

电导率和热导率

使用银作为单组分或两组分环氧树脂的填料可以产生导电粘合剂来代替焊接。导电粘合剂要么是各向同性的，要么是各向异性的。第一类中的那些在所有方向上都是导电的。然而，各向异性粘合剂仅在一个方向上导电。它们有时用于粘合射频识别 (RFID) 产品中的天线结构。

环氧树脂也有助于导热。一种选择是使用这种粘合剂连接两个表面并将热量传递到较冷的表面。然而，由于大多数环氧树脂缺乏足够的内在热管理能力，填料弥补了不足。铜、氮化硼和铝等粉末显着提高了传热性能。

极端温度耐受性

在固化期间和固化之前，添加剂和硬化剂也会混入环氧树脂中，以使粘合剂能够抵抗低温。相反，存在的环氧树脂可以承受比非极端耐热类型的约 300 华氏度更高的温度。

低释气

用于航空航天工业的环氧树脂必须是低释气类型。由于太空的真空，除气会导致航天器周围释放出挥发性化合物。

NASA 使用两个测试参数来确保环氧树脂满足除气要求：总质量损失 (TML) 和收集的挥发性可冷凝材料 (CVCM)。更具体地说，NASA 的标准规定环氧树脂粘合剂或灌封化合物的 TML 小于 1%，CVCM 小于 0.1%。

提供低释气、高纯度环氧树脂的公司首先在专门的室中在严格的条件下测试这些产品。然后他们公布结果，迎合需要低释气粘合剂的客户。

热膨胀系数 (CTE)

大多数材料由于温度变化导致分子相互作用的能量增加而经历热膨胀。CTE 表示温度每升高 1 度会发生多少变化。

CTE 不匹配可能发生在两个基材之间或粘合剂和基材之间。因此，一种常见的方法是选择 CTE 尽可能低的粘合剂。另一种选择是将特殊的负 CTE 填料或陶瓷插入未填充的粘合剂中。然而，这样做会导致拉伸模量显着增加，从而使环氧树脂更硬。

玻璃化转变 (Tg) 温度

环氧树脂的玻璃化转变 (Tg) 温度是一个范围，在该温度范围内，它会从坚硬的玻璃状稠度转变为更柔软、更有弹性的稠度。它可以跨越大约50-250摄氏度。然而，环氧树脂的选择、使用的填料和固化时间都会影响 Tg。

Tg 超过 150 摄氏度的环氧树脂通常具有优异的耐高温性。然而，Tg 在 120-130 摄氏度范围内的类型可提供出色的耐化学性。

对各种基材的正确附着力

环氧粘合剂可粘合并密封各种基材，从金属和大多数塑料到木材和混凝土。但是，也有一些不适合的材料，例如低表面能塑料，包括聚烯烃、有机硅和碳氟化合物。继续决定在这些材料上使用环氧树脂需要对它们进行预处理以改变基材的表面。

固化时间和储存要求

环氧粘合剂可作为单组分和更常见的双组分配方提供。单组分选项通常以糊剂形式出现，需要人们用抹子涂抹它们以填补空白。这些环氧树脂需要加热才能固化，也需要冷藏以保持其保质期。

双组分类型需要在特定时间范围内混合和使用产品，时间范围从几分钟到几小时不等。这些环氧树脂在略高于室温（大约 75-85 华氏度）的温度下固化，尽管更多的热量会加速该过程。

与单组分类型相比，双组分环氧树脂的储存要求也不那么严格。制造商在选择符合其生产要求的环氧树脂时可能会牢记这些细节。

粘度

厘泊 (CPS) 是应用于环氧树脂的粘度值，用于指示其流动速度。低 CPS 环氧树脂流动迅速，而流速随着 CPS 的升高而减慢。环氧树脂的粘度决定了它的潜在用例和应用产品的方法。

降低的粘度也有助于减少空隙。许多制造商销售各种粘度的环氧树脂，例如 100-1,500,000 CPS。然而，热量也会影响粘度，并且暴露于它会使环氧树脂的稠度变薄。

低粘度环氧树脂可能需要 12-24 小时才能固化——比高粘度环氧树脂要长。高粘度环氧树脂适合表面涂层应用。但是，加工它们需要不超过制造商规定的最大厚度，通常为 1-2 厘米。

用作整个 PCB 的材料

工程师在开发 PCB 时经常使用环氧树脂。特定环氧树脂的行为方式不同，工程专业人员通常必须使用制造商提供的任何东西。

然而，了解特定环氧树脂的功能有助于设计项目顺利进行。虽然有些具有粘合特性，但有些具有导热性。一旦产品进入市场，粘合剂化合物的特性与产品材料之间的不匹配可能会导致影响制造或可用性的问题。

例如，电路板的预浸料通常由半固化的玻璃环氧树脂材料制成。预浸料是具有粘合和绝缘特性的介电材料。PCB 的内核通常采用完全固化的玻璃环氧树脂材料，两面都层压有铜。

此外，公司已开始在 PCB 制造过程中将环氧树脂与其他物质结合，以不断降低与介电材料相关的成本。一种常见的做法是将其与热塑性塑料聚苯醚 (PPO) 或聚苯醚 (PPE) 一起使用。

使用不含环氧树脂的 PPO通常会增加总体制造成本。但是，依靠它可以减少开支，同时仍能满足性能要求。

您可以通过新开发的植入式血氧传感器示例了解环氧树脂在物联网设备的 PCB 组件上的多种用途。这种先进的产品将压电晶体与导电银环氧树脂粘合，然后将其连接到 PCB。开发人员还使用紫外线固化环氧树脂来围绕 PCB 内的引线键合区域。

选择改善传热

如前所述，特定的环氧树脂具有不同的特性。对于大多数设计和制造物联网设备的公司来说，热管理是一个重要的问题。过高的温度会损坏精密的电子设备并导致小工具发生故障。一些工程师已经开发出使物联网设备受益于温暖的方法，例如体温。但是，目标通常是避免热点和整体过热。

随着物联网设备变得越来越小，控制热量的需求变得更加重要。传统方法包括使用风扇和散热器。另一种选择是在发热或具有冷却能力的组件之间涂抹导热油脂。人们还可以通过使用特定种类的环氧树脂来获得所需的结果。

例如，单组分和双组分环氧树脂增强了跨界面的热传递。人们还可以选择它们来补充其他散热方法，例如使用环氧树脂将散热器粘合到 PCB 上。

当人们讨论某些环氧树脂的散热速度有多快时，他们指的是物质的导电性。如果环氧树脂的热导率为0.3-0.4 瓦/毫开尔文，这意味着热量消散相对较慢。然而，每毫开尔文 1.7-2 瓦的值表明导热速度更快。

然而，Tg 是在 PCB 制造过程中使用环氧树脂进行热管理时要考虑的另一个方面。使用的任何环氧树脂都必须与随附基材的 Tg 相容。

被选为保形涂层

当公司从事物联网制造时，代表必须考虑小工具在正常使用过程中可能接触到的环境特征。例如，一些物联网设备被放置在室外多尘或潮湿的环境中。在其他情况下，物联网产品会在偏远地区进行持续监控，并且不会经常被人工检查。

因此，为物联网设备构建 PCB 以承受潜在的恶劣因素至关重要。一种常见的方法是应用保形涂层。以这种方式使用的环氧树脂既坚硬又不透明，可以很好地防止化学品、磨损和潮湿。对于暴露在高湿度环境中的物联网设备，环氧保形涂料也是明智的选择。

保形涂层非常薄但具有保护性。他们直接在 PCB 组件的顶部添加保护层，而不会增加不希望的体积的厚度。由于保形涂层还延长了 PCB 的使用寿命，因此它们是物联网设备制造商提供客户期望的延长性能的一种简单方法。

同样，保形涂层可以降低可能削减制造商利润的昂贵维修成本。物联网产品内部过早损坏的 PCB 也可能损害制造商的声誉。在 PCB 制造过程中选择应用保形涂层是延长功能的相对简单的方法，从而让客户满意。

应用于劝阻逆向工程

当某人（通常是竞争对手）试图确定制造商如何生产产品时，就会发生逆向工程。这是许多行业的风险，适用于化学和生物过程以及物理产品。

存在许多预防措施来防止逆向工程。例如，一些制造商在 PCB 内放置传感器以检测和防止此类尝试。然而，一个较少涉及但仍然有效的技术是练习灌封。

它涉及使用外壳或类似层来完全包裹 PCB 或其他电子元件。人们将一种化合物倒入该外壳区域，它会硬化并成为 PCB 的一部分。环氧树脂是一种常用的灌封材料。它的不透明性阻止了人们学习有助于他们更多地了解设计的视觉细节。

一些灌封化合物也是不可去除的。在防止设计复制方面，这是一件好事。但是，它也可能使授权人员难以或不可能维修 PCB。

根据手头的项目，工程师也可以使用有机硅而不是环氧树脂进行封装。除了在很宽的温度范围内保持其机械性能外，有机硅还柔软且柔韧，使其适合覆盖敏感的电子产品。

灌封通常与其他几种阻止人们对 PCB 设计进行逆向工程的措施一起选择。因此，制造商必须确定哪些选项可提供最佳保护，并考虑他们是否可能需要在以后去除灌封化合物。

环氧树脂助力物联网制造进步

这些示例表明，物联网设备制造商可以在众多设计和制造阶段应用环氧树脂来满足某些要求或需求。随着物联网设备的普及和普及，环氧树脂将继续成为 PCB 制造的关键部分。

审核编辑 黄昊宇