Här beskriver vi vad man bör tänka på vid ingjutning av elektronik som utsätts för t.ex. höga G-krafter, höga frekvenser eller höga accelerationer.
Vi har valt att beskriva olika applikationer och material generellt. Det finns ingen metod som täcker in alla applikationer så det är viktigt att ge varje enskild applikation rätt förutsättningar.
Frågor att ställa sig:
- Vad ska produkten klara för temperatur?
- Hur ska man tänka kring termisk ledningsförmåga (värmeledning)?
- Hur ska man tänka kring termisk expansion (värmeutvidgning)?
- Finns det hygroskopiska material i de ingående detaljerna?
- Hur ska man tänka kring materialets penetration?
- Vilka krafter kommer slutprodukten att utsättas för?
- Hur ska materialet blandas för säker hantering?
- Vilken volym ska gjutas (stor/liten)?
- Vad får det kosta?
Ingjutning av elektronik med epoxy
Den produkttyp som klarar kemikalier som tex. bensin, fotogen, diesel eller lösningsmedel och alkaliska miljöer bäst över tid är epoxyprodukter. Den här typen av produkter är oftast relativt hårda och kan i vissa fall ge en hög termisk expansion vid härdning då de flesta har en hög exoterm reaktion. Det är inte ovanligt att temperaturökningarna kan vara mellan 30–60 °C över rumstemperatur.
Enkelt uttryckt kan man säga att ju hårdare produkten är (ju högre fyllnadsgrad) desto högre är den termiska ledningsförmågan (w/mK), vilket är positivt om elektroniken avger mycket värme. Produkter med hög fyllnadsgrad ger dessutom lägre termisk expansion, vilket gör att påfrestningen på elektroniken blir lägre.
Det är viktigt att ta hänsyn till hur elektronikkortet är utformat så att expansionen inte påverkar kretskortet och dess komponenter över tid. Om man gjuter in långa kretskort med epoxy är risken att materialet expanderar mer än kretskortet vilket påfrestar komponenterna och kan leda till att de ”bryts loss”. Epoxy är stabila inom temperaturområdet -40–100 °C.
Ingjutning av elektronik med polyuretan
Vid ingjutning av elektronik är polyuretan den mest förekommande produkttypen. Det gäller särskilt vid stora volymer då priset är en avgörande faktor. Polyuretan finns i olika former och med en mängd olika egenskaper, bl.a. mjuka till hårda och för låg respektive hög temperatur (-60–160 °C). Det finns produkter med brandskyddsklassning enligt UL94-V0, ATEX, tåg EN45545, termiskt ledande i en rad olika värmeklasser, geléer samt transparenta material för LED.
Polyuretan har en exoterm reaktion som är ca 10–50 °C över rumstemperatur. Polyuretan är dessutom känsligt för fukt och i samband med ingjutning, där hygroskopiska material ingår i konstruktionen, är det viktigt att man torkar före. Detta görs med fördel i ett torkskåp med en temperatur på ca 40°C. Om man inte torkar applikationen som skall gjutas in finns det risk att polyuretanet reagerar med fukten och att polyuretanet gasar vilket gör att den ”jäser” och ger upphov till luftinneslutningar.
Ingjutning av elektronik med polyuretanskum
Ingjutning av elektronik med polyuretanskum är inte så vanligt men önskar man lätta konstruktioner är metoden bra. Polyuretanskum har en densitet från 10 till 250 g/liter. Om applikationen utsätts för höga G-krafter eller accelerationer är polyuretanskum ett tänkbart alternativ.
Ingjutning av elektronik med silikon
Ger maximalt skydd, speciellt när det gäller silikongeléer, mot mekanisk spänning vid till exempel termisk cykling eller vid stor skillnad i utvidgning hos olika material. Bra skydd mot slag och vibrationer. Bra temperaturtålighet, klarar temperaturer mellan -45°C–200°C. Bättre vattenbeständighet och högre beständighet mot UV-strålning.
Silikon är sämre än epoxy och polyuretan då det gäller diffusion, dvs upptagning av fukt. Silikonerna klarar vatten bra men tar upp fukt lättare. Det innebär att de också släpper ifrån sig fukt enklare. Försiktighetsåtgärder rörandes skador vid inandning eller risk för allergier, som oftast förknippas med härdplaster som polyuretan och epoxy, är mindre omfattande eller helt eliminerade vid användande av silikon.
Själva härdschemat hos silikoner kan anpassas till produktionen utan betydande förändringar i slutegenskaperna. Enkel bearbetning/härdning utan behov av ugnar eller oro över exoterma reaktioner (som för epoxy).
Ingjutning av elektronik med kombination av olika produkttyper
I många fall behöver man kombinera olika produkttyper för att uppnå önskat resultat. Det är viktigt att man har förståelse för vad applikationen kommer att utsättas för och man bör göra en FMEA så att man får med alla olika risker.
Vanligt är att man skyddar vissa känsliga komponenter med s.k. ”glob top”, vilket är en övergjutning av känsliga komponenter med t.ex. en elektroniksilikon (några exempel är Dow Corning 3140 eller Wacker Elastosil 745). Härdschemat hos silikoner kan anpassas till produktionen utan betydande förändringar i slutegenskaperna.
Om applikationen kommer utsättas för vibrationer eller chockbelastning kan man göra en dubbelgjutning där man t.ex. gjuter in elektronikkortet med en elastomer eller ett hårdare material (t.ex. hård epoxy eller polyuretan) för att sedan placera det i en box och i den göra en ingjutning med silikon eller polyuretangelé.
Författare: Stefan Grönqvist, Polymerteknik
