低压注塑技术的研究

　　低压注塑工艺是一种使用很小的注射压力（1.5～40bar）将封装材料注入模具并快速固化成型（5～50秒）的封装工艺方法，以达到绝缘、耐温、抗冲击、减振、防潮、防水、防尘、耐化学腐蚀等等功效。此项工艺起源于欧洲的汽车工业，到目前为止在欧美、日韩等的汽车工业领域和电子电气领域已经成功应用了十几年，在我国目前尚处在初步阶段。 其应用领域非常广泛，包括：印刷线路板（PCB）、汽车电子产品、汽车线束、车用连接器、传感器、微动开关、天线等等。本文我们就将对电子元器件封装中的低压注塑技术做一些介绍。希望大家能对低压注塑技术有个粗浅的认知。
　　一、  低压注塑工艺
　　这种低压注塑工艺与热塑性塑料的注塑成型技术非常相似。颗粒状的热熔胶被加热至熔化，以便在液体状态下进行下一步加工，如图1。与传统的注塑成型技术不同的是，这种单组份热熔胶在特殊设计的模具中只需要2到40巴的低压就可以完成封装电子元器件的工艺。这种低压范围之所以成为可能，是因为这种热熔胶在熔融状态下的粘稠度很低，仅在1000到8000 mPa.s之间。另外，注塑的温度范围在180到240摄氏度之间，通过这种方法，可以温和地将线束、连接器、微动开关、传感器和电路板等精密、敏感的电子元器件封装起来，而不会对其产生伤害。图2为一个已经封装好的部件，被琥珀色或黑色的低压注塑材料所包封。在热熔胶被注入模具之后，随即开始冷却及固化，固化时间因胶量的不同而不同，大约在10到50秒之间。除了保护元器件免受周围环境的影响，该低压注塑材料还可以起到抗冲击，缓冲应力的作用。此外，该材料还可以作为电绝缘材料。首页上的图片显示了一个用琥珀色热熔胶料封装的电子元器件，由西门子VDO提供。

                                                             
　　二、  低压注塑材料
　　用于这种技术的化学材料是以二聚脂肪酸为基础的聚酰胺热熔胶。该脂肪酸来自于可再生资源，比如大豆、油菜籽和葵花籽，然后缩聚成二聚物。在缩聚过程中，该二聚脂肪酸与二胺发生反应，释放出水，生成聚酰胺热熔胶。这类产品的显著特点是耐温范围较广，也就是说，产品具有低温柔韧性，与此同时，还具有抗高温蠕变性。
　　因为比其他热熔材料更加坚固结实，这些产品具有类似于塑料的特性。在注塑过程中，这些粘合剂确实需要发挥塑料的功能――换句话说，粘合剂不仅仅是两个基材表面之间的一层薄膜，而是外部3维构造不可或缺的一部分。热塑性塑料外壳可以完全被这些粘合剂所取代。
　　除了机械上的优越性，这类产品的另一个重要特点是它的粘性。它可以将被封装的各层之间（比如电线绝缘材料，外壳材料以及电路板）牢固地粘合起来，从而形成一个完美的防水系统。
　　一种材料的多样化特性只有通过融合不同的原材料来实现。由于这样的融合，这种聚酰胺材料没有一个明确的熔点，而是具有一个较为宽泛的软化范围。同样的道理，这种情况也适用于玻璃化温度，更准确地说，也是一个玻璃化温度范围。这些变化过程可以通过DSC热差扫描（DSC）图来说明，如表1。这是－120℃到250℃之间记录下来的第二轮数据。右边的熔融峰值描绘的是固体转变为液体的熔化点。左边是的玻璃化范围，从左向右描绘的从玻璃质状态到弹性体状态的软化过程。玻璃化温度被定义为玻璃化范围[1]，[2]的中间点。表2中ASTM E 28的软化点描绘的是固体向液态的转化温度。这个数值对于工艺过程非常重要，因为注塑温度必须超过这一数值。这一软化点在DSC熔融峰值的末端，与这种聚酰胺材料的工作温度范围关系不大，因为聚酰胺在达到这一软化点之前已经够软了。

                                               
　　与PA 6等聚酰胺材料不同，基于二聚脂肪酸的聚酰胺主要为非结晶质结构，因为它的晶体成分极少。图3和图4显示了不同的分子结构。PA 6的构造非常均匀，因此可以形成高度晶状体，结构非常紧凑，而聚酰胺热熔胶的分子结构极其复杂，非常不均匀。普通聚酰胺材料的强度和耐温度蠕变性比基于二聚脂肪酸的聚酰胺热熔胶胶强，而聚酰胺热熔胶则表现出更强的柔韧性和冷挠曲性。

              
　　由于分子量大，熔融普通聚酰胺材料的粘稠度比聚酰胺热熔胶要高得多，因此只能用传统的注塑机来加工。而低粘度的聚酰胺热熔胶胶则可以用低压热熔胶注塑机来施工。
　　由于其脂肪酸的序列性，基于二聚脂肪酸的聚酰胺具有非极性的部分，但整体仍主要是极性结构，可以吸附水分。由于含有脂肪酸成分，它对于的水分吸附性通常低于普通聚酰胺材料。在加工之前，聚酰胺热熔材料必须在防湿的条件下保存，以防止在熔化过程中产生气泡。
　　三、  与应用相关的特性
　　除了机械性能和玻璃化温度等特点外，与应用相关的特性也是重要的因素，如：耐火性能、电绝缘性。热膨胀性对于温度循环来说也是尤其重要的。而且除了这些，还必须具备在汽车制造业必须考虑的耐化学腐蚀性。
　　表2列举了一些聚酰胺热熔胶产品的工作温度范围。但是，产品的选择还得取决于具体应用，材料本生的特性，与基材的兼容性以及的膨胀系数都是决定性的因素。基于这些原因，建议根据相应的温度要求，对已封装和密封好的部件进行测试。这种聚酰胺热熔材料的膨胀系数是通过TMA测量标准来确定的，在－45℃到95℃之间约为300ppm/K。由于良好的冷挠曲性以及高延展率，这种聚酰胺热熔材料在苛刻的温度冲击测试下也表现得非常优异。在应用中，这种材料通常不会承受巨大的机械负荷，由于温度变化造成的除外。但是，如果对于某些特殊的应用，在不同的温度下会出现高的机械负荷，则必须考虑材料具体的热性能。因为这种材料随着温度升高将逐渐变软。
　　聚酰胺热熔胶最为显著的特点是在温度升高之后VOC值非常低。在100℃下测试30分钟，VOC值小于30ppm。根据DIN 75201标准，在100℃下测试16个小时，雾化值低于0.1mg。
　　有多种测试方法来测量可燃性或防火性。对于汽车制造业，Underwriters Laboratories的官方目录通常是决定性的。依据FMVVSS 302的测试是专门针对汽车制造业的，尤其是汽车内部的部件。表2中所列的产品符合UL 94 V－0认证，而且通过了FMVSS 302测试。在根据ASTM D3874标准进行的热线引燃试验中，产品分别达到了级别3到4。除此之外，产品还符合DIN EN60695-2-12灼热丝试验的要求，灼热丝的易燃指数（GWFI）为960/3.0。
　　表2列举了这种聚酰胺热熔材料的部分电性能的数据，比如体积电阻率、介电强度、其他绝缘属性以及对比跟踪指数。既然我们在这里讨论的是聚酰胺，还必须考虑湿气对它的影响。
　　汽车制造业所应用的注塑材料必须对许多化学物质均具有耐腐蚀性。但是，在大多数情况下，接触是短暂的、偶发的。通过在表面敷上少量的液体或者将测试体快速浸入该液体来确定耐腐蚀性。然后，通常会把测试体保存在相应的工作温度下。本文讨论的这种聚酰胺材料对汽车制造业中通常会接触到的化学物质具有耐受性。只有在接触电池酸性物质的情况下，才会发生表面分解。
　　当然，这种聚酰胺热熔材料在应用上也存在限制。非极性底层，比如与特氟龙或硅树脂并不能达到很好的粘合效果。该产品在短期接触的情况下，对燃料类化学物质具有耐受性。在中期接触的情况下，对柴油的耐受性也令人满意。但对于长期会接触酒精、石油的应用条件，该产品则不适用。由于其良好的导热性能，金属材料很难用这种聚酰胺热熔胶粘接，顾名思义，热熔胶是在高温的状态下应用的。例如，将金属预热到80到100℃将会粘接效果有所帮助。目前已经有研发项目正在研究针对这些应用的解决方案。除了聚酰胺热熔物，聚烯烃和聚亚安酯热熔物也可以用于此类应用。我们将在适当的时候提供这些方面的报告。

                                                      
　　四、  模具
　　模具通常由铝材制成，因为它比钢模具便宜。而且，在注塑过程之后，从铝模具上脱模要比钢模具容易，因为这种聚酰胺材料对钢模具的粘接力更强。合理的模具设计对于轻松脱模以及所封装部件的日后性能都非常重要。在这方面，已经积累了大量的经验。脱模对于工艺周期有巨大的影响，从而会影响生产效率。对于部件的性能，比如防水性，重要的一点是注塑材料在电子元器件关键的部位上封装效果，关键的部位指即使发生剧烈的温度变化系统依然必须保持防水性的地方。这样，在冷却的阶段，这种聚酰胺注塑材料将会收缩，收缩率约为8% 到10%。为了弥补这一点，在注射阶段之后，立刻加上了一个保压阶段。经过这一保压阶段，收缩率可以下降到约1％，这可以通过外部轮廓上体现出来。
　　在三维模拟程序的帮助下，我们可以对注塑过程进行模拟，必要的时候，进行优化。对模拟的重点的是产生一个限定条件的模拟环境来描述注塑的几何过程。这种注塑材料对模拟计算来说至关重要的参数包括导热性、热容量、pVT性能以及在不同剪切速率下的粘度。基于聚酰胺的注塑材料的导热性通常为0.2 W/mK，与温度无关。输入的几何数据被模拟程序用来计算注胶点位置范围。计算的参数包括前沿曲线、填充所需要的压力以及熔化温度。得出的结果可以对注胶点的具体位置进行优化。使可能发生的空隙和收缩限制在可控的范围内。而且，还可以帮助合理地设定诸如注射温度、注射压力以及保压之类的设备参数。
　　五、  结束语
　　选择低压注塑（注射）成型工艺不但可以大幅度提高生产效率，降低产成品的次品率，还可以从总体上帮助生产企业建立成本优势。虽然在此项工艺技术中国的发展还是处于初级阶段，但是其未来应用前景非常值得期待。