封裝和灌封電子元件的8大優(yōu)勢
您是否正在尋找保護電子設(shè)備免受沖擊、振動、氣候條件和化學(xué)侵蝕等惡劣條件的方法?封裝和灌封是保護敏感電子元件免受環(huán)境和機械損壞的成熟技術(shù)。
在我們進入好處之前,讓我們澄清一下 encapsulation 和 potting 的含義。封裝涉及將電子元件封裝在保護材料(通常是樹脂或聚合物)中,以保護它們免受外部因素的影響。灌封是一種類似的過程,通常涉及用環(huán)氧樹脂或硅膠等化合物填充整個外殼或組件,以提供全面保護。這兩種技術(shù)都廣泛用于汽車、航空航天和工業(yè)自動化等行業(yè),以確保電子設(shè)備在極端條件下保持功能。
對于工程師來說,在設(shè)計必須承受沖擊、振動或暴露于化學(xué)侵蝕的系統(tǒng)時,了解這些過程至關(guān)重要。現(xiàn)在,讓我們分解一下使用封裝和灌封來保護電子產(chǎn)品的八個主要好處。
惡劣環(huán)境中的電子設(shè)備(如汽車控制單元或工業(yè)機械)經(jīng)常面臨突然的沖擊和沖擊。封裝和灌封在組件周圍形成一道堅固的屏障,吸收和分散沖擊力以防止損壞。例如,在電動汽車 (EV) 中,電池管理系統(tǒng) (BMS) 采用環(huán)氧樹脂封裝,以承受組裝過程中的碰撞或粗暴處理。研究表明,灌封電子元件可以承受比未受保護的同類產(chǎn)品高 50% 的沖擊力,從而降低焊點開裂或元件破損的風(fēng)險。
作為工程師,您可以選擇具有特定硬度等級(以邵氏 D 為單位測量,通常在 70-90 之間以提供剛性保護)的灌封化合物,以匹配應(yīng)用中的預(yù)期沖擊水平。這可確保您的設(shè)計即使在高風(fēng)險場景中也能保持可靠。
隨著時間的推移,持續(xù)的振動會使連接松動、磨損組件并導(dǎo)致焊點出現(xiàn)微裂紋。封裝和灌封將組件鎖定到位,最大限度地減少移動并抑制振動能量。這在航空航天應(yīng)用中尤為重要,因為電子設(shè)備必須承受渦輪發(fā)動機或湍流飛行的振動。例如,航空電子系統(tǒng)通常使用硅基灌封材料,因為它們具有出色的減振性能,在 10-100 Hz 的頻率下,阻尼系數(shù)通常超過 0.5。
在設(shè)計劇烈振動的環(huán)境時,請考慮使用具有高彈性的灌封材料來吸收振蕩。這可以顯著延長電子設(shè)備的使用壽命,防止現(xiàn)場出現(xiàn)代價高昂的故障。
暴露在極端氣候條件下(如高濕度、冰凍溫度或酷熱)會降低電子性能。封裝和灌封密封組件可防止水分進入和熱應(yīng)力,確保一致運行。例如,可再生能源系統(tǒng)中的戶外傳感器(如太陽能逆變器)通常采用聚氨酯化合物封裝,可在 -40°C 至 85°C 的溫度下保持完整性,防止熱膨脹不匹配可能使未受保護的電路板破裂。
對于在不同氣候條件下從事項目的工程師來說,選擇具有低熱膨脹系數(shù)(CTE,通常低于 50 ppm/°C)的灌封材料可以防止在溫度波動期間對組件造成應(yīng)力。這是保護電子設(shè)備免受惡劣天氣影響的實用方法。
工業(yè)環(huán)境經(jīng)常使電子設(shè)備暴露在溶劑、油或腐蝕性氣體的化學(xué)侵蝕中。封裝和灌封形成一道屏障,防止化學(xué)品接觸敏感元件,避免腐蝕或短路。例如,在石油和天然氣勘探中,控制系統(tǒng)采用耐碳氫化合物的環(huán)氧樹脂灌封,即使在暴露于腐蝕性液體中也能確保功能。一些化合物對特定試劑具有耐化學(xué)性評級,浸泡測試顯示暴露 1,000 小時后沒有降解。
作為工程師,您可以查閱材料數(shù)據(jù)表,選擇對應(yīng)用中的特定化學(xué)品具有經(jīng)過驗證的耐受性的灌封化合物,從而保護您的電子設(shè)備免于過早失效。
環(huán)氧樹脂和硅膠等封裝和灌封材料可提供出色的電絕緣性,防止高壓應(yīng)用中的短路和電弧。這對于電力電子設(shè)備(如電動汽車中的逆變器)至關(guān)重要,因為電力電子器件的介電強度是優(yōu)先考慮的。許多灌封化合物的介電強度超過 20 kV/mm,即使在高電應(yīng)力下也能確保安全運行。
對于涉及高壓的設(shè)計,選擇具有高介電常數(shù)和低耗散因數(shù)的灌封材料可以提高絕緣性能,降低擊穿風(fēng)險并增強
散熱是電子產(chǎn)品中的常見挑戰(zhàn),尤其是在緊湊型或高功率系統(tǒng)中。一些灌封化合物是用導(dǎo)熱填料(如氧化鋁或氮化硼)配制的,用于將熱量從關(guān)鍵部件中轉(zhuǎn)移出去。例如,在 LED 照明組件中,導(dǎo)電值為 1-2 W/m·K 的導(dǎo)熱灌封材料有助于將結(jié)溫保持在 100°C 以下,從而將 LED 使用壽命延長多達 30%。
工程師可以通過將灌封與散熱器配對或選擇具有特定導(dǎo)熱系數(shù)等級的化合物來優(yōu)化熱管理,確保組件在安全溫度范圍內(nèi)運行。
除了防止外力外,封裝和灌封還增強了電子組件的機械穩(wěn)定性。通過將組件封裝在剛性或半剛性材料中,這些技術(shù)可以防止電路板在應(yīng)力下彎曲或彎曲。這在機器人等應(yīng)用中至關(guān)重要,因為在這些應(yīng)用中,重復(fù)運動會使連接緊張。與未受保護的設(shè)計相比,灌封組件的機械故障率通常降低 40%。
在設(shè)計機械穩(wěn)定性時,請考慮灌封材料的拉伸強度(環(huán)氧樹脂通常高于 10 MPa),以確保其能夠承受物理應(yīng)力而不會開裂或變形。
通過結(jié)合抗沖擊、振動、氣候條件和化學(xué)侵害,封裝和灌封顯著延長了電子設(shè)備的使用壽命。這減少了頻繁維修或更換的需要,從長遠來看節(jié)省了成本。例如,在船舶電子設(shè)備中,灌封系統(tǒng)可以在鹽分、潮濕的環(huán)境中可靠運行超過 10 年,而未受保護的系統(tǒng)可能會在 2-3 年內(nèi)失效。
對于工程師來說,預(yù)先投資于高質(zhì)量的灌封解決方案可以降低總擁有成本,尤其是對于停機時間代價高昂的關(guān)鍵應(yīng)用。始終平衡初始材料成本與預(yù)期使用壽命和維護成本節(jié)省。
并非所有的灌封和封裝材料都是一樣的。以下是工程師根據(jù)應(yīng)用需求選擇合適的化合物的快速指南:
環(huán)氧樹脂:最適合高機械強度和耐化學(xué)腐蝕性。非常適合工業(yè)和汽車使用。
有機硅化合物:優(yōu)異的柔韌性和減振性。適用于航空航天和戶外應(yīng)用。
聚氨酯:提供柔韌性和韌性的平衡,非常適合各種氣候條件下的熱循環(huán)。
始終在模擬條件下(例如,熱沖擊測試或振動表)測試材料,以確保它們滿足您的設(shè)計要求。檢查固化時間、粘度(通常為 500-5,000 cP,以便于應(yīng)用)以及與組件的兼容性等規(guī)格。
對于希望通過封裝和灌封保護電子產(chǎn)品的工程師,以下是一些可行的提示:
準備組件:清潔并干燥所有部件,以確保灌封材料的正確粘合,防止出現(xiàn)空隙或薄弱點。
使用適當(dāng)?shù)幕旌媳壤鹤裱圃焐剃P(guān)于雙組分化合物的指南,以實現(xiàn)最佳固化和性能。
考慮分配設(shè)備:自動分配器可以提高大批量生產(chǎn)的一致性,減少氣泡。
壓力測試:模擬真實條件,如沖擊或極端氣候條件,以在部署之前驗證您的灌封解決方案。
封裝和灌封為旨在保護電子設(shè)備免受沖擊、振動、氣候條件和化學(xué)侵蝕的工程師提供了無與倫比的優(yōu)勢。從增強機械穩(wěn)定性到改進熱管理,這些技術(shù)可確保您的設(shè)計在最惡劣的環(huán)境中可靠運行。
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