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如何有效保护元器件

正确的工艺,正确的连接器

如何有效保护元器件——正确的方法,合适的连接器

电子行业正经历转型:无论是汽车领域、太阳能和风能领域,还是工业自动化领域,电气化都在各行各业中全面展开。 然而,随着联网程度的不断提升,近年来电子故障的数量也随之增加——据汽车研究中心(Center for Automotive Research)数据显示,增幅高达29%。因此,根据预期环境影响,电子元件的防护变得至关重要。通过防护措施,电子设备能够得到可靠的保护——但为此,用户还需要一种与灌封工艺兼容的连接解决方案。

对元器件防护工艺的需求日益增长

各种工艺可保护电子元件免受冲击、振动、潮湿、灰尘、高温、持续的温度波动及其造成的后续损害。 因此,元件防护对于延长最终产品的使用寿命、提高其功能安全性和可靠性具有重要作用。

正因如此,元件防护工艺已在许多应用领域得到广泛应用:电动汽车、工业自动化、轨道交通、医疗技术、风能和太阳能技术、通信电子、农业以及家用电器——如今,电子技术几乎无处不在。 在此背景下,日益增长的微型化趋势正带来新的挑战。电子元件不断缩小,需要采取不同的防护措施来增加爬电距离并消除空气间隙。

因此,根据元件所受的应力和使用环境,可选择不同的工艺:灌封、保形涂层和热熔模塑是其中最受欢迎的工艺。

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元器件保护工艺:灌封

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表1:最常用的灌封材料及其特性
单组分和双组分灌封材料(即所谓的灌封胶)被广泛应用。 对于双组分灌封材料,通常采用相应的机械技术将树脂与固化剂按混合比例混合,并通过静态混合管注入型腔。因此,这种冷灌封是一种非成型工艺,需要一个用于注入灌封材料的壳体。
灌封工艺具有以下优势:它不仅能提供出色的电气绝缘、高散热性以及减震和抗冲击性能,还具备耐化学腐蚀、防潮、耐热冲击和耐循环性能,能保护电子元件免受灰尘和湿气的侵害,并具有阻燃特性。
 
根据具体要求,通常会使用环氧树脂、聚氨酯和硅树脂。它们在性能方面各不相同(表1)。 

除了上述材料外,还有特种灌封材料和浇注树脂。不过,这些材料仅在极端条件下使用。例如,它们符合ATEX要求,通过阻止点火源、可燃物和氧气之间的化学反应,从而防止爆炸。 此外,它们还能提供抵御高压(高达30kV/mm)的电气绝缘,防止局部发热导致的过热,并具备IP68防护等级,可防尘并抵御长期浸没。

灌封工艺为用户提供了多种可能性。 该工艺的典型应用产品包括电池组、功率和控制电子设备、充电器、防爆电子设备、传感器、监控器和显示屏。

元器件保护工艺:包覆涂层

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图1:薄膜涂层(左)、厚膜涂层(中)与灌封(右)的对比 来源:Werner Wirth
采用保形涂层工艺,可对印刷电路板进行全面或选择性涂覆。在选择性涂覆的情况下,仅在电路板的必要区域覆盖保护层。通常将涂层分为两种类型:薄层涂层凭借其快速固化特性及适配的粘度,能显著提升生产流程的经济效益。 而厚膜涂覆则能提供极高的边缘和表面保护,尤其能保护电子组件免受极端湿度的侵害。无论哪种情况,保形涂层在干燥后形成的涂层厚度仅在30至2000微米之间。因此,电子组件仍可在狭窄的空间内进行安装。 

 由于保护漆的粘度不同,流动特性也各异,因此在已装配的电子组件上常采用“DAM & FILL”原理。具体而言,使用具有触变性的保护漆在组件周围形成一道“Dam”(即“堤坝”),例如围绕那些不可浇封的部件(如连接器)。 随后,其余组件将用低粘度保护漆进行浸润(“Fill”,即“填充”)。

在 conformal coating 工艺中,会使用不同的聚合物材料。因此,用户可以在硅基产品和紫外线固化产品等之间进行选择。 前者因其工作温度范围广(-40°C 至 +200°C),非常适合航空航天或海上等严苛的使用环境。后者由丙烯酸酯和聚氨酯或两者的混合材料组成。 其主要特点在于通过紫外线引发能快速固化,并具有极佳的耐热冲击性。conformal coating

的应用领域非常广泛,涵盖从汽车领域到轨道交通、传感器技术、工业电子、医疗技术,以及前述的海上风电和航空航天技术。

元件保护工艺:热熔模塑

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图2:以消防头盔为例展示热熔成型工艺。图中中央可见:通过“Dam & Fill”工艺预留出的插头连接器。来源:Werner Wirth
热熔模塑是一种特殊的灌封工艺。在此工艺中,组件会在单一步骤内被材料包裹,从而形成外壳结构,同时保护组件。 电子元件在此过程中不会受损,因为低粘度的热塑性材料具有较低的加工温度,且其加工所需的注射压力远低于常规塑料注塑成型。这既保护了组件,又使热塑性材料能够快速固化,同时使该工艺成本相对较低。

因此,低压注塑成型可用于对触点、传感器、电路板和线圈等敏感组件进行环保包覆、粘接或达到IP68级密封,从而在极端条件下仍能提供有效保护。例如,农业就是一个深受外部环境影响的行业

,其机械设备每天都要面对多变的天气条件。 热熔模塑技术是保护其电子元件的理想选择:它能提供可靠且持久的防护,抵御潮湿、温度波动、腐蚀和震动。 

结论

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灌封、conformal coating 还是热熔模塑:哪种元器件保护工艺最合适,始终取决于电子设备的具体应用领域及相关要求。并不存在一种通用的解决方案。

连接器的问题

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图3:两件式插头与一件式flexilinkb-t-b的截面图对比 来源:ept GmbH
极端温度、灰尘与潮湿、化学或机械应力:通过采用合适的元器件防护工艺,电子元件几乎可以抵御任何外部影响。但有一点必须注意:只有当所用材料不会限制已安装元器件的功能时,才可进行灌封。 因此,必须采用与灌封材料兼容的连接解决方案——普通印刷电路板连接器因此被排除在外。这是因为其通常采用两件式弹簧-刀片接触结构,灌封材料可能渗入脆弱的插接区域,从而影响接触。

因此,对于传统连接器,必须在灌封前通过“阻隔与填充”(Dam & Fill)工艺密封接触区域,以避免灌封材料造成影响(图2)。其关键在于:一方面,灌封材料进入接触区域会影响接触点,从而中断信号传输; 另一方面,它会抑制弹簧的回弹特性。

为了既能进行灌封又能确保必要的可靠性,建议选择一体式连接解决方案,即无需传统插接区域的连接器。对于这种一体式连接器,灌封材料不可能渗入接触区域。  

压入技术:首选的连接技术

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图4:配备ept Tcom press®压入区的flexilinkb-t-b电路板连接器 来源:ept GmbH
因此,一体式连接器具备这些材料所需的IP防护等级,从而能够进行灌封——进而实现持久且坚固的连接方案。不过,连接技术的选择在此也起着重要作用。 借助双侧压接区,铜套管与压接区之间的冷焊作用使连接区域实现气密性,从而在两块电路板之间形成可灌封连接,该技术已在实际应用中经过数十亿次的验证。

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图5:ept压入区的孔规格 来源:ept GmbH
然而,为了确保这种气密连接,必须严格按照ept规范来实现过孔连接:


由于消除了插接区域,该连接器结合压入技术,因此能够承受高达200 g的冲击载荷。即使因剧烈温度波动导致的材料位移以及有害气体的影響,也不会影响连接的可靠性。 与焊接技术相比,压入技术使可靠性提高了数倍,因为既不会出现冷焊点,也不会出现焊点断裂。此外,还可以避免繁琐的选择性焊接工作、昂贵的线缆解决方案和间隔件,这不仅为开发人员节省了PCB空间,还能将成本降低多达50%。  

仅需一个元器件即可同时实现机械连接和电气连接。特别对于具有可配置功能或不同性能级别的模块化组件,压入工序非常适合在贴片工艺的最后阶段进行。在此过程中,可根据需要将不同的模块安装在基板上。 这样,仅需一个快速工序即可生产出种类繁多的产品。由于还可以对组件进行最终灌封,因此电气和机械连接能够长期保持可靠。  

通过灌封,用户能够最大限度地保护电子组件免受恶劣环境因素的影响。然而,如果用户考虑为其应用提供元器件保护,还必须选择合适的连接器并配合相应的连接技术。一体式、压入式和灌封式——这种组合使电子组件能够抵御(几乎)所有外界影响。

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