提昇保護塗層的固化速度 有助零件產出及大量製造效益

作者: Kent Larson
2004 年 11 月 25 日

工業應用如汽車內部等嚴苛環境下使用的電子零件,使用濕氣固化矽膠均勻塗料通常是提供保護塗層的最佳選擇。這類材料的能以噴灑、浸沾、流動式塗佈和粉刷等方式來塗佈,但由於過去需要很長的固化時間 ,因此不常被用於大量且高速生產線上的製造。
 

利用新研發的固化程序,再搭配固化速度更快的塗料,製造商即能將固化時間大幅縮短至低於2.5分鐘。新程序只要使用標準烤箱就能將塗料完全固化,且可達 0.005英吋(0.125釐米)深度,而在60℃溫度、10~15%相對濕度以及適度至高度的空氣對流速率等條件下,則可出現最佳固化速度。固化時間的改進有著極其深遠的影響,這些新程序不僅為汽車電子零件製造商帶來更高的產出和生產力,還能將均勻塗層變成在大量製造環境下具成本效益處理的選項。
 

印刷電路板除了必須忍受嚴苛環境,還會曝露在很大的溫度波動中,承受激烈振動,並且與流體接觸,因此通常塗佈一層薄的塗層(<200微米)以做為保護,此一塗層在固化後會均勻覆蓋整個電路板表面。均勻塗料會將電路板和厚度很小的零件密封起來,形成完全隔離週圍環境的堅固阻障層,避免原本可能出現的腐蝕和損害。
 

保護塗佈方式繁多 最佳功能/價格比難覓
 

市面上有多種保護塗料,包括壓克力(Acrylics)、聚胺基甲酸酯(Urethanes)、二甲苯(Paraxylenes)和矽膠 (Silicons),每一種都有其獨特的應用、效能和經濟因素組合,選擇最佳產品時必須將這些都列入考慮。決策過程中必須考慮的重要因素包括提供最大產出,同時將進行中工作(WIP)以及生產線作業成本減至最少,考慮點眾多。
 

對於需要矽膠提供廣泛效能優勢的應用,也有各種塗佈設備供其使用,其範圍從材料使用效率較差,但資金成本低且具備高產出優勢的浸沾槽設計,到效率較高的流動式和噴灑式塗佈設備,再到效率和成本都更高的選擇式噴灑設備。
 

無論以何種方式塗佈這些材料,塗佈結束後就必須立刻執行某種固化程序,使得電路板能繼續接受其它處理,不必擔心塗層遭受破壞。矽膠均勻塗料的主要固化方式可分成三大類,每一類都有其的優勢和考量之處。
 

紫外線30秒可固化塗料 但須對陰影再做溼氣固化
 

只要曝露在很強的紫外線光源下,紫外線固化塗層通常在30秒內就能完全固化,雖然這對於高速生產線似乎極具吸引力,但事實並不是完全如此,因為只有直接曝露在紫外線下的部份才能達到這麼快的固化速率,其它被陰影遮住的部份或是大型零件的底部仍處於液態,必須再執行一次濕氣固化才能完成整個黏接程序(通常需要數小時或數日);除此之外,這些材料的價格多半很昂貴,很多還會有難聞的氣味。
 

熱固化速度快、成本低 惟塗料使用壽命短
 

熱固化矽膠必須使用烤箱加熱塗佈後的電路板,使其溫度上升至100℃以上,並且在這個溫度下保持10~20分鐘。更高的溫度雖能縮短電路板停留在烤箱內的時間,但通常只要將溫度保持在100~115℃之間,就能在加溫零組件至烤箱預設溫度所需的時間與固化塗層所需的熱能之間取得最佳平衡。這些材料的固化速度仍然相當快速,成本也低於紫外線固化塗料,但是它們在室溫下的保存壽命和使用壽命通常都比較短,對於可能傷害其固化的某些污染物質也相當敏感。
 

濕氣固化成本低、程序可靠 但烤箱投資及後續成本高昂
 

濕氣固化產品是最常使用的矽膠均勻塗料,材料成本通常最低,硬化程序也非常可靠,幾乎是萬無一失。這些材料只要曝露在空氣中的濕氣下,就會立即開始硬化;一般而言,大多數使用者發現這些材料要在空氣中曝露30~60分鐘,就會達到足夠的固化程度,使其得以繼續接受其它的處理程序。
 

使用者若想縮短固化時間,可以使用烤箱將電路板溫和加熱至60~70℃(更高的溫度可能導致塗料產生大量氣泡),但在普通的對流加熱烤箱內,濕度多半都很低。由於這些產品需要空氣中的濕氣才能固化,因此濕度很低的環境並不利於固化,標準的建議和做法是使用可以控制濕度的昂貴烤箱。換言之,使用者若要享受這些濕氣固化矽膠塗料提供的實用性和低成本優勢,就必須應付很長的室溫固化時間所帶來極為龐大的進行中工作量,或者是投資大量費用安裝濕度控制型烤箱,並且承擔後續(有時金額相當龐大)的維護成本。
 

新溼氣固化矽膠技術 可在室溫達到高產出目的
 

針對快速濕氣固化矽膠均勻塗料的最新測試結果顯示,這種材料不需要提高濕度,就能在標準的對流型烤箱中迅速固化。在這些測試中,均勻塗料是以人工方式塗佈至印刷電路板,厚度分別為25、125和250微米(0.001、0.005以及0.010英吋),塗佈完成後立刻就將這些電路板放到環境受到控制的反應室內,其內部溫度分別為25、40和60℃,濕度則控制在15%、45%以及75%的相對濕度,固化過程的監控則是透過量測這些塗層的指觸乾燥(tack -free)時間和黏著穩固的時間。
 

室溫條件下的固化時間完全符合預期,測試中使用了相對快速的濕度固化塗料,在整個塗佈厚度範圍內只用了16~24分鐘,就成為指觸乾燥狀態,22~30分鐘內就達成完全黏接效果。雖然這比標準的矽膠濕氣固化塗料已有很大進步,但對於大量生產的生產線而言,它仍代表著相當大的進行中工作。
 

把相對濕度提高至50%以上會產生令人驚訝的效果—固化速度將大幅減緩;在75%相對濕度和室溫條件下,這些塗層則需要1個小時或更長的時間才能完全固化。在更高的溫度下,固化時間確實大幅縮短,但是前面的測試結果也顯示最理想的固化條件並非出現在較高的濕度條件下,而是在相當低的相對濕度下。
 

在室溫下,最佳固化速度出現在10~40%的相對濕度範圍內,此時就算是厚度250微米的塗層,最快只要12分鐘就能達到手觸乾燥的程度。在60℃溫度下,測試結果更令人印象深刻:最快的固化速度出現在10~20%的相對濕度範圍內,厚度較小的塗層甚至只要半分鐘就能完成處理,厚度250微米的塗層也只需要1.5分鐘。
 

巧合的是,這個最佳濕度範圍正是多數使用者利用正常室內空氣(相對濕度約50%),並將它加溫至60℃時所得到的結果。使用者不必再提高或降低濕度,就能在60℃的烤箱中得到最理想的固化時間。
 

由暖和的溫度和低濕度組成的最佳條件可以創造出一個快速固化區域,這是因為不同的配方成份在這些產品中達到了複雜的化學平衡,而且這只適用於相對較薄的塗料。
 

濕氣固化矽膠產品都經過特別配製,確保其表面能快速固化,又不會犧牲固化物質的體積或深度。由於均勻塗料只塗佈薄薄的一層,它們的整個固化過程其實就是一種表面固化,所以它們的配方和固化過程都可調整,使其充份發揮表面固化特性的最佳優勢。
 

變更塗料配方、室溫下進行固化 新矽膠塗佈有助提高產出
 

在受控溫度、濕度和塗層厚度下測試快速濕氣固化矽膠均勻塗層的結果顯示,把塗佈後的電路板曝露至60℃溫度,但不增加空氣濕度,即可將固化時間從 20~25分鐘減少成為1.5~2分鐘,不僅能大幅加快固化速度、減少進行中的工作量和提高產出,從而降低零組件製造成本,它還能利用加熱快速的迴焊爐把固化時間減至最少,使它們的固化速度接近紫外線固化塗料,卻沒有這些產品的缺點。
 

(本文作者Kent Larson為Dow Corning資深應用工程師)
 

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