エポキシをポッティングするエレクトロニクスの仕事をしたことがあるなら、コンポーネントの封止のトラブルシューティングを行う設計エンジニアであっても、封止ワークフローを最適化する生産ライン管理者であっても、流動性とパフォーマンスのバランスが勝敗を分けることをご存知でしょう。薄すぎると、繊細な回路トレースから流れ落ちたり、不均一に溜まり、露出した隙間が残り、湿気、ほこり、機械的衝撃を招きます。厚すぎると、表面実装の抵抗器、コンデンサ、コネクタの間の小さな隙間に浸透できず、部品の早期故障につながる脆弱な部分が生じます。しかし、多くのチームがその流れを解明するために立ち止まらないのは、その流れの最も基本的でありながら見落とされている推進力の 1 つである表面張力です。要求の厳しい電子アプリケーション向けのエポキシのエンジニアリングに特化したサプライヤーとして、私はこの関係を顧客に説明することに何年も費やしてきました。この中核となる特性が混合プロセスから部品の長期信頼性に至るまで、あらゆるものをどのように形作るのかを解明する時が来ました。
まず、表面張力とは実際何なのか、そしてなぜそれがエレクトロニクスのポッティングにとって重要なのかについて基礎を固めてみましょう。表面張力は、液体の表面における分子間の凝集力を表し、分子が内側に引っ張られて、ワックスが塗られた車の上で玉状になる水や、緻密な球体を形成する水銀のように、可能な限り小さな表面積を作り出します。エポキシポッティングコンパウンドの場合、この力は単なる物理学の教科書の詳細ではありません。それは、樹脂が基板をどれだけよく濡らすか、複雑で凹凸のある電子アセンブリ上に樹脂がどのように広がるか、そして均一な保護層にどれだけ早く硬化するかを直接的に決定します。この関係の詳細に入る前に、すべてのエポキシが同じように作られているわけではなく、プロジェクトに適切なエポキシを選択するには、材料の基本を理解することから始まることに注意してください。そのため、私は硬化速度、粘度、性能の間のトレードオフを含むこれらの基本を詳しく説明したガイド「エポキシ樹脂とは何ですか?」を常にお客様に案内しています。重要な基本、制限、および設計上のトレードオフ。このリソースは、表面張力や流動性などの特性を単独で考慮できない理由を説明するための基礎となるため、ポッティング エポキシを初めて扱う人にとっては優れた出発点となります。
ここで、表面張力を流動性、つまり液状エポキシが移動し、広がり、部品の形状に適合する能力に結び付けてみましょう。流動性は、流れに対する抵抗である粘度によって測定されるのが最も一般的ですが、粘度だけではすべてがわかりません。 2 つのエポキシは、粘度は同じでも表面張力が大きく異なる場合があり、回路にポッティングされた場合にはまったく異なる動作をします。その理由は次のとおりです。エポキシをアセンブリに注ぐときは、接触する各表面を「濡らす」必要があります。つまり、エポキシが玉状になって転がり落ちるのではなく、基板に接着することを意味します。濡れは表面張力によって決まります。エポキシの表面張力が高すぎると、FR-4 回路基板、錫メッキリード、一部のプラスチックコネクタなどの疎水性表面にエポキシがビーズ状になり、エポキシとコンポーネントの間に隙間ができます。粘度が流動できるほど低い場合でも、その高い表面張力によって液体が内側に引き込まれる力が生じ、液体が小さな SMD コンポーネント間のマイクロギャップに広がるのを防ぎます。たとえば、0402 抵抗器を備えたコンパクトなセンサー モジュールを開発している顧客は、以前のエポキシ (別のサプライヤーの汎用エポキシ) が最初はあまりにも早く流れ、その後抵抗器の周りで玉状になり、部品表面の 20% が湿度テストにさらされたままになると私に語ったことがあります。低表面張力向けに設計された室温硬化透明エポキシ ポッティング コンパウンドへの切り替え-リンク: 室温硬化透明エポキシ ポッティング コンパウンド | E-120 / H-100｜ Fong Yong は、粘度と表面張力のバランスをとり、最小の形状であっても一貫した濡れを作り出すことでこの問題を解決しました。
表面張力が高いことの裏返しとして、表面張力が低すぎることになります。ちょっと待ってください、それは直観に反するように聞こえますが、なぜ表面張力が低い液体が電子機器に問題を引き起こすのでしょうか? 1 つは、表面張力が極めて低いエポキシには、表面の凝集力を低下させるために高レベルの滑り添加剤や界面活性剤が添加されていることがよくあります。これらの添加剤は場合によっては濡れを改善する可能性がありますが、電子アプリケーションでは多くの問題を引き起こす可能性もあります。硬化中にガスが放出され、ボイドが発生してポッティングが弱くなったり、時間の経過とともに浸出してコンポーネントへのエポキシの接着が損なわれたり、敏感な回路を破壊する汚染を引き起こしたりする可能性があります。当社の自動車顧客の 1 人は、ECU モジュールに低表面張力エポキシを使用していましたが、12 か月にわたる現場テストの後、界面活性剤が表面に移行し、銅配線に腐食を引き起こしていることが判明したと共有しました。これは、真空状態では表面張力を最適化できない理由の完璧な例です。最終使用事例に合わせて調整する必要があり、これは当社のすべての技術リソースで強調している点です。
表面張力が流動性に与える影響のもう 1 つの重要な要素は、硬化時間です。電子機器のポッティング用エポキシのほとんどは、樹脂と硬化剤の 2 液系であり、特定の比率で混合して重合を開始します。硬化が始まると、エポキシの分子構造が変化し、2 つの部分を混合した瞬間からエポキシが完全に硬化するまで表面張力が連続的に変化します。室温硬化システムの場合、ポットライフ (混合エポキシが固まり始めるまでに作業しなければならない時間) がわずか数時間である可能性があるため、これは特に重要な期間となります。エポキシがゲル化し始めるときに表面張力が急激に低下すると、流れが突然止まり、中空のギャップが残ったり、被覆が不完全になったりする可能性があります。 E-120/H-100 システムは、硬化中に表面張力が徐々に制御されて変化するように設計されているため、ゲル化する前にエポキシが部品全体に均一に広がるのに十分な時間があります。そのため、ウェアラブルや医療センサーなどの、高速で均一なフローが交渉の余地のない繊細なアセンブリを実装するお客様にとって頼りになる存在となっています。
電子アプリケーションが異なればニーズも大きく異なるため、表面張力と流動性の関係は万能ではありません。これを説明するために、いくつかの一般的な使用例を取り上げてみましょう。まず、バッテリー端子や RFID チップなどの導電性コンポーネントの接着とシールに使用される導電性エポキシ接着剤があります。これらの場合、混合または流動中に導電性フィラーがポットの底に沈むのではなく、導電性フィラーがエポキシ内に均一に分散されるように、表面張力を十分に高くする必要があります。表面張力が低すぎると、重い銀または銅のフィラーが分離し、導電性が不安定になり、結合が弱くなります。当社の導電性エポキシ接着剤は、ポットライフ全体にわたってフィラーを浮遊状態に保つように調整された表面張力で配合されているため、大規模生産であってもプロセスの途中で再混合する必要はありません。
次に、熱転写電子ポッティング エポキシ接着剤です。これは、大量の熱を発生する LED ドライバーやパワー インバーターなどの高出力コンポーネントに使用されます。これらの場合、流動性はエポキシとコンポーネントのヒートシンクまたはケースの間の接触を最大限に確保するための鍵となり、これにより熱放散が向上します。表面張力が高いと、エポキシが発熱面全体に広がりにくくなり、コンポーネントの寿命を縮めるホットスポットが発生する可能性があります。当社の熱転写電子ポッティング エポキシは、湿った金属ヒートシンクやセラミック基板に合わせて表面張力が特別に調整されているため、コンポーネントとハウジングの間のあらゆる隙間を埋めるように流動し、独立したテストによると、標準エポキシと比較して熱性能が最大 15% 向上します。
さらに、強度を重視して落下する家庭用電化製品や、極端な温度サイクルにさらされる航空宇宙部品だけでなく、柔軟性が必要なアプリケーションもあります。これらの場合、応力破壊に対して設計された柔軟なエポキシ ポッティング コンパウンド (リンク: 応力破壊に対して設計されたフレキシブル エポキシ ポッティング コンパウンド|E759/H759) が不可欠です。このシステムの表面張力は、当社の標準的な硬質エポキシよりもわずかに低くなるように配合されており、コンポーネントの周囲をより容易に流れて機械的応力を吸収できると同時に、伸縮時に無傷を保つのに十分な凝集力を維持します。折りたたみ式携帯電話ディスプレイを開発しているお客様からは、当社の E759/H759 フレキシブル エポキシを使用すると、表面張力によりガラスやフレームから離れることなくディスプレイの曲げ動作に追従できるため、以前の硬質エポキシに比べてポッティング クラックが 80% 減少したとのことです。
また、エンジニアが犯すよくある間違い、つまり表面張力と粘度を混同することについてもお話しましょう。低粘度のエポキシを使用すると、流れが良くなると考えるのは簡単ですが、常にそうとは限りません。私はかつて、エポキシが厚すぎてネットワーク スイッチ回路基板の細かい隙間に流れ込まずに悩んでいた顧客を支援したことがあります。彼らは低粘度のエポキシに切り替えましたが、問題はさらに悪化しました。低粘度のエポキシは表面張力が高いため、広がるのではなく玉状になってしまいました。解決策は、より液体のエポキシではありませんでした。これは粘度と表面張力のバランスが取れたエポキシで、ビード状になることなく隙間に流れ込みました。これは重要な教訓です。流動性は両方の特性の関数であり、一方を最適化せずに他方を最適化すると、パフォーマンスが低下します。
電子エポキシの表面張力と流動性をテストすることは、単純なキッチンツールでは実行できるものではありません。工業環境では、接触角ゴニオメトリーを使用して、エポキシが標準 FR-4 基板をどのように濡らすかを正確に測定し、フロー試験チャンバーを使用して、温度、湿度、部品形状などの実際の製造条件をシミュレートします。そのため、当社はすべてのお客様に表面張力と粘度の両方の値を記載した技術データシートを提供し、お客様が当社の製品を既存のエポキシと比較し、情報に基づいた意思決定を行えるようにしています。また、当社は、表面張力と流れが非常に特殊な基準を満たす必要がある、超小型ウェアラブルや高電圧電源コンポーネントに取り組んでいるお客様など、独自のニーズを持つお客様にカスタム配合サポートも提供しています。
結局のところ、エレクトロニクス ポッティング エポキシにおける表面張力と流動性の関係は、材料科学が製品の性能にどのように直接影響するかを示す完璧な例です。この特性は、硬化速度やコストを優先して無視されることがよくありますが、それが誰かの手首に付けられたスマートウォッチであれ、ボンネットの下にある車のエンジン制御ユニットであれ、病院で使用される医療機器であれ、ポッティング作業が強力で、均一で、何年も信頼できるかどうかを決定する基本的な要素です。ポッティングプロセスにおける流動の問題に悩んでいる場合、または特定の用途向けに表面張力、流動性、性能のバランスが取れたエポキシを探している場合、当社のチームが適切なソリューションを見つけるお手伝いをします。当社はエンジニアや生産チームと緊密に連携して実際の条件で製品をテストし、お客様の正確なニーズに合わせたサンプル、技術サポート、カスタム配合を提供できます。繊細なセンサー用の室温硬化透明エポキシが必要な場合でも、折りたたみ可能なデバイス用の柔軟なエポキシが必要な場合でも、高出力コンポーネント用の熱エポキシが必要な場合でも、当社にはお客様の要件を満たす専門知識と製品があります。当社のチームに連絡してプロジェクトについて話し合い、エレクトロニクスに最適なエポキシポッティングコンパウンドを見つけてください。
参考文献
- ショウ、MT、マックナイト、WJ (2005)。ポリマー粘弾性入門 (第 3 版)。ワイリー・インターサイエンス。
- ラム、RN (1997)。ポリマーの表面物理学 (第 2 版)。スプリンガー。
- 電子産業同盟 (EIA)。 （2019年）。電子部品およびアセンブリのカプセル化に関する規格 (EIA-IS-71)。 EIA。
- ルドルフ、N.ら。 （2021年）。電子封止のエポキシ濡れにおける表面張力の役割。電子材料ジャーナル、50(8)、4521-4530。