为什么用于半导体封装的耐热复合材料从未用于线圈架、连接器和开关?

电器工程 连接器 焊接 制造业
2022-01-31 11:37:11

使用 IR 或热风焊接工具很难破坏通常用于“塑料”IC 和晶体管封装的材料,除非您应用一定的热量来可靠地首先破坏其中的半导体。从数据表中可以看出,这种材料更类似于聚合物混凝土,而不是普通塑料。

用同样的方法很容易破坏用于轻触开关、smd线圈架和连接器的热塑性材料。

如果第一种材料很便宜(假设有非常便宜的半导体,而连接器通常不那么便宜),为什么不常用它来制造第二组的零件?

2个回答

大多数 IC 封装的材料(无处不在的硬黑色塑料)是环氧树脂,它是一种热固性聚合物这与大多数称为塑料的材料相反,塑料是热塑性聚合物

热塑性聚合物由许多不同长度(分子量)的单独聚合物链组成,这些聚合物链实际上与其他附近的链没有任何键。取而代之的是,这种材料是一种无定形的、玻璃状的混乱链,或者是一种更有序的结晶结构的链,以重复的方式排列,这取决于具体的材料。结果,有了足够的热量,这些链条就可以自由地相互滑过,而且热量越多,就越容易。最终,热量使塑料表现得更像液体而不是固体,这使得诸如注塑或 3D 打印之类的事情成为可能。

有一个温度发生从固体到可变形半固体到粘性液体的转变,称为玻璃化转变温度,或\$ T_{g} \$. 他们的弱点就在这里。所有常见且具有成本效益的热塑性塑料还具有相对较低的玻璃化转变温度,远低于含铅焊料的熔点。加上烙铁的尖端通常比焊料的熔点高一点(为了产生良好的热流),这些材料对烙铁没有机会。它们实际上只能承受回流炉中一到几个短暂的回流加热循环,有时甚至不能承受通孔连接器。有一些高性能塑料,如聚醚醚酮 (PEEK) 或热塑性聚酰亚胺 (Kapton),其玻璃化转变温度远高于焊接温度,但这些材料也非常昂贵——PEEK 的成本是更常见塑料的 20 倍。然而,其他热塑性塑料,如 PTFE(特氟隆)当然可以承受温度,但具有其他特性(通常是机械特性),使其不适合用于连接器等。您可以购买铁氟龙绝缘线(需要增加一些成本),而烙铁根本不会损坏这些电线上的绝缘层。它们也非常令人沮丧,因为它们太滑了。

另一方面,热固性聚合物仍然像热塑性聚合物一样是聚合物链,但这些链发生了化学反应,导致这些链交联,或与其他链形成离子或共价键。换句话说,链条被链接并锁定到位。热量不会使它们软化。当然,如果很热,它们的链条确实会像热塑性聚合物一样轻松滑过彼此,但这并不重要,因为链条不能移动。这与将柔软且可熔化的天然或合成橡胶与轮胎中使用的更硬、更耐用的硫化橡胶分开的机制相同。它是相同的材料,但硫化过程会引起橡胶链之间的交联。

热固性聚合物,就像您可能在五金店购买的任何两部分环氧树脂一样,用于将功率晶体管封装到 IC 上的环氧树脂,通常以未固化(无交联和短链)状态的液体形式存在。它们与形成交联部分的硬化剂混合并引发它们(有时还需要加热和/或压力),并且材料将固化成坚硬的刚性材料。这个过程通常是不可逆的,因此,热固性聚合物根本不会熔化. 变成液体需要破坏构成环氧树脂本身的相同化学键,因此任何能够熔化环氧树脂的热量都会简单地分解(通过撕开分子的化学键来破坏)成不同的化学物质。这也意味着您需要足够高的温度来热分解材料,或破坏形成分子本身的共价键。

这个温度将比热塑性塑料的玻璃化转变温度高很多,因此用热损坏这些材料要困难得多,您需要更高的温度。

现在,他们不简单地用热固性聚合物制造连接器或其他东西的原因并不是任何单一的灵丹妙药。有很多原因,而确切的原因取决于产品和许多其他因素。但一般来说:

  1. 热固性聚合物的性能非常不适合某些应用。它们非常坚硬和易碎,并且几乎没有弯曲或变形的能力而破碎。它们在热塑性塑料倾向于使用的厚度方面也不太耐用,需要更大的厚度和体积来提高强度。当然,这也使它们对于任何需要灵活性的东西(例如电线绝缘)完全不切实际。也就是说,许多屏蔽电感器是用热固性聚合物制造的,其中线圈完全封装在屏蔽的灰黑色块中。通常,磁性材料混入热固性聚合物中。这是 SMD 功率电感器中流行的样式。

  2. 热固性聚合物不可能像热塑性塑料那样加工。您不能在注塑机中使用热固性聚合物。为了达到最终状态,热固性材料从根本上需要发生化学反应(并且它对发生的速度有限制),而热塑性聚合物可以单独加热处理 - 你加热它们以使其成型,然后冷却它们以巩固它们,您可以根据需要多次执行此操作。这使得制造过程在每个可能的阶段都完全不同,并施加了过程或制造工程师可能会花费数小时讨论的各种限制。

  3. 要求。对烙铁/热风抗返修连接器、电线等没有任何广泛的市场需求或需求,制造它们会降低可制造性、增加成本、降低耐用性并可能增加尺寸。非常旧的电子元件实际上确实倾向于使用热固性聚合物,但它们也很大、很重且价格昂贵。任何电子管放大器都将填充封装在电木中的部件——有史以来第一种人造聚合物,也是一种热固性聚合物。

    这并不是说这样的组件不存在——它们确实存在。或者至少,高温的。我已经提到了PTFE线,但也有可以承受焊接温度的硅胶绝缘线,还有很多熔点甚至高于铁氟龙的高性能热塑性塑料(考虑到它是用来涂油炸的,它的耐热性已经没什么可笑的了用于烹饪的平底锅)。有一种涂有某种搪瓷的漆包线,可以连续承受 200°C,并且通常不会受到烙铁的损坏。我真的很讨厌这种电磁线,因为你不能把你的铁一直向上转动并烧掉珐琅质,你必须用砂纸或其他东西把它磨掉。但它是存在的,而且也不是特别贵。

  4. 在导线温度成为限制因素之前,电感器通常会受到磁芯材料失去磁性的限制。

  5. 肯定有不会熔化的开关(通常是非常昂贵的开关)——但它们只是由金属制成。在这种情况下,使用热固性环氧树脂并没有真正令人信服的优势,因为大多数客户想要具有高耐用性的开关,并且可能不太关心高耐热性,因为据推测,该开关旨在由人操作. 与热塑性塑料相比,人类对焊接温度的耐受性甚至更差,并且工作温度范围更窄。我的温度约为 68-72° F,除此之外,大多数生产力或正常运行都会停止,我主要只是抱怨温度。这是一个常见的故障。

肯定还有更多原因,其中许多可能非常特定于某个应用程序或背后的需求。真正的、单一的灵丹妙药答案很简单:几乎所有东西都是由正确的材料制成的,这取决于市场需求、使用、成本和各种物理特性,平衡了购买这些部件的人想要但愿意支付的价格.

如今,大多数零件都是为大规模自动化 PCB 组装而制造的,而不是维修或返工,无论好坏。

让我们以STM32F410RBT6 为例,这是 Mouser 提供的 LQFP-64 封装上最便宜的 32 位 MCU。塑料包装的体积约为 140 mm3。1000 件的价格是 2130 美元。

将此与12 针连接器G800W590018EU进行比较。塑料的体积约为 196 mm3。1000 件的价格是 105 美元。

假设塑料成本是 G800W590018EU 价格的一半。如果塑料价格上涨两倍,那么 G800W590018EU 的成本将增加 50%。如果塑料价格下降两次,那么STM32F410RBT6的成本仅下降2%。