Zalewa dielektryczna do elektroniki

Czym jest zalewa dielektryczna?

Zalewanie, określane po angielsku jako potting lub encapsulation, polega na wypełnieniu zaprojektowanej przestrzeni płynną albo półpłynną masą, która następnie sieciuje. Materiał otacza luty, przewody i komponenty, ogranicza ich przemieszczanie oraz utrudnia bezpośredni kontakt z wodą i zanieczyszczeniami. Może też zmniejszać ryzyko powstawania prądów upływu na zabrudzonej powierzchni.

Słowo „dielektryczna” nie oznacza jednak, że sama masa rozwiązuje wszystkie problemy bezpieczeństwa elektrycznego. Zalewa nie zastępuje prawidłowych odstępów izolacyjnych, właściwej obudowy, bezpieczników ani badań całego urządzenia. Nie każda masa tworzy ponadto barierę całkowicie nieprzepuszczalną dla pary wodnej. O trwałości decydują również adhezja, ciągłość warstwy, geometria obudowy i szczelność przejść kablowych.

W praktyce spotyka się także określenia „żywica do zalewania elektroniki”, „masa do hermetyzacji”, „zalewa silikonowa do PCB”, „zalewa izolacyjna” i „materiał kapsułkujący”. Nazwy te opisują funkcję, ale nie przesądzają o chemii produktu. Przed użyciem trzeba ustalić, czy jest to silikon, epoksyd, poliuretan, żel czy jednoskładnikowy uszczelniacz RTV.

Jak zalewa chroni układ elektroniczny?

Rezystywność objętościowa opisuje przewodzenie przez materiał, natomiast wytrzymałość dielektryczna określa pole elektryczne powodujące przebicie próbki w zdefiniowanym badaniu. Wartości wyrażonej w kV/mm nie wolno bezpośrednio zamieniać na dopuszczalne napięcie urządzenia przez proste pomnożenie przez grubość zalewy. W realnym module występują ostre wyprowadzenia, szczeliny, pęcherze powietrza, wilgoć i zanieczyszczenia jonowe.

Szczególnie ważne są pustki pozostawione pod elementami lub pomiędzy zwojami. W układach wysokiego napięcia lokalne pole w pęcherzu może sprzyjać wyładowaniom niezupełnym. Z kolei odspojenie masy od przewodu, laminatu albo ścianki obudowy tworzy drogę migracji wilgoci. Dlatego parametry próbki materiału muszą być uzupełnione badaniem gotowego zespołu.

Warstwa polimeru podpiera elementy i tłumi część drgań, ale nie powinna przenosić nadmiernych naprężeń na kruche luty, szkło lub delikatne wyprowadzenia. Właściwości mechaniczne należy oceniać po cyklach temperatury, ponieważ laminat, metal, ceramika i zalewa rozszerzają się w różnym stopniu.

Izolacja elektryczna a odprowadzanie ciepła

Zalanie zmienia drogę przepływu ciepła z tranzystora, rezystora, transformatora lub diody LED do obudowy i otoczenia. Sama dobra izolacyjność elektryczna nie oznacza wysokiej przewodności cieplnej. Potrzebne są dane wyrażone w W/(m·K), informacja o grubości warstwy oraz znajomość powierzchni kontaktu z radiatorem lub obudową.

Zbyt gruba warstwa może zwiększyć masę modułu i zatrzymać ciepło. Zbyt cienka może nie przykryć ostrych końców wyprowadzeń i pozostawić słabe miejsca. Poziom zalania wyznacza się więc na podstawie wysokości komponentów, napięcia, mocy strat, spodziewanych drgań i wolnej przestrzeni potrzebnej do kompensacji rozszerzalności.

W elektronice mocy należy zmierzyć temperaturę najgorętszego elementu w najgorszych warunkach pracy. Jeżeli wymagane jest intensywne przewodzenie ciepła, stosuje się specjalną masę termoprzewodzącą. Wypełniacze poprawiające przewodność zwykle zwiększają lepkość i mogą utrudniać wypełnianie wąskich szczelin.

Główne rodzaje mas zalewowych

Silikonowe zalewy dwuskładnikowe

Po zmieszaniu bazy i utwardzacza powstaje elastyczny elastomer albo miękki żel. Silikony dobrze kompensują różną rozszerzalność cieplną laminatu, metalu i obudowy. Układy addycyjne mogą wiązać bez lotnych produktów kondensacji również w grubszym przekroju, o ile zachowano właściwą proporcję, temperaturę i czas procesu.

Utwardzanie addycyjne może zostać zahamowane przez niektóre pozostałości technologiczne, związki siarki, wybrane topniki lub materiały zawierające określone katalizatory. Objawem inhibicji bywa lepka lub płynna warstwa na granicy z podłożem. Każdą nową kombinację płytki, przewodu, tworzywa i środka czyszczącego należy wcześniej sprawdzić na próbce.

Silikon może przepuszczać pewną ilość pary wodnej, dlatego sam odlew nie jest równoznaczny z bezwarunkową hermetyzacją. Istotna pozostaje szczelność obudowy, przepustów i złączy oraz przyczepność zalewy po starzeniu.

Jednoskładnikowe silikony RTV i powłoki

Jednoskładnikowe silikony RTV utwardzają się pod wpływem wilgoci z powietrza, przeważnie od powierzchni w głąb. Odmiany płynne mogą wyrównywać cienką warstwę, natomiast pasty są stosowane do spoin, przepustów i miejscowego mocowania. W głębokiej, szczelnej przestrzeni dopływ wilgoci jest ograniczony, a rdzeń może długo pozostawać miękki.

System acetoksy podczas wiązania wydziela kwas octowy. Wymaga to sprawdzenia zgodności z metalami i wrażliwymi podzespołami oraz zapewnienia wentylacji. System neutralny wykorzystuje inną chemię, ale również musi zostać zakwalifikowany dla konkretnego układu. „Płynny” i „samopoziomujący” nie są synonimami masy przeznaczonej do grubego odlewu.

Powłoka konforemna tworzy cienki film na powierzchni PCB. Zalewa wypełnia większą część obudowy i mocniej podpiera komponenty, lecz zwiększa masę oraz utrudnia naprawę. Uszczelniacz miejscowy chroni natomiast konkretny przepust lub krawędź. Wybór zależy od rzeczywistej drogi wnikania wilgoci i rodzaju obciążeń.

Żywice epoksydowe, poliuretany i żele

Żywice epoksydowe tworzą zwykle sztywną osłonę o dobrej odporności mechanicznej i przyczepności. Są wybierane tam, gdzie potrzebna jest trwała kapsułkacja i niewielka możliwość dostępu do układu. Ich sztywność może jednak obciążać podzespoły podczas cykli cieplnych. W większym odlewie trzeba kontrolować skurcz oraz ciepło reakcji.

Zalewy poliuretanowe pozwalają uzyskać zakres właściwości pośrednich pomiędzy wieloma silikonami i epoksydami. Stosuje się je w czujnikach, zasilaczach i modułach elektrycznych. Wilgoć reagująca z nieutwardzonym składnikiem może prowadzić do pienienia, dlatego ważne są suche podłoża i prawidłowe przechowywanie materiału.

Żele silikonowe są bardziej miękkie od typowych elastomerów. W niewielkim stopniu obciążają cienkie przewody i delikatne połączenia, ale nie zastępują mechanicznie stabilnej obudowy. Określenie „samoregenerujący” opisuje zdolność żelu do zamykania śladu po niewielkim naruszeniu, a nie naprawę uszkodzonego obwodu.

Zalewa, powłoka konforemna czy uszczelniacz?

Przed aplikacją trzeba wyznaczyć elementy, które muszą pozostać odsłonięte: styki, złącza, zawory bezpieczeństwa, membrany czujników, radiatory, potencjometry i otwory wentylacyjne. Moduł LED może wymagać przezroczystości, przetwornica sprawnego przewodzenia ciepła, a układ sygnałowy oceny dodatkowej pojemności pasożytniczej.

SYLGARD 184 – właściwa zalewa dwuskładnikowa

SYLGARD™ 184 Silicone Elastomer jest przezroczystą, dwuskładnikową zalewą silikonową do kapsułkacji płytek, modułów LED, czujników, zasilaczy i połączeń elektrycznych. Składniki miesza się w proporcji 10 części bazy do 1 części utwardzacza. Reakcja rozpoczyna się po wymieszaniu; masa może wiązać w temperaturze pokojowej lub szybciej po kontrolowanym ogrzaniu.

Dla materiału podawane są typowe wartości: wytrzymałość dielektryczna około 19 kV/mm, rezystywność objętościowa rzędu 10¹⁴ Ω·cm oraz przewodność cieplna około 0,27 W/(m·K). Są to dane materiałowe uzyskane określonymi metodami, a nie gwarantowane parametry każdej zalanej płytki. Przezroczystość ułatwia oględziny ułożenia komponentów i pęcherzy.

SYLGARD 184 jest systemem addycyjnym. Nie należy powtarzać spotykanego w niektórych tagach handlowych określenia „utwardzanie acetoksy”, ponieważ opisuje ono inny mechanizm, typowy dla wybranych jednoskładnikowych silikonów RTV.

DOWSIL 734 – płynny uszczelniacz powierzchniowy

DOWSIL™ 734 Flowable Sealant, wcześniej znany jako Dow Corning 734, jest płynnym i samopoziomującym silikonem jednoskładnikowym. Służy do cienkich warstw, uszczelniania drobnych połączeń, wejść kablowych oraz napraw miejscowych. Utwardza się pod wpływem wilgoci w systemie acetoksy.

Opis aplikacyjny wskazuje jednolitą warstwę około 0,25–0,75 mm. W temperaturze pokojowej i przy wilgotności względnej około 50% materiał tworzy naskórek w przybliżeniu po 7 minutach, a w ciągu 24 godzin utwardzanie postępuje na głębokość około 3 mm. Niższa wilgotność i ograniczony dostęp powietrza wydłużają proces.

DOWSIL 734 może zabezpieczać powierzchnię lub płytką przestrzeń, ale nie jest prostym zamiennikiem SYLGARD 184 w dużym, szczelnym odlewie. Podczas utwardzania uwalnia niewielką ilość kwasu octowego, więc wymaga próby zgodności z materiałami układu.

DOWSIL 732, DOWSIL 738 i DOWSIL 3140

DOWSIL™ 732, dawniej Dow Corning 732, jest przede wszystkim uniwersalnym jednoskładnikowym klejem i uszczelniaczem o nieopadającej konsystencji. Może zabezpieczać obwód obudowy, przejście przewodu i wybrane połączenia. Nie jest swobodnie rozlewającą się zalewą do głębokiej komory. Dostępność określonego koloru, opakowania i dopuszczenia należy potwierdzić dla konkretnej wersji produktu.

DOWSIL 738, wcześniej Dow Corning 738, jest uszczelniaczem do zastosowań elektrycznych, rozważanym m.in. do miejscowego zabezpieczania wejść kablowych i połączeń. Bez aktualnej karty konkretnej wersji nie należy przedstawiać go jako potwierdzonej pełnej zalewy do głębokiej obudowy ani deklarować bieżącej dostępności.

DOWSIL 3140 RTV Coating, dawniej Dow Corning 3140, jest jednoskładnikową, samopoziomującą powłoką silikonową. Chroni powierzchnię płytki, luty i wyprowadzenia, lecz nie służy do wypełniania dużej objętości. Nazwa „coating” trafnie podkreśla różnicę między powłoką a materiałem zalewowym.

SYLGARD 170 – inny system mieszania

SYLGARD™ 170 jest czarnym, dwuskładnikowym elastomerem silikonowym stosowanym do zalewania i ochrony elektroniki. Jego proporcja mieszania wynosi 1:1, a więc wyraźnie różni się od proporcji 10:1 dla SYLGARD 184. Nie wolno przenosić receptury, czasu roboczego, lepkości ani profilu utwardzania pomiędzy tymi produktami.

Symbol został zachowany, ponieważ występował na poprzedniej wersji strony. Brak bezpośredniego odsyłacza handlowego oznacza, że nie deklarujemy aktualnego stanu magazynowego. Dobór zawsze powinien opierać się na aktualnej karcie technicznej właściwej dla kupowanej wersji.

Jak przygotować płytkę i masę?

1. Oceń wymagania. Określ napięcie, odstępy, moc strat, temperaturę, drgania, wilgoć, chemikalia i możliwość późniejszej naprawy.
2. Oczyść i wysusz zespół. Usuń topnik, pył, tłuszcz oraz pozostałości jonowe, które po zamknięciu pod masą mogą sprzyjać korozji.
3. Osłoń elementy funkcyjne. Zabezpiecz styki, złącza, membrany, przełączniki, zawory i powierzchnie radiatorów.
4. Odmierz składniki. Zachowaj proporcję masową albo objętościową wskazaną dla konkretnego produktu i sprzętu dozującego.
5. Mieszaj bez zbędnego napowietrzania. Zbieraj materiał ze ścianek naczynia; gdy proces tego wymaga, zastosuj odpowietrzanie próżniowe.
6. Wlewaj kontrolowanym strumieniem. Rozpocznij od najniższego punktu i pozwól masie wypierać powietrze spod elementów.
7. Utwardzaj zgodnie z kartą. Nie przekraczaj dopuszczalnej temperatury podzespołów i nie poruszaj modułu przed uzyskaniem wymaganej wytrzymałości.

Kontrola jakości i badania gotowego modułu

Po aplikacji kontroluje się poziom zalania, pełne utwardzenie, adhezję, puste przestrzenie i obecność materiału na obszarach zakazanych. Przezroczysta zalewa ułatwia oględziny, ale nie zastępuje badania. W krytycznych układach wykorzystuje się przekroje próbek, pomiary elektryczne, badania rentgenowskie lub inne metody dopasowane do geometrii.

Przed cyklami temperatury i po nich warto mierzyć rezystancję izolacji, prąd upływu oraz działanie układu. Próby wilgotnościowe, wibracyjne i szoków cieplnych powinny odtwarzać rzeczywiste narażenia. Pęknięcie, odspojenie, miękki rdzeń, korozja albo wzrost temperatury komponentu wskazują na konieczność zmiany materiału lub procesu.

Klasa palności badanej próbki nie jest automatycznie klasą gotowego urządzenia. Podobnie zastosowanie masy dielektrycznej nie nadaje modułowi określonej klasy IP. Ostateczną ocenę prowadzi się dla kompletnego wyrobu z obudową, złączami i przepustami.

Najczęstsze błędy podczas zalewania

• wybór jednoskładnikowego RTV do głębokiej, szczelnej objętości;
• pomylenie proporcji 10:1 dla SYLGARD 184 z proporcją 1:1 innego systemu;
• zalanie złącza, odpowietrzenia, membrany lub zaworu bezpieczeństwa;
• pozostawienie wilgoci, topnika albo środka antyadhezyjnego na podłożu;
• uznanie powierzchniowego naskórka za pełne utwardzenie całej objętości;
• brak kontroli pęcherzy pod transformatorem, cewką albo złączem;
• pominięcie wpływu zalewy na temperaturę i możliwość serwisowania;
• przenoszenie danych katalogowych próbki wprost na parametry kompletnego urządzenia.

Jak dobrać zalewę dielektryczną?

Dobór zaczyna się od funkcji: izolacji wysokonapięciowej, ochrony przed wilgocią, tłumienia drgań, odprowadzania ciepła albo utrudnienia dostępu do układu. Następnie określa się dopuszczalną twardość, możliwość naprawy, kolor, lepkość, czas życia mieszaniny, profil utwardzania i oczekiwaną odporność chemiczną.

Do zapytania technicznego należy dołączyć napięcie pracy, minimalne odstępy, maksymalną temperaturę podzespołów, wymiary obudowy, docelowy poziom zalania oraz materiały PCB, przewodów i obudowy. Pomocne są informacje o wielkości partii, sposobie dozowania, dopuszczalnym czasie procesu i planowanych badaniach środowiskowych.

Nie należy dobierać produktu wyłącznie na podstawie nazwy „zalewa” albo pojedynczej wartości wytrzymałości dielektrycznej. Materiał musi być zgodny z geometrią, technologią produkcji oraz środowiskiem, a proces powinien zostać potwierdzony próbą na rzeczywistym zespole.