低压注塑封装工艺 [完整版]

电子元器件 - 低压注塑封装工艺

随着电子元器件生产数量的激增，低压注塑工艺在越来越多的电子元器件中被应用。如今，您可以在广泛的日常应用中看到低压注塑工艺的身影，例如医疗传感器、工业传感器、LED照明、手机与动力电池、线束、电路板（PCBA / FPC）、连接器、微动开关等，保护敏感的电子元器件免受恶劣环境的影响。

Low pressure molding低压注塑成型工艺是一种以很低的注塑压力（1.5～40bar）将封装材料注入模具并快速固化成型（5～50秒）的封装工艺方法，以达到绝缘、耐温、抗冲击、减振、防潮、防水、防尘、耐化学腐蚀等功效。

展开剩余94%

低压注塑工艺，最初在20世纪80年代引入欧洲汽车制造业。它改进了电子封装的过程。到目前为止在欧美、日韩等的汽车工业领域和电子电气领域已经成功应用了十几年，在我国目前已在快速发展阶段。其应用领域非常广泛，包括：印刷线路板（PCB/FPC）、汽车电子产品、手机电池、线束、防水连接器、传感器、微动开关、电感器、天线、照明LED、光纤线缆、环索等。 优点是材料用量减少，加工速度更快。该方法是无毒的，与使用环氧树脂或聚氨酯的灌封相比是一个很大的优势。

行业术语：低压注塑、低压成型、低压注胶、低温注塑、低温低压成型、低压注射

用于低压注塑成型的封装材料是基于自然脂肪酸、二聚酸的热塑性热熔胶粘剂。天然无毒无公害，可生物分解，可回收利用。它对ABS、PBT、PVC之类的塑料具有良好的粘接性，并具有低温韧性，宽范围的工作温度以及超强的成型特性。

一、低压注塑工艺

这种低压注塑工艺与热塑性塑料的注塑成型技术非常相似。颗粒状的热熔胶被加热至熔化，以便在液体状态下进行下一步加工。

与传统的注塑成型技术不同的是，这种单组份热熔胶在特殊设计的模具中只需要2到40巴的低压就可以完成封装电子元器件的工艺。这种低压范围之所以成为可能，是因为这种热熔胶在熔融状态下的粘稠度很低，仅在1000到8000 mPa.s之间。

另外，注塑的温度范围在180到240摄氏度之间，通过这种方法，可以温和地将线束、连接器、微动开关、传感器和电路板等精密、敏感的电子元器件封装起来，而不会对其产生伤害。

在热熔胶被注入模具之后，随即开始冷却及固化，固化时间因胶量的不同而不同，大约在5到50秒之间。除了保护元器件免受周围环境的影响，该低压注塑材料还可以起到抗冲击，缓冲应力的作用。此外，该材料还可以作为电绝缘材料。

低压注塑成型工艺与传统工程塑料注塑的温度/压力比较

1．提升终端产品的性能：

1）注塑压力极低，无损元器件，次品率极低

针对传统注塑工艺压力过高的缺陷，Technomelt 系列特殊胶料在熔融后只需要很小的压力就可以使其流淌到很小的模具空间中，因而不会损坏需要封装的脆弱元器件，极大程度地降低了废品率。

传统封装工艺

● 需要工程塑料制备的外壳

● 需要外壳，封装后产品尺寸较大

● 化学反应需要24小时左右

● 需要精确控制2K组分比例

● 需要抽真空或加热固化，工艺流程繁琐

● 需加热固化，需要较多的操作平台和支架, 占用更多的生产空间

低压注胶成型工艺

● 不需要工程塑料外壳, 降低成本

● 可依据PCB的大小设计模具，成型后产品尺寸小,节省空间

● 无固化反应需要的时间

● 采用一种胶料，无需混合使用

● 更少的工艺流程;

● 产品注胶完成后就可进入下一工艺，不需要场地来等待产品反应固定

2）优异的保护效果

密封性好：低压注塑胶料熔化后具有良好的的粘接性能，可有效地对所封装元器件起到密封、防潮、防水、防尘、耐化学腐蚀的作用。

耐高低温：耐环境温度范围为-40℃到150℃，可以适用于各种恶劣的生产环境和使用环境。

抗冲击性：成型后可达硬度Shore A 60～90 或Shore D 40，具有良好的韧性，可减缓来自外界的冲击力。

电绝缘性：体积电阻在1011～1014之间，可做绝缘材料。

阻燃性：具有优良的阻燃性能，符合UL94 V0标准。

3）环保型产品

低压注塑热熔胶符合欧盟RoHS指令，不含任何溶剂，是无毒无害单组份环保材料。

2．缩短产品开发周期，大幅度提升生产效率

成型模具可采用铸铝模，而不是钢材，所以非常易于模具的设计、开发和加工制造，可缩短开发周期。

另外，相比费时的双组份灌封工艺，低压热熔胶注塑成型的工艺周期可以缩减到几秒至几十秒，极大的促进了生产效率。

3．节约总生产成本

首先，低压注塑成型工艺的设备成本低。传统注塑工艺设备系统，一般来说成本较高，其中包括购买高压的注塑机，另外还必须有水冷系统以及昂贵的钢模。而低压注塑成型工艺设备系统一般比较简单，仅由热熔胶机、工作控制台以及模具三部份组成。

其次，由于注塑压力极低，模具可采用铸铝模，易于模具的设计、开发和加工制造，可节约材料成本和开发周期。

如用低压注塑成型工艺来替代传统灌封工艺，则还可节省灌封用的外壳以及后加热固化等费用。

最后，由于低压低温，可极大地降低产成品的废件次品率，避免了不必要的浪费。

因此，选择低压注塑成型工艺不但可以大幅度提高生产效率，降低产成品的次品率，还可以从总体上帮助生产企业建立成本优势。

二、低压注塑材料

用于这种技术的化学材料是以二聚脂肪酸为基础的聚酰胺热熔胶。该脂肪酸来自于可再生资源，比如大豆、油菜籽和葵花籽，然后缩聚成二聚物。在缩聚过程中，该二聚脂肪酸与二胺发生反应，释放出水，生成聚酰胺热熔胶。这类产品的显著特点是耐温范围较广，也就是说，产品具有低温柔韧性，与此同时，还具有抗高温蠕变性。

因为比其他热熔材料更加坚固结实，这些产品具有类似于塑料的特性。在注塑过程中，这些粘合剂确实需要发挥塑料的功能。换句话说，粘合剂不仅仅是两个基材表面之间的一层薄膜，而是外部3维构造不可或缺的一部分。热塑性塑料外壳可以完全被这些粘合剂所取代。

除了机械上的优越性，这类产品的另一个重要特点是它的粘性。它可以将被封装的各层之间（比如电线绝缘材料，外壳材料以及电路板）牢固地粘合起来，从而形成一个完美的防水系统。

一种材料的多样化特性只有通过融合不同的原材料来实现。由于这样的融合，这种聚酰胺材料没有一个明确的熔点，而是具有一个较为宽泛的软化范围。同样的道理，这种情况也适用于玻璃化温度，更准确地说，也是一个玻璃化温度范围。

这些变化过程可以通过DSC热差扫描（DSC）图来说明，如表1。这是-120℃到250℃之间记录下来的第二轮数据。

右边的熔融峰值描绘的是固体转变为液体的熔化点。

左边是玻璃化范围，从左向右描绘的从玻璃质状态到弹性体状态的软化过程。玻璃化温度被定义为玻璃化范围[1]，[2]的中间点。

表2中ASTM E 28的软化点描绘的是固体向液态的转化温度。这个数值对于工艺过程非常重要，因为注塑温度必须超过这一数值。这一软化点在DSC熔融峰值的末端，与这种聚酰胺材料的工作温度范围关系不大，因为聚酰胺在达到这一软化点之前已经够软了。

这些变化过程可以通过DSC热差扫描（DSC）图来说明，如：表1。

这是-120℃到250℃之间记录下来的第二轮数据。右边的熔融峰值描绘的是固体转变为液体的熔化点。左边是玻璃化范围，从左向右描绘的从玻璃质状态到弹性体状态的软化过程。

与PA 6等聚酰胺材料不同，基于二聚脂肪酸的聚酰胺主要为非结晶质结构，因为它的晶体成分极少。图3和图4显示了不同的分子结构。

PA 6的构造非常均匀，因此可以形成高度晶状体，结构非常紧凑，而聚酰胺热熔胶的分子结构极其复杂，非常不均匀。普通聚酰胺材料的强度和耐温度蠕变性比基于二聚脂肪酸的聚酰胺热熔胶胶强，而聚酰胺热熔胶则表现出更强的柔韧性和冷挠曲性。

由于分子量大，熔融普通聚酰胺材料的粘稠度比聚酰胺热熔胶要高得多，因此只能用传统的注塑机来加工。而低粘度的聚酰胺热熔胶胶则可以用低压热熔胶注塑机来施工。

由于其脂肪酸的序列性，基于二聚脂肪酸的聚酰胺具有非极性的部分，但整体仍主要是极性结构，可以吸附水分。由于含有脂肪酸成分，它对于的水分吸附性通常低于普通聚酰胺材料。在加工之前，聚酰胺热熔材料必须在防湿的条件下保存，以防止在熔化过程中产生气泡。

三、与应用相关的特性

除了机械性能和玻璃化温度等特点外，与应用相关的特性也是重要的因素，如：耐火性能、电绝缘性。热膨胀性对于温度循环来说也是尤其重要的。而且除了这些，还必须具备在汽车制造业必须考虑的耐化学腐蚀性。

表2列举了一些聚酰胺热熔胶产品的工作温度范围。但是，产品的选择还得取决于具体应用，材料本生的特性，与基材的兼容性以及的膨胀系数都是决定性的因素。基于这些原因，建议根据相应的温度要求，对已封装和密封好的部件进行测试。

这种聚酰胺热熔材料的膨胀系数是通过TMA测量标准来确定的，在-45℃到95℃之间为300ppm/K。由于良好的冷挠曲性以及高延展率，这种聚酰胺热熔材料在苛刻的温度冲击测试下也表现得非常优异。

在应用中，这种材料通常不会承受巨大的机械负荷，由于温度变化造成的除外。但是，如果对于某些特殊的应用，在不同的温度下会出现高的机械负荷，则必须考虑材料具体的热性能。因为这种材料随着温度升高将逐渐变软。

聚酰胺热熔胶最为显著的特点是在温度升高之后VOC值非常低。在100℃下测试30分钟，VOC值小于30ppm。根据DIN 75201标准，在100℃下测试16个小时，雾化值低于0.1mg。

有多种测试方法来测量可燃性或防火性。对于汽车制造业，Underwriters Laboratories的官方目录通常是决定性的。依据FMVVSS 302的测试是专门针对汽车制造业的，尤其是汽车内部的部件。聚酰胺热熔胶的产品符合UL 94 V-0认证，而且通过了FMVSS 302测试。在根据ASTM D3874标准进行的热线引燃试验中，产品分别达到了级别3到4。除此之外，产品还符合DIN EN60695-2-12灼热丝试验的要求，灼热丝的易燃指数（GWFI）为960/3.0。

表2列举了这种聚酰胺热熔材料的部分电性能的数据，比如体积电阻率、介电强度、其他绝缘属性以及对比跟踪指数。既然我们在这里讨论的是聚酰胺，还必须考虑湿气对它的影响。

汽车制造业所应用的注塑材料必须对许多化学物质均具有耐腐蚀性。但是，在大多数情况下，接触是短暂的、偶发的。通过在表面敷上少量的液体或者将测试体快速浸入该液体来确定耐腐蚀性。然后，通常会把测试体保存在相应的工作温度下。

聚酰胺材料对汽车制造业中通常会接触到的化学物质具有耐受性。只有在接触电池酸性物质的情况下，才会发生表面分解。

当然，这种聚酰胺热熔材料在应用上也存在限制。非极性底层，比如与特氟龙或硅树脂并不能达到很好的粘合效果。该产品在短期接触的情况下，对燃料类化学物质具有耐受性。在中期接触的情况下，对柴油的耐受性也令人满意。但对于长期会接触酒精、石油的应用条件，该产品则不适用。

由于其良好的导热性能，金属材料很难用这种聚酰胺热熔胶粘接，顾名思义，热熔胶是在高温的状态下应用的。例如，将金属预热到80到100℃将会粘接效果有所帮助。

目前已经有研发项目正在研究针对这些应用的解决方案。除了聚酰胺热熔物，聚烯烃和聚亚安酯热熔物也可以用于此类应用。

四、模具

模具通常由铝材制成，因为它比钢模具便宜。而且，在注塑过程之后，从铝模具上脱模要比钢模具容易，因为这种聚酰胺材料对钢模具的粘接力更强。

合理的模具设计对于轻松脱模以及所封装部件的日后性能都非常重要。在这方面，我们已经积累了大量的经验。脱模对于工艺周期有巨大的影响，从而会影响生产效率。对于部件的性能，比如防水性，重要的一点是注塑材料在电子元器件关键部位上的封装效果，关键的部位即使发生剧烈的温度变化，系统依然保持良好的防水性。

这样， 在冷却阶段， 这种聚酰胺注塑材料将会收缩，收缩率约为8% 到10%。为了弥补这一点，在注射阶段之后，立刻加上了一个保压阶段。经过这一保压阶段，收缩率可以下降到约1%，这可以通过外部轮廓上体现出来

五、应用案例