IoTデバイスPCB製造におけるエポキシの多様な役割
IoTデバイスメーカーは、特定の要件やニーズを満たすために、多くの設計および製造段階でエポキシを適用できます。
モノのインターネット（IoT）市場は活況を呈しています。この成功により、エンジニアは、今日のIoTガジェットの不可欠な部分となるプリント回路基板（PCB）を改善するための実用的なソリューションを模索するようになりました。
エポキシは、IoT製品のPCB製造プロセス中にさまざまな機能を果たす材料です。 IoT製造で果たす重要な役割について詳しく説明します。
特定の要件を満たすように調整
製造業者は、特殊なエポキシを選択するか、特定の性能または製造ニーズを満たすために特定のエポキシ特性を変更することができます。たとえば、添加剤はエポキシを硬くしたり厚くしたりして、コンフォーマルコーティングとして最大限に適したものにすることができます。特定のエポキシ特性を調整する他の方法がいくつかあります。
電気および熱伝導率
1液型または2液型エポキシのフィラーとして銀を使用すると、はんだ付けの代わりに導電性接着剤を作成できます。導電性接着剤は、等方性または異方性のいずれかです。最初のカテゴリのものは、すべての方向に導電性があります。ただし、異方性接着剤は一方向にしか電気を伝導しません。これらは、RFID（Radio Frequency Identification）製品のアンテナ構造を結合するために使用されることがあります。
エポキシは熱伝導率にも役立ちます。 1つのオプションは、このような接着剤を使用して2つの表面を結合し、より低温の表面に熱を伝達することです。ただし、ほとんどのエポキシには適切な固有の熱管理機能がないため、フィラーが不足分を補います。銅、窒化ホウ素、アルミニウムなどの粉末は、熱伝達特性を大幅に向上させます。
極端な温度耐性
接着剤を極低温に耐えるようにするために、硬化中および硬化前に添加剤と硬化剤もエポキシにブレンドされます。逆に、極端な耐熱性のないタイプが可能である華氏約300度よりも高い温度に耐えるエポキシが存在します。
低ガス放出
航空宇宙産業で使用されるエポキシは、低ガス放出タイプでなければなりません。ガス放出により、宇宙の真空により宇宙船の周囲に揮発性化合物が放出されます。
NASAは、エポキシがガス放出要件を満たしていることを確認するために、2つのテストパラメータを使用しています。総質量損失（TML）と収集された揮発性凝縮性材料（CVCM）です。より具体的には、NASAの基準では、エポキシ接着剤またはポッティングコンパウンドのTMLは1％未満、CVCMは0.1％未満であると規定されています。
低ガス放出、高純度のエポキシを提供する企業は、最初に特殊なチャンバーで厳しい条件下でそれらの製品をテストします。その後、結果を公表し、低ガス放出接着剤を必要とする顧客に対応します。
熱膨張係数（CTE）
ほとんどの材料は、温度変化による分子相互作用のエネルギーの増加により熱膨張を経験します。 CTEは、1度の温度上昇ごとに発生する変化の量を表します。
CTEの不一致は、2つの基板間、または接着剤と基板間で発生する可能性があります。したがって、一般的なアプローチは、CTEが可能な限り低い接着剤を選択することです。別のオプションは、特殊な負のCTEフィラーまたはセラミックを未充填の接着剤に挿入することです。ただし、これを行うと引張弾性率が大幅に増加し、エポキシが硬くなります。
ガラス転移（Tg）温度
エポキシのガラス転移（Tg）温度は、硬いガラスのような粘稠度から、より柔らかく、よりゴムのような粘稠度に変化する範囲です。摂氏約50〜250度の範囲です。ただし、エポキシの選択、使用するフィラー、硬化時間はすべてTgに影響を与える可能性があります。
Tgが摂氏150度を超えるエポキシは、通常、優れた耐高温性を備えています。ただし、摂氏120〜130℃の範囲のTgを持つタイプは、優れた耐薬品性を提供します。
さまざまな基板への適切な接着
エポキシ接着剤は、金属やほとんどのプラスチックから木材やコンクリートに至るまで、さまざまな基材に接着してシールします。ただし、ポリオレフィン、シリコーン、フルオロカーボンなどの低表面エネルギープラスチックなど、不適切な材料がいくつかあります。これらの材料にエポキシを使用する決定を進めるには、基板の表面を変更するためにエポキシを前処理する必要があります。
硬化時間と保管要件
エポキシ接着剤は、1液型およびより一般的には2液型の配合で入手できます。 1成分のオプションは通常、ペーストとして提供され、隙間を埋めるためにこてでそれらを適用する必要があります。これらのエポキシは、硬化するために熱を必要とし、貯蔵寿命を維持するために冷蔵を必要とします。
2成分タイプでは、数分から数時間の範囲の特定の時間枠内で製品を混合して使用する必要があります。これらのエポキシは、室温よりもわずかに暖かい温度（華氏約75〜85度）で硬化しますが、より多くの熱がプロセスを促進します。
また、2成分エポキシは、1成分タイプに比べて保管要件が厳しくありません。製造業者は、製造要件に合ったエポキシを選択する際に、これらの詳細を念頭に置くことができます。
粘度
Centipose（CPS）は、エポキシの流動速度を示すためにエポキシに適用される粘度値です。低CPSエポキシは速く流れますが、CPSが上がると流量は遅くなります。エポキシの粘度は、その潜在的な使用例と製品の塗布方法を決定します。
粘度を下げると、ボイドを減らすのにも役立ちます。多くのメーカーは、100〜1,500,000 CPSなど、さまざまな粘度のエポキシを販売しています。ただし、熱は粘度にも影響し、熱にさらされるとエポキシの粘稠度が低下します。
低粘度のエポキシは、硬化するのに12〜24時間かかる場合があります。これは、高粘度のエポキシよりも長くなります。高粘度エポキシは、表面コーティング用途に適しています。ただし、それらを処理するには、メーカーが指定した最大の厚さ（多くの場合1〜2センチメートル）を超えないようにする必要があります。
PCB全体でマテリアルとして使用
エンジニアは、PCBの開発中にエポキシを頻繁に使用します。特定のエポキシはさまざまな方法で動作し、エンジニアリングの専門家は通常、メーカーが提供するものを使用する必要があります。
ただし、特定のエポキシの機能を知っていると、設計プロジェクトをスムーズに進めることができます。接着性のあるものもあれば、熱伝導性のあるものもあります。接着剤の特性と製品の材料の不一致は、製品が市場に出た後の製造または使いやすさに影響を与える問題につながる可能性があります。
たとえば、回路基板のプリプレグは、多くの場合、半硬化ガラスエポキシ材料で作られています。プリプレグは、結合特性と絶縁特性を備えた誘電体です。 PCBの内部コアは通常、両面に銅がラミネートされた完全に硬化したガラスエポキシ材料を特徴としています。
さらに、企業は、誘電体材料に関連するコストを削減するための継続的な取り組みとして、PCB製造中にエポキシと他の物質の組み合わせを開始しました。一般的な方法の1つは、熱可塑性プラスチックであるポリフェニレンオキシド（PPO）またはポリフェニレンエーテル（PPE）と一緒に使用することです。
エポキシなしでPPOを使用すると、通常、全体的な製造コストが増加します。ただし、これに依存することで、パフォーマンス要件を満たしながら費用を削減できます。
新しく開発された埋め込み型血液酸素センサーの例を使用して、IoTデバイスのPCBコンポーネントでのエポキシの複数の使用法のアイデアを得ることができます。この先進的な製品は、圧電性結晶を導電性銀エポキシで結合し、それをPCBに取り付けました。開発者はまた、PCB内のワイヤボンディング領域を囲むために紫外線硬化性エポキシを使用しました。
熱伝達を改善するために選択
前述のように、特定のエポキシにはさまざまな特性があります。熱管理は、IoTデバイスを設計および製造するほとんどの企業にとって重要な関心事です。温度が高すぎると、デリケートな電子機器が損傷し、ガジェットが誤動作する可能性があります。一部のエンジニアは、IoTデバイスが体温などの暖かさの恩恵を受ける方法を開発しました。ただし、目標は通常、ホットスポットと全体的な過熱を回避することです。
IoTデバイスが小型化するにつれて、熱を制御する必要性はさらに重要になります。従来の方法には、ファンとヒートシンクの使用が含まれます。もう1つのオプションは、熱を放出するコンポーネントまたは冷却機能を持つコンポーネントの間にサーマルグリースを塗布することです。人々はまた、特定の種類のエポキシを使用することによって、望ましい結果を得ることができます。
たとえば、1成分および2成分エポキシは、界面間の熱伝達を促進します。エポキシを使用してヒートシンクをPCBに結合するなど、他の熱放散方法を補完するためにそれらを選択することもできます。
人々が特定のエポキシでどれだけ速く熱放散が起こるかについて議論するとき、彼らは物質の伝導性に言及します。エポキシの熱伝導率の値が0.3〜0.4ワット/ミリケルビンの場合、それは暖かさが比較的ゆっくりと放散することを意味します。ただし、1ミリケルビンあたり1.7〜2ワットの値は、熱伝導率が速いことを示しています。
ただし、Tgは、PCB製造中の熱管理にエポキシを使用する場合に考慮すべきもう1つの側面です。使用するエポキシは、付属の基板のTgと互換性がなければなりません。
コンフォーマルコーティングとして選択
企業がIoT製造に従事する場合、代表者は、ガジェットが通常の使用中にさらされる可能性のある環境特性を考慮する必要があります。たとえば、一部のIoTデバイスは、ほこりの多い環境や湿気の多い環境の屋外に配置されます。その他の場合、IoT製品は遠隔地で常時監視を実行し、人間が頻繁にチェックすることはありません。
したがって、潜在的に過酷な要素に耐えられるようにIoTデバイス用のPCBを構築することが重要です。これを行う一般的な方法の1つは、絶縁保護コーティングを適用することです。この方法で使用されるエポキシは、硬くて不透明であり、化学薬品、摩耗、湿気に対する優れた保護を提供します。エポキシコンフォーマルコーティングは、高湿度にさらされるIoTデバイスにも賢明な選択です。
コンフォーマルコーティングは非常に薄いですが、保護されています。それらは、望ましくないかさばりを追加する厚さなしに、PCBコンポーネントの上に直接保護層を追加します。コンフォーマルコーティングはPCBの寿命も延ばすため、IoTデバイスメーカーがクライアントが期待する長期的なパフォーマンスを提供するための簡単な方法です。
同様に、コンフォーマルコーティングは、製造業者の利益を削減する可能性のある高価な修理コストを削減できます。 IoT製品の内部でPCBが早期に破損することも、メーカーの評判を損なう可能性があります。 PCB製造中にコンフォーマルコーティングを適用することを選択することは、機能を延長するための比較的簡単な方法であり、それによって顧客を満足させます。
リバースエンジニアリングを阻止するために適用
リバースエンジニアリングは、誰か（多くの場合競合他社）がメーカーがアイテムをどのように製造したかを判断しようとしたときに発生します。これは多くの業界でリスクがあり、物理的製品だけでなく、化学的および生物学的プロセスにも適用されます。
リバースエンジニアリングから保護するための多くの予防策が存在します。たとえば、一部のメーカーは、そのような試みを検出して防止するために、PCB内にセンサーを配置しています。ただし、それほど複雑ではありませんが、それでも効果的な手法は、ポッティングを練習することです。
これには、シェルまたは同様の層を使用して、PCBまたは別の電子部品を完全に包むことが含まれます。人々はそのケース領域に化合物を注ぎ、それが硬化してPCBの一部になります。エポキシ樹脂は、一般的に選択されるポッティングコンパウンドです。その不透明性により、人々はデザインについてより深く理解するのに役立つ視覚的な詳細を学ぶことができなくなります。
一部のポッティングコンパウンドも取り外しできません。デザインのコピーから保護することになると、それは良いことです。ただし、許可された人がPCBを修理することを困難または不可能にする可能性もあります。
手元のプロジェクトによっては、エンジニアはエポキシではなくシリコーンをカプセル化に使用する場合もあります。シリコーンは、広い温度範囲で機械的特性を維持するだけでなく、柔らかくて柔軟性があるため、敏感な電子機器を覆うのに適しています。
ポッティングは通常、PCB設計をリバースエンジニアリングすることを防ぐ他のいくつかの手段とともに選択されます。したがって、製造業者は、どのオプションが最適な保護を提供するかを判断し、後でポッティングコンパウンドを除去する必要があるかどうかを検討する必要があります。
エポキシはIoT製造の進歩を支援します
これらの例は、IoTデバイスメーカーが特定の要件やニーズを満たすために、多くの設計および製造段階でエポキシを適用できることを示しています。 IoTデバイスの人気が高まり、さらに普及するにつれて、エポキシはPCB製造の重要な部分であり続けるでしょう。
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