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電子零件用ARLEN

作者:
蔡宏斌 國立宜蘭技術學院化工系教授
蔡瑞禧 大華技術學院化工系副教授
林建興 允拓材料科技股份有限公司
邱敏雄 允拓材料科技股份有限公司

簡介

ARLEN™為日本三井化學公司(Mitsui Chemicals,Inc)所開發出的一種耐熱性尼龍6T。電子零件用ARLEN為一種基於對苯二甲酸,己二酸及己二胺的改質尼龍6T,其熔點高達310℃。ARLEN的主要特性為優異的高溫剛性,尺寸安定性以及耐化學品性。優異的特性使ARLEN在許多領域包括汽車零件,機械零件以及電氣/電子零件上有廣泛的應用。

ARLEN為日本三井化學公司(Mitsui Chemicals,Inc)所開發出的一種耐熱性尼龍。電子級ARLEN為一種質的尼龍6T,具有很高的熔點:310℃。電子級ARLEN的主要特性為優異的高溫剛性,尺寸安定性以及耐化學品性。優異的特性使電子級ARLEN在電氣/電子零件上有廣泛的應用,尤其是表面黏著技術(SMT)用電子連接器。

 

電子級ARLEN的主要特性

當然,不同的零件常有不同的需求以及規格,所用材料的需求有所差異。針對各種不同的需求,三井化學公司配製了各種不同等級的電子級ARLEN。整體來說,電子級ARLEN的主要特性如下:
1. 優異的耐焊接性

電子級ARLEN具有很高的熔點(310℃),其熱變形溫度也很高(約290℃),因此可顯現優異的耐焊接性(reflow solderability)。優異的耐焊接性使ARLEN特別適用於表面黏著技術(SMT)用電子連接器。
2. 優良的高溫剛性

ARLEN在高溫下仍可維持相當高的模數,譬如說在120℃時的模數為23℃時模數的55%。也就是說ARLEN在廣泛溫度範圍間可維持穩定而且優良的剛性。
3. 優良的耐化學品性
4. 吸水率低
對於尼龍樹脂而言,ARLEN的吸水率相當低,僅為尼龍66的1/4至1/3。因此,ARLEN因吸水所造成的物性變化相對較小。
5. 優良的尺寸安定性
ARLEN的吸水率相當低,因吸水而造成的尺寸變化相當小。ARLEN的熱膨脹係數相當穩定,在高溫範圍中仍然維持在相當低的水準,因此,對溫度變化的尺寸安定性良好。此外,ARLEN因成型過程所造成翹曲很小。也就是說ARLEN具有優良的尺寸安定性。
6. 優良的流動性
ARLEN具有良好的熔融流動性,很容易以射出成型來加工。此外,ARLEN還具有優良的薄壁成型性,使其適於小零件的加工成型。
7. 成型時不易起毛邊

ARLEN也擁有尼龍所固有的一個特性,在射出成型時不易起毛邊。

 

電子級ARLEN的等級與性質

不同的電子零件常有不同的需求以及規格,因此,所用的材料的特性需求有所差異針對各種不同的需求,三井化學公司配製了各種不同等級的電子級ARLEN。一些電子零件用ARLEN的等級與性質如表1所示。而其主要特性與應用如表2所示。
表1. 電子級ARLEN的一些性質

**在料筒溫度為320℃,射壓為100 MPa,模溫為130℃下於0.5 mm厚試片模所測得。

表1(續). 電子級ARLEN的一些性質

**在料筒溫度為320℃,射壓為100 MPa,模溫為130℃下於0.5 mm厚試片模所測得。

表2. 電子級ARLEN的主要特性與應用

 

電子級ARLEN的耐熱性

不同等級的電子級ARLEN的熱變形溫度(HDT)如表1所示。高熔點(310℃)使玻璃纖維補強的電子級ARLEN具有很高的HDT,有些等級的HDT高達300℃。也就是說ARLEN具有優異的耐熱性。

有些電子零件會在高溫,低負載下滯留一段時間。譬如說表面粘裝技術(SMT)所要求的零件必須能耐流動焊錫的溫度或焊接時的加熱溫度,例如在250℃下能持續耐20秒。在這種情況下,所要求的耐熱性可能與HDT所指者有所不同。這時,實際評估或模擬實際條件來評估耐熱性就成為必要的手段。

利用JARD,Inc.所製造的MJ-R4000型紅外線焊接性(IRreflow solderability)測試機評估ARLEN的耐焊接性。在紅外線焊接時是以紅外線燈管加熱線路板,SMT零件所受的溫度常與設定溫度有所不同,在某設定溫度下,設定時間為20秒鐘時,以熱偶測量MJ-R4000型紅外線焊接性測試機中零件實際所承受的溫度輪廓如圖1所示。很明顯的可看出零件實際所承受的溫度高於設定溫度。


圖1. 紅外線焊接性測試時的溫度輪廓

將ARLEN C240N,線型PPS以及耐燃級尼龍46以射出成型法製成80腳的連接器,其尺寸如圖2所示。然後在不同的紅外線焊接條件下評估連接器的耐焊接性,結果如表3所示。以外觀來看,ARLEN C240N的耐焊接性略優於線型PPS,而明顯優於耐燃級尼龍46。如果考慮在焊接時連接器長度的尺寸變化,ARLEN C240N的耐焊接性明顯優於線型PPS以及耐燃級尼龍46。由表3也可看出ARLEN C240N在高溫時的尺寸安定性優於線型PPS以及耐燃級尼龍46。對於高精度的SMT零件,高溫尺寸安定性是相當重要的關鍵特性,ARLEN 在這方面就相當有利了。


圖2. 測試用80腳連接器的尺寸圖

表3. ARLEN C240N,線型PPS以及耐燃級尼龍46製連接器的耐焊接性比較

註:

1. 連接器在60℃,90%相對濕度下處理4小時以調整含水量

2. 外觀 ○:外觀上沒有變化 起泡:表面起泡 熔化:表面熔化

 

電子級ARLEN的機械性質

不同等級的電子級ARLEN的機械性質略有所差異。如果需要較高剛性或者強度的材料,可選用玻璃纖維含量較高的等級如C240N。如果需要韌性較好的材料,可選增韌級如CH230N。但必須注意的是增韌級ARLEN在剛性及強度上有所犧牲。整體來說,電子級ARLEN具有優良的機械性質,如表1所示。

電子級ARLEN的一個相當重要特性為在高溫下仍可維持相當不錯的機械性質。ARLEN C240N,玻璃纖維補強的PPS及尼龍46的曲折模數對溫度曲線如圖3所示。很明顯的可看出,ARLEN在高溫下的曲折模數高於PPS及尼龍46。也就是說ARLEN在高溫下仍可維持很高的剛性,也因此具有優良的高溫尺寸安定性。


圖3. 溫度對C240N,補強的PPS及尼龍46的曲折模數的影響

電子連接器為電子級ARLEN的重要應用領域。電子連接器的一個關鍵特性要求為插入接腳時可承受足夠的壓縮應變(compressive strain)。圖2所示的80腳連接器配以不同接腳寬度(pin width)的插件,觀察插件壓入後對材料所造成的影響,其過程如圖4所示。連接器所受的壓縮應變為:


圖4. 接腳壓縮應變測試

不同材料的壓縮應變測試結果如表4所示。連接器所能承受的最大壓縮應變會受到接腳形狀,接腳寬度以及壓入速率的影響,在此的壓縮應變測試可作為連接器設計的參考。由表4可看出線型PPS所能承受的最大壓縮應變較高,但交連型PPS較低,ARLEN約略與尼龍46相當。增韌級的CH230N因韌性較高而所能承受的最大壓縮應變較C240N為高。一般在設計時,ARLEN連接器所能承受的最大壓縮應變可視為15%。

表4. ARLEN,PPS及尼龍46製連接器的壓縮應變測試結果

○:沒有改變 △:塑膠白化 ×:破裂

對於複雜而微細的高接腳密度連接器,成型時的熔合線(weld line)有時是難以避免的。此時,材料的熔合強度對連接器設計就成為重要的特性。以兩端開有閘口(gate)所得0.8×7×65mm的射出成型試片測其曲折強度可比較熔合強度(如圖5所示)。一些材料的熔合強度結果如表5所示。C240N的熔合強度約為100MPa,其熔合強度對原有強度的比值(熔合後的強度保持率)達43%。一般而言,ARLEN 與線型PPS及尼龍46一樣都具有優良的熔合強度,而遠優於LCP。也就是說在連接器設計時,ARLEN已具有足夠的熔合強度。


圖5. 熔合強度測試示意圖

表5. ARLEN C240N,尼龍46,線型PPS以及LCP的熔合強度比較

 

電子級ARLEN的耐化學品性

電子級ARLEN對大部份的化學品與各種溶劑,油及汽油等都具有優良的耐受性。必須注意的是大部份的尼龍會吸收水份而影響其性質。在尼龍樹脂中,ARLEN的吸水率可說是相當低的一種,因此吸濕後所造成的物性變化並不太大,如表1所示。

圖6與圖7分別比較ARLEN,尼龍66以及尼龍46所製的試片(30×50×0.6mm)在23℃與65%相對溼度下的吸濕情形與吸濕後的尺寸變化情形。很明顯的可看出ARLEN的吸濕率相當低,僅為尼龍66以及尼龍46的1/4至1/3,因此,ARLEN因吸濕而造成的尺寸變化相當小。也就是說電子級ARLEN在這方面的尺寸安定性優於尼龍66以及尼龍46。


圖6. CH230N,尼龍66以及尼龍46在23℃與65%相對溼度下的吸濕情形


圖7. CH230N,尼龍66以及尼龍46在23℃與65%相對溼度下的尺寸變化情形

 

電子級ARLEN的燃燒性

電子級ARLEN具有良好的耐燃性。一般級ARLEN的燃燒性可通過UL94 HB級,而耐燃級ARLEN的燃燒性可通過UL94 V-0級,如表1所示。

 

電子級ARLEN的加工性

電子級ARLEN具有優良的的加工性,可容易地以射出成型來加工。

電子級ARLEN在加工上的另一優點為其優良的薄壁成型性。在適當的加工溫度及100Mpa的射壓下以0.5 mm厚,10 mm寬的條狀流動模進行樹脂的射出成型,測定其流動長度,結果如圖8所示。很明顯的可看出ARLEN的薄壁流動性優於PPS。低流動級的ARLEN CH230N的薄壁流動性雖不如尼龍46,但高流動級的ARLEN C430N的薄壁流動性就優於尼龍46了。

當模具密合度不佳,合模力不足,或者射壓過高時,熔融的聚合體可能衝出模板間的細微縫隙而形成毛邊。對精密電子零件,形成毛邊是相當嚴重的忌諱。除了上述因素外,樹脂本身也是形成毛邊的一個原因。譬如說PPS在射出成型時就很容易起毛邊。利用如圖9所示的毛邊測試模具可測出樹脂是否容易起毛邊,結果如表6所示。很明顯的可看出PPS極易起毛邊,相反的,ARLEN C230N就不易起毛邊。這是由於ARLEN的薄壁流動性優良,其在射出成型時不易起毛邊。在這點上ARLEN優於PPS。從表6也可看出降低射壓也可減低毛邊的形成。


圖8. ARLEN,尼龍46及尼龍46的流動長度曲線


圖9. 毛邊測試模具示意圖

表6.PPS以及C230N的毛邊測試結果

 

電子級ARLEN的射出成型

在電子級ARLEN的射出成型中,一些應注意的重點如下:
1.加工ARLEN所用的射出成型機(尤其是料筒,噴嘴以及螺桿),必須具有優良的耐磨性。如果是耐燃級ARLEN的加工,射出成型機所用的材料還必須具有優良的耐腐蝕性。
2.如果每次射出量比較少,應該選擇比較小的射出成型機。盡量使每次射出量大於最大射出容量的10%,以免樹脂滯留時間過長而造成分解。
3.應該使用標準型噴嘴。基本上,務必將其間的流動死角減至最低,以免部份樹脂分解或焦化而影響產品的品質。
在電子級ARLEN的模具設計方面,一些應注意的重點如下:
1.模具所用的鋼材必須具有優良的耐磨性,而對於耐燃級ARLEN的加工,模具所用的材料還必須具有優良的耐腐蝕性。
2.ARLEN用的模具通常需要有排氣孔,適當的排氣孔大小約為10μm。電子級ARLEN的會吸收一些水份。吸濕的ARLEN可能造成加工不良,譬如說流口水(drolling),樹脂分解,強度減低,脆化等。因此,ARLEN的包裝袋打開後,必須重新烘乾。典型的烘乾條件為在110℃下烘乾8至10小時。電子級ARLEN的典型射出成型條件如表7所示。

表7. ARLEN的標準射出成型條件

在電子級ARLEN的射出成型中,適當的模溫是絕對必要的。此由電子級ARLEN為半結晶共聚合體,其Tg為85℃,模溫會大幅影響ARLEN的結晶度,如圖10所示。適當的模溫,譬如說120℃-140℃,可使ARLEN的結晶度提高至合理範圍,譬如說20%,提高結晶度不僅增高ARLEN的物性,更重要的是降低了焊接後的尺寸變化,如圖10所示。也就是說,欲使電子級ARLEN展現其優良的高溫尺寸安定性,成型時適當的模溫是對必要的。


圖10. 模溫對ARLEN的結晶度以及焊接後的尺寸變化

 

ARLEN的應用

電子級ARLEN具有優異的耐溫性,優良的機械性質及優良的耐化學性。在尼龍中,ARLEN的吸水率亦屬低者。如此使得ARLEN在高溫下具有優良的尺寸安定性。ARLEN再加工後不易翹曲,在高溫下也不易變形,所以尺寸安定性優良。ARLEN的加工性亦屬優良,在精密零件的射出成型時不易產生毛邊。ARLEN本身的耐燃性並非頂級,但添加適量的耐燃劑後,ARLEN就可達到UL94 V-0級。這些均衡而優良的特性,如表8所示,使得ARLEN可廣泛地應用電器/電子零件,尤其是SMT零件。

表8.ARLEN與其他SMT零件用樹脂的比較

電子級ARLEN的典型應用例子包括線圈軸(coil bobbins),連接器,各種電氣盒,SMT零件、SIMM、DIMM、RIMM、MiniPCI、PCMICA、CF卡、SD卡等記憶卡插槽,排針(Pin Header),B to B、FBC、Wire to B等接頭零件,DIP開關,壓鍵開關、PLCC、SOJ、三合一、四合一、五合一等插槽、行動電話與通訊接頭等。

不同的電子零件常有不同的需求以及規格,所用的ARLEN等級也有所不同。以接間隙(pitch)以及連接器長度的觀點來看,一些主要的電子ARLEN的應用分佈情形如圖11所示。


圖11.電子級ARLEN的應用市場分佈圖