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高耐焊接溫度級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

為了適應無鉛錫膏以及高密度電子零件的趨勢,日本三井化學公司開發出一系列的高耐焊接溫度等級的ARLEN(改質尼龍6T)。高耐焊接溫度級ARLEN具有優良的高溫剛性,耐化學品性,尺寸安定性以及機械性質。在加工上,高耐焊接溫度級ARLEN具有優良的流動性及薄壁成型性,易於射出成型,而且成型時不易起毛邊。優異而均衡的特性使高耐焊接溫度級ARLEN可應用於各種電氣/電子零件,特別適用於使用無鉛錫膏的表面黏著技術用電子連接器與高密度電子零件。

 

前言

ARLENTM為日本三井化學公司(Mitsui Chemicals, Inc)所開發出的一種耐高溫尼龍。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,耐熱性佳。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。

原本ARLEN的等級主要有三系列。ARLEN A/G系列為一般用途,適用於汽車零件以及機械及結構零件。ARLEN AE系列可適用於摩擦應用領域。ARLEN C系列則適用於電氣與電子零件。其中,ARLEN C系列樹脂的熔點很高(310℃),且在高溫下可維持很高的剛性,因此具有優良的耐焊接性(soldering resistance), 特別適用於表面黏著技術用電子連接器與電氣/電子零件。

為了適應無鉛錫膏的使用以及高密度電子零件的趨勢,三井化學公司新開發出一系列的高耐焊接溫度等級的ARLEN E系列。ARLEN E系列樹脂的熔點較ARLEN C系列為高,達320℃。如此提高了耐焊接溫度。優異而均衡的特性使ARLEN E系列特別適用於使用無鉛錫膏的表面黏著技術用電子連接器與高密度電子零件。

 

電氣與電子零件的市場趨勢

毫無疑問的,電氣與電子零件的一個主流趨勢為「輕、薄,小」與「高密度」。當零件的尺寸細緻到某一程度,原本大尺寸零件的設計觀念可能已不敷使用。譬如說對於塑膠材料的選擇,零件的薄壁部分的成型性要求與所需的機械性質可 能已有所不同。關於成型性,設計工程師可能會要求所用的塑膠材料具有很好的流動性,期能讓薄壁部分有良好的充填性。可是,高流動性樹脂常常是以降低分子量的手段來達成,有時會犧牲一些特性,例如韌性。而零件縮小時,薄壁部分對韌性的需求更高。在流動性與韌性及機械性質間如何取得平衡,已是塑膠材料製造商的重要課題。

電氣與電子零件市場的另一個主流趨勢為「環保」。譬如說用於表面黏著技術(SMT)的錫膏已逐漸避免使用鉛為共熔成份。也就是說「無鉛錫膏」將成為錫膏市場主流。無鉛錫膏的使用使SMT迴焊(reflow)條件有所改變,而對於塑膠材料的選用也將有所不同。

一些錫膏的金屬成份如表1所示。如果考慮高強度,可靠性(reliability)以及耐高溫,無鉛錫膏的主流趨勢為錫/銀系統。如表1所示,使用錫/銀系統錫膏時,迴焊溫度要較傳統63Sn/37Pb錫膏所用者高約10~20℃。如此,所用的塑膠材料將需要有更高的耐焊接溫度。

表1. 錫膏的金屬成份與特性

順應電氣與電子零件的主流趨勢,所用的塑膠材料將需要有如下的重要特性:高流動性,高韌性以及高耐焊接溫度。基於此,日本三井化學公司(Mitsui Chemicals, Inc) 開發出一系列無鉛錫膏用的高耐焊接溫度等級的ARLEN(改質尼龍6T):ARLEN E系列。

 

高耐焊接溫度ARLEN的等級特性與應用

ARLEN E系列的等級與特性如表2所示。

表2. ARLEN E系列的等級與特性

*在料筒溫度為330℃,射壓為100 MPa,模溫為130℃下於0.5 mm厚試片模所測得。

**條件:40℃/95%RH/96h

ARLEN E系列皆具有優異的耐焊接性(reflow resistance)。將ARLEN E系列試片(64*6*0.8 mm)予以吸濕處理(條件:40℃/95%RH/96h)之後,利用Antom SOLSIS 201IR設備測試機評估ARLEN的耐焊接性。設備中典型的迴焊溫度輪廓如圖1所示。經過迴焊之間,觀察試片有否起泡,變形或熔化現象。如此可以評估出其耐焊接溫度。ARLEN E系列的耐焊接溫度皆可達250℃。因此,ARLEN E系列可適用於無鉛錫膏用SMT零件。一些其他耐高溫工程塑膠的特性列於表3供作比較。由表2與表3可看出ARLEN E系列的耐焊接性與PPS相當,而優於尼龍46及尼龍9T。


圖1. 耐焊接性測試時的典型溫度輪廓

表3. 標準級ARLEN E與一些耐高溫工程塑膠(耐燃級)的特性比較

ARLEN E系列具有優良的流動性以及薄壁成型性。在料筒溫度為330℃,射壓為100 MPa,模溫為130℃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,結果如表2所示。由流動長度比較,ARLEN E系列的薄壁流動性優於PPS。一般流動性的ARLEN E系列的流動性雖不如尼龍46及尼龍9T,但高流動級ARLEN E430NS的流動性就可媲美尼龍46及尼龍9T了。

塑膠材料的韌性對輕、薄且小的高密度電子零件已是一個重要的選擇特性。

有些電子連接器的一個關鍵特性要求為插入接腳時不會破裂。重點在於插入接腳時可承受足夠的壓縮應變以及相應的應力。將薄壁試片(64*6*0.8 mm)以拉力機測其曲折(flexural)力與變形距離的關係。從胎開始到試片破裂,曲折力對變形距離的積分面積為其破壞能量,可相應於韌性。ARLEN E系列的破壞能量及變形長度如表2所示。由破壞能量比較,一般韌性的ARLEN E系列的韌性優於PPS以及尼龍9T。高韌性ARLEN E430N(T5)的韌性則與尼龍46相當。

當零件的尺寸更為細緻時,對於所用的塑膠材料常有更高剛性的需求。高強度級ARLEN E440NK可符合此一需求。

不同的零件所要求的特性有所不同,三井化學公司便針對不同的應用領域而開發出不同等級的ARLEN E系列,其重要特性與應用如表2所示。ARLEN E系列的重要特性與其他耐高溫工程塑膠的整體比較如表4所示。可明顯的看出ARLEN E系列具有均衡而優良的特性。
表4. ARLEN E系列的重要特性與其他SMT零件用樹脂的比較

◎:優   ○:良  ×:不佳

 

ARLEN E系列的加工

具設計對於適用於高性能產品的ARLEN可說是最重要的因素。一些必須特別注意的模具設計要點如下。

ARLEN E系列的加工溫度很高(>320℃),為了避免樹脂受到高溫壓縮空氣的影響而造成燒焦(scorching),適當的排氣孔(air vent)是非常重要的。適當的排氣孔還可防止空氣壓縮所造成的短射(short shot)或不飽模現象。對ARLEN而言,一般建議使用間隙為10-15μm的排氣孔。通常先使用較小的排氣孔,必要時再依需求而加大。

閘口(gate)為流道(runner)與模穴間的閘門部份,雖然很短,卻是相當重要。閘口的設計要點在於匹配熔融樹脂在模穴與流道中的流動。

對於精密零件,流道設計的首要重點在於流道的平衡。流道的形狀會影響到樹脂的流動。當熔融樹脂流經流道時,接近流道壁上往往形成一層皮層,有熱絕緣的效果,並使後續熔融樹脂還可維持高溫而流動。梯形流道的皮層不均勻,所造成的流動阻力不一,可能會使樹脂的流動不均勻,對精密零件來說就不是好的設計。半圓形流道可讓樹脂的流動略為均勻。而圓形流道可說是良好的設計。流道的直徑盡可能小。流道的長度應盡可能短。其次,流道的轉角應盡可能圓滑。

在ARLEN的模具設計中,建議使用短而圓的注入口(sprue)。注入口的直徑宜配合噴嘴,流道以及每模射出量。為了讓成型物容易脫離模具,注入口斜角(sprue taper angle)以2-5°為宜。注入口在與流道交接處的直徑通常與流道直徑相當,以避免壓力降。另外,適當的冷料井(cold slug well)也是必要的。

ARLEN E系列為玻璃纖維補強級,而且成型時常需要相當高的模溫(110-140℃),因此模具材料應選用高硬度及耐磨級防蝕性不銹鋼材。

ARLEN具有優良的的流動性以及加工性,可利用大部份的螺桿式射出成型來加工。

射出成型機大小宜與每模射出量匹配,較為經濟的是每模射出量為最大射出容量的40-80%。如果每次射出量比較少,應該選擇比較小的射出成型機。務必使每次射出量不少於最大射出容量的20-30%。

尼龍用防蝕耐磨級螺桿可用於加工ARLEN,重點在於不要讓背壓過大。螺桿的壓縮比以2.0至2.2為較佳。料筒材料的要求類似於螺桿,應該使用耐腐蝕及耐磨級材。

噴嘴內徑的變化不宜過劇。ARLEN E系列在加工溫度(>320℃)下的滯留時間過長可能會造成熱分解,因此,避免樹脂流動的死角是必要的。噴嘴與料筒(cylinder)間的結合處若無死角,且螺桿頂端與噴嘴及料筒間若能密合,長期下樹脂的熱分解現象(譬如說成品出現黑點)將可減至最低。

一般的射出成型機應有足夠的合模壓力而可適用於ARLEN的加工。然而,ARLEN的射出成型常需要相當高的模溫,在射出成型的模板上加裝絕熱板對於維持高模溫有所幫助。

ARLEN E系列的典型射出成型條件如表5所示。

表5. ARLEN E系列的射出成型條件

 

高耐焊接溫度ARLEN的應用

ARLEN E系列具有均衡而優良的特性,如表4所示,使得ARLEN E系列可廣泛地應用於電氣/電子零件,尤其是無鉛錫膏用SMT零件。

ARLEN E系列的應用例子包括電腦的電池連接器、揚聲器零件、插座套(jack) 、墊片(plate for condenser) 、滑動開關(slide switch) 、感測開關(sensible switch) 、LED反射器(reflector) 、B to B連接器、FPC連接器、W to B連接器、SO-DIMM等零件,行動電話的耳機插座套(jack for earphone)、I/O連接器、電池座(battery holder),FPC連接器等,FPC連接器滑件(slider)或開動器(actuator),以及各種無鉛錫膏用SMT零件。

基本上,ARLEN材料的選擇係依零件的需求而定。圖2為板對板連接器(B to B connector)圖。此種連接器會面臨插拆的場合,因此對塑膠材料有高韌性的需求。如是,可選用E430N(T5)。然而,部份案例顯示此種連接器對塑膠材料的需求為高剛性。在此情形下,可選用E440N。圖3為FPC(軟板)連接器圖。此種連接器是由連接器座(housing)與滑片(slider)所構成。連接器座有插入問題,對塑膠材料有高韌性的需求,因此可選用E430N(T5)。然而,有些場合因零件太細緻,對塑膠材料有高流動性的需求。在此情形下,可選用E430NS。至於滑片,高剛性是其重點,因此選用E440N。


圖2. 板對板連接器圖


圖3. FPC連接器圖

參考文獻

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