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SMT連接器用工程塑膠

作者:
蔡宏斌 國立宜蘭技術學院化工系教授
邱敏雄

本文介紹SMT連接器用的一些工程塑膠及其特性。SMT連接器用工程塑膠的要求為耐溫 性、尺寸安定性、耐燃性及耐化學品性優良。可用來設計SMT連接器的工程塑膠有尼龍 46、PCT、PPS、LCP及尼龍6T等,各有其特色。而在選擇這些材料時應注意成本、性能、 可靠性及服務等要點。

 

前言

連接器(connectors)為電子連接器的簡稱,指的是用於電子訊號與電源上的連接元件及其附屬配 件。從電子構裝的觀點來看,連接器是互相連接的 部份而可離合或替換的插接件。換言之,連接器為 所有訊號間的橋樑,其品質有時可影響到電子產品 的運作。因此,連接器在電子產品上亦古有重要角 色。目前,全球的連接器市場規模約250億美元, 而台灣的市場需求亦達約160億新台幣,顯示連接 器工業的重要性。

連接器為電子電氣等產品的連接用插接件,其 發展趨勢完全依其應用產品而定。隨著電子機器高 性能化及小型化的要求,連接器的走向將朝窄間距化,多芯化SMT(表面粘裝技術化),低背化(low profile)及複合化。此潮流亦改變了傳統的連接器 設計觀念。三基本上,連接器通常是由可絕緣的塑膠 零件及可導電的金屬接腳組件所構成。在插裝(through hole)焊接且接腳數較少時,對於塑膠材料的要求並不是太高,如聚碳酸酪(即聚對笨三甲酸丁二酪(PBT)及尼龍66皆可使用。然而,隨 著接腳密度的提高及SMT化後,對於塑膠的要求愈來愈高,尤其是耐熱性及尺寸安定性,使得設計J 連接器上已逐漸選用耐高溫工程塑膠。典型的耐高八溫工程塑膠如聚笨硫化物(PPS) ,尼龍46’液晶聚合體(LCP)及尼龍6T等各有其優缺點。若能對這些工程塑膠的特性有深入的了解,將有助於連接器幸的設計。本文將從SMT的要求,工程塑膠在連接器應用上所需的性質與評估方法作一整體性的介; 紹,隨後再討論各種SMT連接器用的耐高溫工程塑膠。

 

表面粘裝技術(SMT)

圖1為傳統的插裝(through hole)與表面 技術(SMT)的示意圖。在傳統的插裝方式中令件上的接腳穿過印刷電路板的孔洞,再由熔融能 錫將金屬接腳與電路板上的金屬部位焊接在一」焊錫施用的方式可利用烙鐵或焊槍加以點焊用熔錫噴槍加上擾流焊錫噴嘴(波焊) ,或浸入溶砂錫爐中(浸焊)。在SMT中,零件的金屬接腳(或無接腳零件的金屬部位)與電路板的金屬部位以錫膏粘在一起,再於高溫下將錫膏熔化而完成焊接,將錫膏熔化的加熱方式可利用烘箱,高溫蒸氣相 (vapor phase soldering)及紅外線(IR soldering)等。 以紅外線熔焊最為普遍。

圖1.插裝與表面黏裝示意圖

與傳統的插裝比較SMT有許多的優點。SMT可適用於高接腳密度零件的焊接,例如接腳間距(pitch)若小到0.5 mm傳統的插裝技術已不符使用,必須使用SMT技術。易於自動化是SMT 的第二個優點。隨著SMT焊接設備的進步,自動化已是明顯的趨勢。由於SMT設備及其週邊的進步,焊接的生產速率高。SMT的第四個優點為適用於高頻應用零件的組裝。在高頻應用上,金屬間的電感應(電感及電容)變得不可忽略,因此金屬 線是愈短愈好。使用SMT零件可使接腳設計到最 短的境界,在高頻應用上是非常有利的。

連接器通常是由絕緣性塑膠及金屬接腳組件所構成。在焊接時通常使用錫或錫合金來將金屬接腳與電路板上的金屬部位粘焊在一起。錫的熔點為232°C’欲使其能達到粘接的目的,必須將錫加熱至高於熔點。因此,連接器的塑膠零件必須能夠耐高溫,才能維持其結構及尺寸安定性。然而,連接 器的塑膠零件的耐溫性卻因焊接方式的不同而有完 全不同的需求。使用烙鐵或焊搶來焊接時,焊接點附近的溫度可能高達350°C,因此焊接點附件的材 料必須能在350°C維持數秒鐘。但是塑膠零件與焊接點有一段距離,此時塑膠材料的耐溫性的要求不高。對於傳統的插裝,若使用浸焊時,電路板的底 部在錫爐中與熔融焊錫接觸,這時焊接點附近的材 料通常必須能在250°C下維持數秒鐘。然而,塑膠 零件與焊接點仍有一段距離,如圖1 (a)所示,因此,塑膠零件的耐溫性並不需高到250°C。但是錫爐中的溫度仍相當高,再加上過錫爐時,由熔融焊 錫所傳來的熱量使塑膠零件仍處於相當高的溫度環境下。因此,浸焊用連接器的塑膠零件的耐溫性通 常需要在200至220°C下維持數秒鐘。在SMT中,金屬接腳先以錫膏粘接於電路板的金屬部位 上,再加熱將錫膏熔化。如圖1 (b)所示, SMT中 焊接點與塑膠零件的距離較短、且加熱熔化錫膏時 是整體的加熱,塑膠零件所受的高溫環境與焊接點附近是類似的。因此SMT連接器的塑膠零件必 須能夠耐更高的溫度,典型的耐溫性為在2’50°C下維持5秒鐘。換言之,SMT連接器所用的塑膠材 料必須有更佳的耐熱性。

除了耐溫性(~250°C)外, SMT連接器用塑膠 還有其他的要求。優良的尺寸安定性,耐燃性及耐 化學品性便是重要的要求。以下將從性質與評估方 法來說明SMT連接器用塑膠的一些要求。

 

性質與評估

1.機械性質
機械性質在連接器的設計上是相當重要的一環。例如在設計時會考慮到材料的強度、剛性、韌 性等,所指便是其機械性質。可作為設計參考的機械性質有:

(1)抗張性質(ASTM 0-638)

抗張性質包括抗張強度(或屈服強度) ,抗張模數及伸長率。抗張強度及伸長率是常用來作參考者。

(2)曲折性質(ASTM 0-638)

曲折性質包括曲折強度及曲折模數。其中,曲折模數較常作為設計上的參考。連接器的塑膠零件 有結構支撐的要求,受到曲折(flexural)方向的應力常較抗張方向為多,因此曲折模數可代表其剛性。曲折模數愈高者剛性愈高。

(3)耐衝擊強度

耐衝擊強度可用來評估韌性。然而,耐衝擊強度的變異性很大,受到加工的影響,甚至受到測試方法的影響。測試方法包括Izod及Charpy耐衝擊 強度(ASTM D-256) ,落球耐衝擊強度,抗張耐衝 擊強度(ASTM D-1822)以及實際評估法。凹口 Izod耐衝擊強度是較常用來作參考的。也有的將連接器零件或己組裝好的成品從高處丟下來看看是否 會有破壞情形。此種實際評估法雖然頗實際,但不容易建立公認的標準。

(4)硬度

常用的測試法有Shore硬度(ASTMD-2240)及 Rockwell硬度(ASTM D-785)。

2.耐溫性
耐溫性是連接器,尤其是SMT連接器用塑膠 的最重要要求之一。然而目前並無一明確指標可完整的描述塑膠的耐溫性。一般來說,熱變形溫度 (HDT),軟化點,連續使用溫度如UL溫度指數,最高使用溫度等皆可用來描述相對的耐溫性。

(1) HDT(ASTM 0-648)

HDT為在固定的負載下,於固定升溫速率下 試片的曲折(flexural)應變到達0.2%的溫度。對於連接器用塑膠,較適用的負載為18.6 kg/cm2。基本上,HDT與塑膠的曲折模數對溫度的關係有所關聯。因此,我們可發現大部份SMT連接器用塑膠皆含有相當比例的玻璃纖維。玻璃纖維的存在除了補強外,尚可提高HDT。一般來說, HDT是設計連接器塑膠零件的一個重要參考。

(2)軟化點

在球環測試中,試片置於環上,球再置於試片上,以固定的速率升高溫度,在球因試片軟化而掉下的溫度為其軟化點。

(3) UL溫度指數(UL 746B)

在UL溫度指數的測試中,將試片置入各種不同溫度的爐子中進行熱劣化,之後測其性質如抗張強度、介電強度等。當性質劣化至原來的一半時便 是該劣化溫度所相應的壽命期。由此數據可找出相應於40000小時(約4.5年)的壽命期之劣化溫度。 此溫度即為UL溫度指數。UL溫度指數與材料在 高溫下的熱安定性有關。通常熱安定性較高的塑膠有相對上較高的UL溫度指數。對於長期或更為嚴苛的軍事用途或太空應用,UL溫度指數更能顯示出材料的耐溫性。

(4)實際測試

當然,評估耐溫性的最實際方法莫過於在現場直接評估。例如將所製得的SMT連接器零件直接上到焊裝生產線,經過焊接機之後,評估零件的變化情形。如此可了解到塑膠材料的耐溫性是否適用 於此SMT連接器零件。然而,在SMT連接器零件的設計中,模其設計對產品功能有絕對性的影響,而不同塑膠材料的模真設計亦有所不同,以加工製 造後的零件來評估塑膠材料的耐溫性似乎成本太高。另一個較為簡單的方法是模擬實際條件的測試 法。首先了解所需的耐溫性,例如250°C維持20秒鐘。將油浴加熱至250°C後放入待測的塑膠材料(可加工成型成各種形狀) ,經20秒鐘後拿出評估其變化情形。這雖然不是一個標準的測試方法,不失為一個很實用的評估方法。

3.尺寸安定性
尺寸安定性(dimension stability)對於連接器零件是相當重要的。尤其是窄間距的SMT連接器零件,經過一次或數次的高溫循環,塑膠零件可能產生尺寸變化,或產生內應力而使得零件的可靠性可能降低。塑膠材料的下述特性與尺寸安定性有關。

(1)線膨脹係數(ASTM 0-696)

塑膠材料的線膨脹係數常較金屬材料為高。經過熱脹冷縮的循環,不相匹配的膨脹係數有時會破壞尺寸安定性,甚至引起破裂。添加一些補強物可 降低塑膠材料的線膨脹係數,因此,應用於SMT 連接器的塑膠材料常是含有玻璃纖維者。

(2)模收縮率(ASTM 0-955)

在設計連接器零件時應特別注意塑膠材料的模收縮率。不同材質的塑膠材料有截然不同的模收縮率,換言之,不同材質的塑膠材料所設計的模其應 避免互用。一般來說,結晶性聚合體的模收縮率高,無定形聚合體的模收縮率較低,而LCP (液晶聚合體)的模收縮率接近於0’添加玻離纖維補強 物的聚合體的模收縮率會降低。另外,不同流動方向的模收縮率可能有所不同,在設計上,若能先考慮此種異向性將有助於提高尺寸安定性。

(3)翹曲

塑膠零件的翹曲(warpage)有時也是一個評估尺寸安定性的方法。零件的翹曲程度愈低,通常尺寸安定性愈佳。模具設計、加工條件以及塑膠材料 本身皆會影響零件的翹曲。另外,許多的塑膠零件在高溫下會產生嚴重的翹曲,此與內應力及異向性有闕,有時可利用加工條件或模真設計加以解決。 另外,塑膠材料的耐溫性愈高,其高溫下的尺寸安定性通常愈好。在各方面條件如成本、加工要求等允許的話,使用耐溫性更好的材料有時可避免高溫尺寸安定性不佳的問題。

4.耐燃性
連接器的歷史最早溯至美國軍方。軍事用途的零件設計通常會考慮耐燃的問題。因此,連接器用材料常常要求必須有很好的耐燃性。另外,有一些 電器有時會產生火花,再加上焊接時是在高溫下而使得連接器用塑膠材料必須有良好的耐燃性。至於是否必須達到最高等級UL94V-0級的要求則是不 得而知了。通常,評估耐燃性的方法有兩種:

(1)極限氯氣指數(LOI) (ASTM 0-2863)

極限氧氣指數是描述塑膠材料的耐燃性的一個很好而較科學的指標。極限氧氣指數是使材料持續 燃燒的最小氧氣含量,其值愈高,表示耐燃性愈佳。

(2)UL燃燒性

UL 94燃燒性描述塑膠的相對燃燒性。不同的應用領域可能有不同等級的UL94燃燒性的要求。

UL94燃燒性大致可分為四級:

*水平測試

UL94 HB

*垂直測試

UL 94 V-2

UL 94 V-1

UL94 v-0

以UL 94 v-0的要求而言,試片點火燃燒後,其持續燃燒的時間平均必須小於5秒鐘,而最長的 燃燒時間必須在10秒鐘之內,且其滴下物不得使棉花著火。符合此要求,便可通過UL94 V-0級。 必須注意的是燃燒與氧氣的供應有很大的關係,比表面積愈大氧氣的輸送愈容易。換言之,愈薄的試 片愈容易燃燒。因此,試片的厚度可能會決定能否 通過所需的燃燒性等級。不同的應用領域或零件對 材料的燃燒性要求可能不同。有些零件的材料僅需通過UL 94 HB級,而許多電腦連接器的材料要求必須通過UL 94 V-0級,通常是依零件的最初設計而定。

不合任何添加劑的塑膠的耐燃性與其化學結構有直接的關係。一般來說,化學結構具有較多芳香環,較多國素,或者含有硫、磷等元素的純塑膠真 有較佳的耐燃性。塑膠材料的耐燃性可經由添加一 些阻燃劑而大幅提高。典型的阻燃劑如含淚化合物、氧化銘、磷酸鹽等。必須注意的是有些阻燃劑 在加工時(尤其是需要很高加工溫度的塑膠)可能 會釋出其腐蝕性物質,若如此,使用防蝕性材質的 加工設備是必要的。

5.耐化學品性
SMT連接器用塑膠通常要求真有優良的耐化學品性。在焊接的過程中,連接器的塑膠零件可能在高溫下接觸許多的化學品與溶劑,因此優良的耐化學品性是必要的。大體上來說,決定塑膠的耐化 學品性的好壤,主要因素為其化學結構與結晶度。 由「相似的會溶解相似的」的觀念可知化學結構是 決定耐化學品性的最重要因素。而結晶度提高亦可 改善耐化學品性。

6.電氣性質
毫無疑問的,連接器的塑膠零件之作用為絕緣,其電氣特性的要求是絕對必要的。較常作為設 計參考的電氣性質有:

1.體積電阻(ASTM D-275)。

2.介電強度(ASTM D-149):介電強度與試片的厚度有關。試片厚度提高,其介電強度會下降,反之,薄的試片有較高的介電強度。但必須注 意的是介電強度為每單位厚度所能承受的電 壓,愈薄者所能承受的電壓是較小的。當SMT 連接器的接腳間距愈窄時,在設計時應該將此 觀念考慮進來。

3.耐電弧性(ASTM D-495)。

4.介電常數的(ASTM D-150)。

5.介電消散因子(ASTM D-150)。

 

可應用於SMT連接器的工程塑膠

在傳統的插裝用連接器中,塑膠零件並沒有很直接的接觸焊接的熱源,所以對於塑膠材料的耐溫 性的要求並不是太高。PBT及尼龍66是較常用的材料。當然,使用可耐更高溫的工程塑膠將可提高可靠性,不過要考慮到材料的成本。

因其焊接過程中的環境,用於SMT連接器的工程塑膠的最重要要求為耐溫性。典型的耐溫性要求為250°C可維持數秒鐘。有許多的耐高溫工程塑 膠可達到此要求,表1列出一些代表性工程塑膠及 其HDT與價格。FEP為四氣乙稀與六氣丙怖的共聚合體。PFA則為四氣乙稀與全氣(丙基乙婦基酸) 的共聚合體。FEP與PFA皆有優良的耐溫性及耐化學品性,但其材質較軟,且價格相當高,目前尚無應用於SMT連接器的實例。依性質來看,PAl (聚酪胺酪亞胺)及PEEK (聚瞇)是SMT連接器用的良好材料,可惜是價格太高,加工較不容易,因此其在SMT連接器的應用例子較少。較常被提及用來設計SMT連接器的工程塑膠有尼龍 46,PCT (聚環己二甲醇對笨二甲酸酯) , PPS ,LCP以及尼龍6T等。

1.尼龍46

尼龍46結搆如下:

尼龍46有相當高的熔點, 290°C,經過玻璃纖維補強之後其HDT可達250°C。其耐溫性剛好適,於SMT連接器的應用,並且已有一些實用例子。但尼龍46的主要供應商有DSM (Polymer & Compounding), Japan Synthetic Rubber, Teijin Chemicals及Unitika’以DSM較為著名。

尼龍46的主要特色為耐溫性良好,結晶度高,韌性佳,耐蠕變性良好,耐化學品性良好,流動性佳。然而,尼龍46的吸水性高,在高溫下易 於起泡,且其高溫下的尺寸安定性不佳。因此,尼龍46僅適用於一般性的SMT連接器,若要設計更 高精度及更窄間距的SMT連接器應盡量避免選用高精度及更窄間距的SMT連接器應盡量避免選用 尼龍46。另外,有些連接器有很高的耐燃性要求,例如UL 94 v-o級。尼龍46為脂族聚瞌胺,本身耐燃性不佳,若要通過UL 94 v-o級,尼龍46必須添加許多的阻燃劑。必須注意的是阻燃劑添加太多時會影響物性及加工性。整體來說,尼龍46 僅勉可用於SMT連接器。

2.PCT

PCT為1,4-環己烷二甲酸醇與對笨二甲酯的聚 合體,其結構為:


PCT有相當高的熔點(約為290°C),使其具有良好的耐熱性。補強後的PCT的HDT可達約250°C,勉強可用於SMT連接器。PCT的主要供應商為Eastman Chemical及Toray Industries。

PCT除了有良好的耐溫性外,透明性及耐伽傌 射線是其優點,但其耐衝擊強度及韌性較低。欲使PCT有良好耐燃性亦必須添加阻燃劑。整體來說, 以PCT設計SMT連接器是有點困難的。

3.PPS

PPS的結構如下:

PPS的熔點高,約為285°C。緩慢由熔融態冷卻下來後PPS的結晶度可達60- 65%。高熔點及高結晶度使PPS具有優異的耐熱性。PPS的連續使 用溫度可達220°C。補強的PPS的HDT可高達約 250°C ° PPS的高溫尺寸安定性優良,因此適合於用來設計SMT連接器。PPS的熔融物具有奇特的性質。在熔融態下, PPS會逐漸變黑、變祠,或凝膠化。此為PPS在有氧氣存在下在高溫下會產生 交連反應所造成。此種熱交連反應有時可在熔點以下的溫度(例如175- 280°C)進行,如此可提高分子量,有時可提高HDT。因此,此種PPS又稱交連型PPS。若PPS有足夠高的分子量,且添加一些 安定劑如抗氧化劑,使PPS不致於產生熱交連。 此種PPS又稱為線型PPS。由於含有硫及笨環, PPS本身具有優異的耐燃性,不添加阻燃劑便可通 過UL 94 v-o級。目前,交連型PPS的主要供應商為Hoechst-Celanese、Polyplastics及Toray Industries。

交連型PPS的重要特色為耐溫性優良、鋼性高、耐燃性及耐化學品性優異,低吸水率,尺寸 安定性優良,耐螺變性佳。其缺點為韌性低y加工成型時易出毛邊(flash)。整體來說,若能提高韌性, 且在模具設計製作時特別注意而克服毛邊形成問 題,交連型PPS可說是良好的SMT連接器材料。

線型PPS具有較高韌性、高剛性、優異的耐化學品性及耐燃性,低吸水率及優良的尺寸安定 性。但在加工成型時,線型PPS仍有出毛邊的問題。整體來說,線型PPS若能解決向毛邊的問 題,適合於用來設計SMT連接器。

4. LCP

LCP為液晶聚合體的簡稱。有數種組成的 LCP已被成功的商業化。較重要的組成結構如下:

LCP有優良的耐溫性,依不同等級而定, LCP 的HDT可達230- 300°C。高HDT的LCP是相當適用於SMT連接器。LCP的主要供應商有Amoco, Hoechst-Celanese, NipponPetrochemicals, Polyplas-tics, Du pont及Sumitomo Chemical等。

LCP的主要特性為低熔融粘度(因此流動性佳),易於分子定向而有高強度及高剛性,高耐溫 性、優異的尺寸安定性及耐化學品性,幾乎為零的 模收縮率及優良的耐燃性。LCP添加玻璃纖維後即 可通過UL94 v-o級。分子定向雖然使LCP的抗度提高,但亦形成了異向性,亦即不同方向有不同的物性,有些地方會形成弱點(weak points) ,對於精 密的SMT連接器成品是相當不利的。然而,添加玻璃纖維後, LCP的成型異向性可降低,若在模具-一 設計上加以改進,可克服形成弱點的問題,另外LCP的熔合強度(weld srength)低,在設計模其時必須特別注意。若不考慮價格,LCP’可說是相當優良的SMT連接器用的材料。

 

尼龍6T(改質的)

這裏所說的尼龍6T是屬於尼龍6T的共聚合體。未經改質的純尼龍6T(己二胺與對茉二甲酸的 聚合體)的熔點約為370°C,在超過340°C時含脂 族鏈的聚合體將會產生嚴重的降解。共聚合是降低聚合體熔點的一個有效方法。常用的共單體有問笨 二甲酸及己二酸。改質的尼龍6T的重要組成結構 如下:

改質的尼龍6T (以下簡稱尼龍6T)的熔點通常 在310- 320°C左右。如此範圍的熔點使其易於熔 融加工而不致於產生降解,但仍具有優異的耐溫性。有些尼龍6T的HDT可達290-300°C,是相當適用於SMT連接器的。尼龍6T的主要供應商 有Mitsui Petrochemical Industries, Amoco, BASF及 DuPont等。

尼龍6T的主要特色為耐溫性高、強度高、耐蠕變性佳、尺寸安定性優良,加工成型時不易出毛邊,且可以調整組成來適應所需的性能。尼龍6T 會吸收少許水份,吸水會影響其高溫尺寸安定性,應避免浸水或接觸到水。另外,尼龍6T本身耐燃性不佳,欲使其通過UL94v-o級,必須添加阻燃劑。因尼龍6T間加工溫度高(320-330°C) ,有些阻燃劑會產生腐蝕性物質。因此加工設備的材質必須能夠防蝕者,整體來說,若能適當的選擇等級,尼龍6T可說是優良的SMT連接器用材料。

總而言之,目前可說沒有一種材料是十全十美的,在SMT連接器的設計時應特別注意各種材料的優缺點。表2比較一些SMT連接器用塑膠材料 的特性供作參考。在選擇材料時隨時注意四大要點:成本、性能、可靠性及服務。

表2.典型SMT連接器用的代表性樹脂的特性比較。

◎:不必要的遠超出規格

○:超出規格

□:符合規格

╳:不符合要求

參考文獻:
1.電子連接器市場現況與發展趨勢分析,工研院材料所(1995)。
2.蕭永權,電路板資訊,第2期,51 (1988)。
3.H. F. Mark,et al., Encyclopedia of Polymer Science and Engineeri,2nd ed. New York: Wiley.
4.J. A. Brydson, Plastic Materials,4th ed., London: Butterworth Scientific (1982).
5.S. S. Schwarts and S. H. Goodman, Plastic Materials and Process , New York: Van Nostrand Reinhold Co. (1982).