ES2839083T3 - Composiciones de resina de poliuretano formulado para revestimientos por inundación de placas de circuitos electrónicos - Google Patents
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Abstract
Una composición de revestimiento por inundación de poliuretano ABCD que comprende un prepolímero de poliisocianato como parte A; y en la parte B, un poliol en una cantidad del 93 al 98 % en peso basado en el % en peso total de la parte B; un agente de reología C; y un catalizador D, caracterizada por que cuando una proporción de la parte A se mezcla con una proporción de la parte B, la mezcla cuando cura proporciona un índice tixotrópico de 1 a 5; un tiempo de gelificación de 5 a 15 minutos; y una dureza Shore de 15A a 90A; en donde el índice tixotrópico se refiere a la viscosidad medida a 2,5 RPM dividida por la viscosidad medida a 20 RPM de una mezcla de una proporción de la parte A y de la parte B, donde las cantidades apropiadas de los pesos de la parte A y de la parte B se mezclan a mano durante 1-2 minutos a 25 °C, y la viscosidad de la mezcla se determina usando un viscosímetro Brookfield con el husillo de n.º 7 a 2,5 RPM, y luego a 20 RPM.
Description
DESCRIPCIÓN
Composiciones de resina de poliuretano formulado para revestimientos por inundación de placas de circuitos electrónicos
Antecedentes de la invención
1. Campo de la invención
La presente invención se refiere en general a sistemas de resina formulada, placas de circuitos electrónicos revestidas con tales sistemas y a los métodos para aplicarlos.
Más específicamente, la presente invención se refiere a películas poliméricas protectoras tales como resinas para revestimiento por inundación o encapsulación de placas de circuitos electrónicos y de otros dispositivos que forman parte de una construcción unificada y que son susceptibles a una degradación ambiental y/o mecánica extrema, tal como por vibración.
2. Descripción de la técnica relacionada
Existe una gran variedad de sistemas de resina polimérica con material de relleno o sin material de relleno de dos componentes para recubrir y/o encapsular placas de circuitos eléctricos u otros dispositivos electrónicos similares. Muchas de estas formulaciones se basan en una tecnología similar que usa muchas de las mismas materias primas base para lograr las propiedades deseadas durante el procesamiento y/o el curado. Las formulaciones suelen estar compuestas por materiales tales como resinas sintéticas acrílicas, de poliuretano, de silicona o epoxídicas.
El objetivo principal de un material para encapsulado es proporcionar protección y soporte a los componentes electrónicos sensibles en entornos que incluyen exposición a agentes químicos, alta humedad, vibración y temperaturas extremas. Si bien estos materiales de encapsulado tienen éxito, existe la necesidad de reducir el peso y el costo de tales placas electrónicas. Los materiales de encapsulado se usan tradicionalmente para llenar el dispositivo o placa y, por lo tanto, son muy gruesos. Esta característica se puede considerar desventajosa para determinadas aplicaciones. Los objetos encapsulados tampoco son fáciles de reinsertar (es decir, lo suficientemente blandos para cortarlos en el caso de su extracción para inspección y/o reparación del componente rellenado). En consecuencia, los sistemas de encapsulación y recubrimiento de silicona y de poliuretano de baja dureza (blandos), de bajo módulo (elásticos) y amortiguadores de vibración, se han identificado como los materiales más deseados para proporcionar protección ambiental y soporte mecánico a los componentes electrónicos de montaje sobre superficies que están sujetos a tales temperaturas extremas, así como a cierto nivel de vibración.
Con este fin, varios fabricantes de placas electrónicas han optado por usar revestimientos de conformación dieléctricos como su barrera de protección ambiental. Dichos revestimientos de conformación tienen típicamente 0,05 mm (2 mils) (± 0,025 mm (1 mil)) de espesor. Aunque este enfoque ha demostrado ser exitoso en ciertas aplicaciones donde existe un ambiente estático, las aplicaciones que requieren un soporte mecánico y protección ambiental de componentes grandes expuestos a temperaturas extremas y vibraciones han demostrado ser infructuosas debido al fallo por fatiga a lo largo del tiempo. El uso de la soldadura sin plomo en los componentes electrónicos también ha contribuido a la necesidad de un mayor soporte mecánico y amortiguación de la vibración de los componentes eléctricos grandes y pesados.
Los siguientes Documentos de Patentes de los EE.UU. o Solicitudes Publicadas abordan algunos de los desafíos de diseño discutidos anteriormente: 3.747.037; 4.300.184; 5.863.597; 5.871.822; 8.360.390; y US2006/0076047.
El Documento de Patente de los EE.UU. de Número US 3.747.037 describe un sistema de encapsulado convencional y un compuesto de encapsulado de uretano. El compuesto de encapsulado tiene una viscosidad relativamente alta y no es apto para fluir. Además, este compuesto de encapsulado comprende una gran cantidad de sílice (> 75 % en peso) que actúa como un agente de reología.
Por lo tanto, en un esfuerzo por llenar la brecha entre los compuestos de encapsulado espesos y costosos y los revestimientos de conformación dieléctricos delgados con poca integridad mecánica, baja dureza, aquellos sistemas de resina formulada de bajo módulo que sean capaces de proporcionar un soporte estructural mecánico mientras proporcionan amortiguación vibratoria y reducen el peso global de la resina y el coste usados en una placa encapsulada de forma convencional serían un avance útil en la técnica, y podrían encontrar una rápida aceptación en cualquier industria donde se requiera el uso de sistemas de encapsulado y/o de revestimiento de conformado.
Sumario de la invención
Los objetos anteriores y adicionales se logran de acuerdo con los principios de la invención descrita en la presente invención, que proporciona, en un aspecto, composiciones de revestimiento por inundación de poliuretano ABCD formadas al hacer reaccionar un prepolímero de poliisocianato A, con un poliol B, que además contiene un agente/modificador de reología C y un catalizador D caracterizadas porque cuando una proporción de la parte A se
mezcla con una proporción de la parte B, la mezcla cuando cura proporciona un índice tixotrópico de 1 a 5; un tiempo de gelificación de 5 a 15 minutos; y una dureza Shore de 15A a 60A.
En otro aspecto, la invención proporciona placas de circuitos eléctricos que incluyen un soporte base con una pluralidad de componentes de circuitos eléctricos que se extienden hacia afuera desde la superficie del soporte base unidos al mismo y conectados eléctricamente al circuito eléctrico, y composiciones de revestimiento por inundación de poliuretano ABCD como se definen y describen en detalle en la presente invención, en donde la composición de revestimiento por inundación de poliuretano cubre y/o encapsula completamente la placa del circuito eléctrico como una masa adherida tras el curado de manera que el espesor de la composición de revestimiento por inundación ABCD sobre las superficies de los componentes paralelas (es decir, horizontales) al soporte base es de 0,51 mm a 1,91 mm (de 20 mils a 75 mils), y el espesor de la composición de revestimiento por inundación ABCD sobre las superficies de los componentes perpendiculares (es decir, verticales) al soporte base es de 0,10 mm a 0,51 mm (de 4 mils a 20 mils).
En otro aspecto adicional, la presente invención proporciona métodos de encapsular una placa de circuitos eléctricos presurizando una composición de revestimiento por inundación ABCD como se define y describe en la presente invención en detalle a una presión predeterminada con un gas inerte, aplicando un volumen predeterminado de la composición de revestimiento por inundación ABCD completamente sobre dicha placa a dicha presión predeterminada, permitiendo que la composición de revestimiento por inundación ABCD gelifique, y curando la placa revestida durante un tiempo y a una temperatura suficientes para proporcionar una dureza Shore de 15A a 60A.
Estos y otros objetos, características y ventajas de esta invención resultarán evidentes a partir de la siguiente descripción detallada de los diversos aspectos de la invención tomados junto con las Figuras y Ejemplos que se adjuntan.
Breve descripción de los dibujos
Para que la manera en que las características mencionadas anteriormente de la presente invención se puedan entender con mejor detalle, se puede tener una descripción más particular de la invención con referencia a las realizaciones, algunas de las cuales se ilustran o recogen en las figuras adjuntas. Se debe observar, sin embargo, que las figuras adjuntas representan solo realizaciones típicas de esta invención y no se deben considerar limitantes de su alcance, ya que la invención puede admitir otras realizaciones igualmente efectivas.
La Figura 1 ilustra una vista en perspectiva de la sección transversal de un conjunto de placa de circuito electrónico con los componentes altos de los circuitos eléctricos que se extienden hacia afuera desde la superficie de un soporte base con una composición de revestimiento por inundación como se describe en la presente invención aplicada al mismo.
Las Figuras 2A-2B juntas representan una vista superior y lateral, respectivamente, de una placa de circuitos electrónicos real con una composición de revestimiento por inundación protectora como se describe en la presente invención aplicada a la misma y que encapsula eficazmente la placa y los circuitos electrónicos.
Para facilitar la comprensión, se han usado números de referencia idénticos, cuando es posible, para designar elementos idénticos que son comunes a las figuras. Las figuras no están dibujadas ni representadas a escala y pueden estar simplificadas para una mayor claridad. Además, se contempla que los elementos y características de una realización se puedan incorporar de manera beneficiosa en otras realizaciones sin descripción adicional.
Descripción detallada de ciertas realizaciones de la invención
Como se resumió anteriormente, la presente invención se refiere al descubrimiento de sistemas de resina formulada que poseen ciertas características de rendimiento que son útiles para revestir de forma protectora y/o encapsular un dispositivo electrónico, tal como un dispositivo electrónico de montaje en superficie que está sujeto a entornos hostiles, incluidas la exposición a productos químicos, alta humedad, vibración y temperaturas extremas. Como se discute con más detalle a continuación, los inventores han descubierto sorprendentemente formulaciones poliméricas que se basan en cadenas principales de productos químicos absorbentes de energía/elastómeros que proporcionan de baja a moderada dureza y bajo módulo, y que reducen el peso y el costo total de la resina en comparación con los dispositivos encapsulados convencionales, mientras proporcionan la misma protección ambiental, soporte mecánico y amortiguación vibratoria. Hasta ahora se pensaba que tales ventajas eran inalcanzables sin el uso de un material de encapsulado tradicional que llenase por completo el espacio donde se alojaba el dispositivo electrónico. En consecuencia, en vista de las resinas poliméricas formuladas descritas en la presente invención, el uso de tales productos y procesos de revestimiento por inundación se pueden usar para reemplazar materiales de encapsulado donde el peso y el costo total debido al volumen de resina es una preocupación, mientras se logran las propiedades de rendimiento deseadas.
En consecuencia, en un aspecto, la invención proporciona composiciones de revestimiento por inundación poliméricas ABCD formadas mezclando la parte A con la parte B, en donde la parte A comprende un prepolímero, y la parte B comprende un poliol en una cantidad del 93 al 98 % en peso basado en el % en peso total de la parte B, un agente/modificador de reología C y un catalizador D caracterizado porque cuando una proporción de la parte A se
mezcla con una proporción de la parte B, la mezcla cuando cura posee un índice tixotrópico de 1 a 5; un tiempo de gelificación de 5 a 15 minutos; y una dureza Shore de 15A de 90A;
en donde el índice tixotrópico se refiere a la viscosidad medida a 2,5 RPM dividida por la viscosidad medida a 20 RPM de una mezcla de la proporción de la parte A y de la parte B, donde las cantidades apropiadas de los pesos de la parte A y de la parte B se mezclan a mano durante 1 -2 minutos a 25 °C, y
la viscosidad de la mezcla se determina usando un viscosímetro Brookfield con el husillo de n.° 7 a 2,5 RPM, y luego a 20 RPM.
Si bien la composición preferida contemplada para su uso en la presente invención es una composición de revestimiento por inundación de poliuretano, los expertos en la técnica apreciarán que se puede usar cualquier resina polimérica adecuada, incluidas, por ejemplo, resina acrílica, silicona, polisiloxano y epoxi, así como las composiciones híbridas de estas. En ciertas realizaciones, el prepolímero de la parte A es un prepolímero que contiene poliisocianato sintetizado a partir de un diisocianato de difenilmetano polimérico de funcionalidad media (pMDI) con un contenido mejorado de isómero 2,4'-MDI A1 (tal como el disponible comercialmente por Bayer Corp. bajo el nombre comercial MONDUR® MRS, u otro equivalente), reaccionado con un polipropilenglicol y cloruro de benzoílo como estabilizador.
Otros poliisocianatos adecuados usados para preparar el prepolímero de la parte A de la composición de poliuretano incluyen cualquier compuesto con al menos dos restos isocianato. Los diisocianatos se pueden ejemplificar por diisocianato de 1,5-naftileno, diisocianato de 4,4'-difenilmetano (4,4'-MDI), diisocianato de 4,4'-difenildimetilmetano, diisocianato de 4,4'-dibencilo, diisocianato de dialquildifenilmetano, diisocianato de 1,3-fenileno, diisocianato de 1,4-fenileno, diisocianato de tolueno, diisocianato de 1,4-buteno, diisocianato de hexametileno, diisocianato de isopropileno, diisocianato de naftileno, diisocianato de metileno, diisocianato de 2,2,4-tiimetilhexametileno, diisocianato de 1,4-ciclohexametileno, diisocianato de xilileno, diisocianato de xilileno hidrogenado, diisocianato de isoforona, diisocianato de lisina, diisocianato de 4,4'-diciclohexilmetano, 1,3-bis(isocianatometil)ciclohexano, diisocianato de metil-ciclohexano, diisocianato de m-tetrametilxililano, diisocianato de 2,4,6-triisopropilbenceno, bis(4-ciclohexilisocianato) de isopropilideno y mezclas de los mismos. Mezclas ejemplares de diisocianatos incluyen las mezclas de 4,4'-MDI y 2,4'-MDI.
El poliisocianato usado para preparar el prepolímero de la parte A también puede ser un poliisocianato preparado, por ejemplo, haciendo reaccionar un diisocianato con un compuesto reactivo con diisocianatos tal como un poliol, por ejemplo, un diol o poliamina, por ejemplo, una diamina. Poliisocianatos ejemplares usados para preparar el prepolímero de la parte A incluyen formas poliméricas del MDI. El poliisocianato usado para preparar el prepolímero de la parte A también puede ser un diisocianato modificado con carbodiimida, por ejemplo, un MDI modificado con carbodiimida. El poliisocianato usado para preparar el prepolímero de la parte A tiene un contenido de isocianato (NCO) que varía del 15 % al 40 % (porcentaje en masa) medido por la norma ASTM 02572, preferiblemente del 10 % al 20 %.
El prepolímero de la parte A se hace reaccionar con un poliol. En general, el poliol de la parte A es cualquier poliol (es decir, un compuesto con más de un grupo hidroxilo unido al mismo) que pueda reaccionar con un grupo isocianato. Más específicamente, el poliol se elige preferiblemente de un grupo de polioles con un peso molecular de menos de aproximadamente 600. En un ejemplo, el poliol se elige de un grupo de polioles con un peso molecular promedio en peso de aproximadamente 300 a aproximadamente 600 Daltons. Ejemplos de polioles incluyen glicoles, es decir, dioles que contienen un grupo 1,2-dihidroxi tal como etilenglicol o propilenglicol y derivados de los mismos, y glicerol o glicerina y derivados de los mismos. Ejemplos de polioles incluyen polipropilenglicol y politetrametilen éter glicol. En algunas realizaciones, el poliol es un diol asimétrico que tiene de 3 a 20 átomos de carbono, más preferiblemente de 4 a 12 átomos de carbono y lo más preferiblemente de 5 a 10 átomos de carbono. Ejemplos de tales dioles asimétricos incluyen, pero no se limitan a: 2-etil-1,3-hexanodiol; 1,2-propanodiol; 1,3-butanodiol; 2,2,4-trimetil-1,3-pentanodiol, 1,12-octadecanodiol; 1,2-hexanodiol; 1,2-octanodiol; y 1,2-decanodiol. Otros ejemplos de polioles incluyen un tetrol tal como pentaeritritol. El poliol también puede ser un poliol de poliéter preparado a partir de óxido de etileno y/u óxido de propileno opcionalmente reaccionado con otro poliol tal como glicol o glicerol.
Si bien el polipropilenglicol (tal como el disponible comercialmente de Lonza Corp. con el nombre comercial POLY-G® 20-56) es un poliol preferido para usar en la parte A en la síntesis de la cadena principal del poliuretano, los expertos en la técnica reconocerán que también son adecuados otros polioles. Dichos otros polioles incluyen, por ejemplo, poliol de polibutadieno. Ejemplos de polioles de polibutadieno incluyen, pero no se limitan a, polímeros de butadieno terminados en hidroxilo líquidos vendidos con los nombres Polybd® R-45HTLO y Poly bd® R-20LM, ambos disponibles comercialmente de Cray Valley EE.UU., LLC, Exton, PA, EE.UU., así como con el nombre Hypro™ 2800X95 HTB, disponible comercialmente de CVC Thermoset Specialties, Moorestown, NJ, EE.UU.
En ciertas realizaciones, el porcentaje de MDI polimérico y de polipropilenglicol usado para sintetizar la cadena principal del poliuretano de la parte A es del 40 al 60 % en peso, mientras que el estabilizador está presente en una cantidad de aproximadamente el 0,03 % en peso basado en el % en peso total de la parte A. En una realización particular, el porcentaje de MDI polimérico presente es aproximadamente el 40 % en peso y el porcentaje de polipropilenglicol presente es aproximadamente el 60 % en peso, basado en el % en peso total de la parte A.
En la misma o, en otras realizaciones, la parte B del sistema de resina polimérica puede incluir un poliol que está presente en una cantidad del 93 al 98 % en peso, basado en el % en peso total de la parte B. En algunas realizaciones, el poliol tiene menos del 0,03 % en peso de agua. En la misma o, en otras realizaciones, el aceite de ricino es el poliol preferido adecuado para su uso con la presente invención. El aceite de ricino, es decir, un triglicérido del ácido ricinoleico, es una materia prima renovable que está ampliamente disponible comercialmente. La invención también contempla que un derivado de aceite de ricino incluya cualquier poliol derivado de aceite de ricino, lo que incluye un producto de hidrólisis, un producto etoxilado, un producto transesterificado o un producto esterificado, o un producto de poliamida. Sin embargo, los expertos en la técnica conocerán otros polioles adecuados y se contempla que los polioles adecuados para su uso en la parte B también incluyan los polioles descritos anteriormente para la parte A, en donde los polioles pueden ser iguales o diferentes.
El poliol de la parte B se formula además con un agente de reología C y un catalizador D. El agente de reología incluye todos los aditivos antideslizantes sintéticos y naturales de BYK Additives/Elements Specialties, Wallingford, CT, EE.UU., junto con compuestos de poliéter terminados en amina primaria. Los compuestos de poliéter terminados en amina primaria incluyen, pero no se limitan a, polioxipropilenamina con un peso molecular promedio en peso de aproximadamente 110 o 200 Da, a preferiblemente aproximadamente 500 Da (aunque también son adecuados pesos moleculares de hasta aproximadamente 2.000 Da) y una funcionalidad amina de aproximadamente 2 a 3, preferiblemente aproximadamente 2. Dichos poliéteres terminados en amina primaria se fabrican y venden por Huntsman Corporation, Salt Lake City, UT, bajo el nombre Jeffamine. Particularmente preferido es Jeffamine D-230, que es un polioxipropilenglicol terminado con aminas primarias y con una funcionalidad amina de 2 y un peso molecular de aproximadamente 230. La reticulación en la composición adhesiva se puede acelerar más añadiendo una amina terciaria que contenga hidroxilo tal como la diisopropanol amina disponible comercialmente como QUADROL por BASF Corp., Alemania. La tixotropía se desarrolla rápidamente cuando la parte A y la parte B se mezclan en presencia de tales aminas. Los agentes de reología (o agentes tixotrópicos) también incluyen, pero no se limitan a, aditivos inorgánicos y pueden incluir, por ejemplo, sílice pirogénica, dióxido de silicio amorfo, arcillas, bentonitas, talcos y combinaciones de los mismos.
El catalizador de uretano D de la parte B de la composición de poliuretano puede ser cualquier catalizador de uretano. Ejemplos de catalizadores de uretano incluyen catalizadores de estaño tales como dialcanoatos de dialquil estaño, por ejemplo, catalizador FOMREZ® UL-28 (dineodecanoato de dimetilestaño), que proporciona tiempos de gelificación y de secado al tacto muy cortos, así como buena solubilidad en los sistemas de poliuretano. Otros ejemplos de catalizadores de uretano incluyen, pero no se limitan a: octoato estannoso, disponible comercialmente como DABCO® T-9 de Air Products, Allentown, PA, EE.UU.; órgano-estaño, disponible comercialmente como DABCO® 131 de Air Products, Allentown, PA, EE.UU.; 1,4-diazabiciclooctano, disponible como catalizador cristalino DABCO® de Air Products, Allentown, PA, EE.UU.; n-cetil-n,n-dimetilamina, disponible como DABCO® B-16 de Air Products, Allentown, PA, E E . U u .; dilaurato de dibutilestaño, disponible como d A b C O ® T-12 de Air Products, Allentown, PA, EE.UU.; diacetato de dibutilestaño, disponible como catalizador METACURE™ T-1 de Air Products, Allentown, PA, EE.UU.; una mezcla de neodecanoato de zinc, neodecanoato de bismuto y ácido neodecanoico, disponible como BiCAT® 8 de Shepherd Chemical Company, Norwood, OH, EE.UU.; acetilacetonato férrico, disponible como AMSPEC® GCR-56 de Amspec Chemical Corporation, Bear, DE, EE.UU.; y ácido oleico, disponible como ácido oleico 105 de Acme-Hardesty Company, Blue Bell, PA, e E . U U .
En ciertas realizaciones, el agente de reología C contiene del 2 al 6 % en peso de sílice pirogénica, basado en el % en peso total de la parte B (tal como el disponible comercialmente de Cabot Corp. con el nombre comercial CAB-O-SIL® M-5), y el catalizador D contiene del 0,2 % en peso al 0,5 % en peso (basado en el peso total de la parte B), de un catalizador organometálico tal como acetato de dibutilestaño. Si bien se entiende que estas son realizaciones preferidas, el agente/modificador de reología específico y/o el catalizador no son críticos como otros agentes adecuados y se pueden usar los catalizadores discutidos anteriormente. Más bien, lo importante es que el tiempo de gelificación y la reología estén muy próximos para lograr la estructura vertical (es decir, en los componentes alargados del circuito que se proyectan hacia afuera desde la base de la placa de circuito u otro dispositivo electrónico similar) deseada para la protección ambiental, mientras se permite un flujo adecuado para lograr una estructura horizontal suficiente para proporcionar el soporte mecánico deseado cuando cura la composición de revestimiento por inundación.
En consecuencia, en determinadas realizaciones, el índice tixotrópico puede ser de 1 a 5, y preferiblemente de 1,20 a 3,50, y más preferiblemente de 1,22 a 1,23. Como se usa en la presente invención, el término "índice tixotrópico" se refiere a la viscosidad medida a 2,5 RPM dividida por la viscosidad medida a 20 RPM de una mezcla de las proporciones de la parte A y de la parte B, donde las cantidades apropiadas de los pesos de la parte A y de la parte B se mezclan a mano durante 1-2 minutos a 25 °C, y la viscosidad de la mezcla se determina usando un viscosímetro Brookfield con el husillo de n.° 7 a 2,5 RPM y luego a 20 RPM.
En la misma o, en otras realizaciones, el tiempo de gelificación es de 5 a 15 minutos, y preferiblemente de 5 a 12. En la misma o, en otras realizaciones, la viscosidad inicial de la mezcla de las proporciones de la parte A y de la parte B es de 15.000 a 18.000 mPas (cps), y preferiblemente de 15.000 a 16.500 mPas (cps). Se contempla que los elementos y las características de una realización se puedan incorporar de manera beneficiosa en otras realizaciones sin descripción adicional. Además, se contempla que la parte A y la parte B se puedan mezclar en cualquier relación o cantidad.
La parte A y/o la parte B de las composiciones de revestimiento por inundación contempladas en la presente invención también pueden contener otras cargas o aditivos adecuados. Una o ambas parte A y parte B también pueden incluir un antiespumante. En una realización, se añade un antiespumante en una cantidad de aproximadamente el 0,01 a aproximadamente el 0,1 % en peso a la parte A. En otra realización, se añade un antiespumante en una cantidad de aproximadamente el 0,01 a aproximadamente el 0,1 a la parte B. En una realización adicional, se añade un antiespumante en una cantidad de aproximadamente el 0,005 a aproximadamente el 0,05 a la parte A, y en una cantidad de aproximadamente el 0,005 a aproximadamente el 0,05 a la parte B. El antiespumante usado en una o ambas parte A y parte B puede ser cualquier antiespumante conocido en la técnica. En un ejemplo, el antiespumante es un antiespumante a base de silicona, tal como, por ejemplo, un aditivo antiespumante a base de polímero de alquil aril silicona, disponible comercialmente como SF8843 de Momentive Performance Materials Holdings LLC, Columbus, OH, EE.UU. En otra realización, el antiespumante es un antiespumante sin silicona, tal como un antiespumante a base de isoparafina, tal como, por ejemplo, bYk 054, disponible de BYK USA, Inc., Wallingford, CT, EE.UU.
La carga puede ser cualquier carga adecuada conocida en la técnica, que incluye, pero no se limita a, talco, carbonato de calcio, sulfato de bario, hidróxido de magnesio, arcilla, mica, dióxido de titanio o cualquier combinación de los anteriores.
En otro aspecto, y con referencia a la Figura 1, la invención proporciona placas de circuitos eléctricos que incluyen un soporte base 10 con una pluralidad de componentes de los circuitos eléctricos 20 que se extienden hacia afuera desde la superficie del soporte base 10, unidos al mismo y conectados eléctricamente al circuito eléctrico (no mostrado), y composiciones de revestimiento por inundación de poliuretano ABCD tal como se definen y describen en detalle en la presente invención, en donde la composición de revestimiento por inundación de poliuretano cubre y/o encapsula completamente la placa de los circuitos eléctricos como una masa adherida tras el curado de manera que el espesor de la composición de revestimiento por inundación ABCD sobre las superficies de los componentes paralelas 30 (es decir, horizontales) al soporte base es de 0,51 mm a 12,70 mm (de 20 mils a 500 mils), y el espesor de la composición de revestimiento por inundación ABCD sobre las superficies de los componentes perpendiculares 40 (es decir, verticales) al soporte base es de 0,10 mm a 0,51 mm (de 4 mils a 20 mils). Como apreciarán los expertos en la técnica, las unidades "milésimas de pulgada" como se usan en la presente invención (también conocidas como "mils") se refieren a una unidad de longitud imperial y es igual a 1/1.000 de 25,4 mm (una pulgada).
En ciertas realizaciones, el espesor de la composición de revestimiento por inundación sobre las superficies de los componentes perpendiculares al soporte base es mayor de 0,10 mm y menor de 0,51 mm (mayor de 4 mils y menor de 20 mils), y preferiblemente menor de 0,25 mm (10 mils). En la misma, o en otras realizaciones, el espesor de la composición de revestimiento por inundación sobre las superficies de los componentes horizontales al soporte base es mayor de 0,51 mm y menor de 1,91 mm (mayor de 20 mils y menor de 75 mils), preferiblemente mayor de 1,02 mm y menor de 1,52 mm (mayor de 40 mils y menor de 60 mils). Se contempla que los elementos y las características de una realización se puedan incorporar de manera beneficiosa en otras realizaciones sin descripción adicional.
De nuevo, la obtención de estas características clave se hace controlando la reactividad (es decir, el tiempo de gelificación) y la reología para permitir que el sistema de resina se aplique manualmente o mediante automatización (es decir, un proceso de revestimiento por inundación, en donde la resina se pueda dispensar en forma de una cinta o cortina), lo que le permite cubrir todos los componentes al fluir hacia abajo por las superficies verticales mientras mantiene una estructura de 0,10 mm a 0,25 mm (4 mils a 10 mils) sobre todas las superficies verticales.
Mientras fluye hacia abajo por las superficies verticales, la resina se acumulará con un espesor de 0,51 mm a 12,70 mm (20 mils a 500 mils) sobre la superficie horizontal, proporcionando así también un soporte mecánico para los componentes grandes.
Si bien el sistema de resina de revestimiento por inundación formulado descrito en la presente invención es adecuado para su uso con cualquier placa de circuitos eléctricos, los dispositivos ejemplares incluyen, pero no se limitan a, placas de circuitos eléctricos usadas en ordenadores personales, inversores (por ejemplo, micro inversores solares), convertidores, fuentes de alimentación. Se hace referencia a las Figuras 2A-2B.
En otro aspecto adicional, la presente invención proporciona métodos para encapsular o revestir por inundación una placa de circuitos eléctricos presurizando una composición de sistema de resina de revestimiento por inundación ABCD como se define y describe en la presente invención en detalle a una presión predeterminada con un gas inerte, aplicando un volumen predeterminado de la composición de revestimiento por inundación ABCD completamente sobre dicha placa a dicha presión predeterminada, permitiendo que la composición de revestimiento por inundación ABCD gelifique, y curando la placa revestida durante un tiempo y a una temperatura suficientes para proporcionar una dureza Shore de 15A a 90A.
En ciertas realizaciones, la presión aplicada es de 207 kPa (30 psi) y el gas inerte es nitrógeno seco. En la misma, o en otras realizaciones, la etapa de curado es de 5 a 7 días a una temperatura de 25 °C.
Como se discutió anteriormente, las composiciones de revestimiento por inundación son adecuadas para su uso con placas y componentes electrónicos en aplicaciones que requieran soporte mecánico y protección ambiental debido a la exposición a temperaturas extremas y vibración, que causan fallos por fatiga de las placas con el tiempo. En
consecuencia, en otro aspecto, la invención proporciona métodos para prevenir el fallo de una placa de circuitos eléctricos debido a la exposición a temperaturas extremas (es decir, aumentos o disminuciones rápidas de temperatura y/o exposición prolongada a frío y/o calor extremos) y a vibración mediante la aplicación de un volumen predeterminado de una composición de revestimiento por inundación de poliuretano como se describe y contempla en la presente invención completamente sobre la placa de circuitos eléctricos, permitiendo que la composición de revestimiento por inundación gelifique, y curando la composición de revestimiento por inundación como una masa adherida sobre la placa de circuitos eléctricos de modo que el espesor de la composición de revestimiento por inundación sobre las superficies de los componentes horizontales al soporte base de la placa sea de 0,51 mm a 1,91 mm (de 20 ms a 75 mils), y el espesor de la composición de revestimiento por inundación sobre las superficies de los componentes perpendiculares al soporte base sea de 0,10 mm a 0,51 mm (4 mils a 20 mils). Este aspecto de la invención se puede escribir alternativamente como que proporciona soporte mecánico y protección ambiental a una placa de circuitos eléctricos expuesta a temperaturas extremas y vibraciones.
Ejemplos
Los siguientes ejemplos se proporcionan para ayudar a los expertos en la técnica a comprender mejor determinadas realizaciones de la presente invención. Estos ejemplos están destinados a fines ilustrativos y no se deben interpretar como limitantes del alcance de las diversas realizaciones de la presente invención.
Ejemplo 1: Preparación de la resina polimérica
Se prepara un sistema de resina de poliuretano de dos partes de la siguiente manera: En la Parte A, se hacen reaccionar 41,10 partes en peso (basado en el peso total de la parte A) de un diisocianato de difenilmetano polimérico de funcionalidad media (pMDI) con un contenido mejorado del isómero 2,4'-MDI y un grupo isocianato (N=C=O) del 31 al 32 % en peso (basado en el peso total del diisocianato) (tal como MONDUR® MRS disponible de Bayer Corp. o equivalente) con 58,87 partes en peso (basado en el peso total de la parte A) de polipropilenglicol (tal como PolyG-20-56 disponible de Lonza Corporation, o equivalente), y 0,03 partes en peso (basado en el peso total de la parte A) de cloruro de benzoilo como un estabilizador para formar un prepolímero de MDI con un contenido de N=C=O que varía entre el 10 y el 12 % en peso (basado en el peso total del diisocianato), inclusive. La reacción se lleva a cabo a una temperatura de 80-85 °C bajo un vacío de > 0,091 MPa (> 27" de Hg) durante 4 horas.
En la parte B, se secan 93,57 partes de aceite de ricino mediante calentamiento a una temperatura de 100 a 110 °C bajo un vacío de > 0,091 MPa (> 27" de Hg) durante 1-2 horas para obtener un contenido de agua de <0,03 % en peso. Se seca un agente tixotrópico tal como sílice pirolítica (disponible como CAB-O-SIL® M-5 de Cabot Corporation) a 6 partes en peso (basado en el peso total de la parte B) en un horno a 130 °C durante 24 horas. A continuación, se mezcla el agente tixotrópico con el aceite de ricino seco bajo un agitador de alta velocidad (3.000 rpm) durante 45 minutos para lograr una reología deseada - índice tixotrópico de 1,22. Se añaden 0,41 partes en peso (basado en el peso total de la parte B) de un catalizador metálico a base de estaño tal como diacetato de dibutilestaño (disponible como METACURE® T-1 de Air Products) para controlar el tiempo de gelificación cuando se mezclan las partes A y B. Las partes A y B se mezclan en una relación del 44,25 % en peso de la parte A a 55,75 % en peso de la parte B.
Los detalles de la formulación se proporcionan a continuación en la Tabla 1:
Tabla 1
Revestimiento por inundación de poliuretano
Invención
Parte A % en peso (sobre A) Diisocianato (Mondur MRS - 4) 41,10
Diol de poliéter (Poly-G-20-56-U) 58,87
Cloruro de benzoilo 0,03
NCO del prepolímero de la parte A 10 - 12 %
Viscosidad del prepolímero de la parte A (mPas), (cps) 15.000 - 18.000
Parte B % en peso (sobre B)
Poliol de aceite de ricino 93,57
Alquil aril siloxano (antiespumante) (SF8843) 0,02
Acetato de dibutil-estaño (catalizador Metacure T1) 0,41
Sílice pirolítica (Cab-o-Sil MS) 6,0
Viscosidad de la mezcla de la parte B (mPas) (cps) 1.092
Relación de mezcla en peso 44,25 partes de A / 55,75 partes de B Viscosidad inicial de la mezcla partes A B (mPas) (cps) 16.000
Revestimiento por inundación de poliuretano
Invención
Parte A % en peso (sobre A)
Dureza de Shore 35A
Índice de tixotropía 1,22
Peso medio del revestimiento (gramos) 93,1
Espesor horizontal (mm) 0,51
(mil = 1/1.000 pulgada) 20
Espesor vertical (mm) 0,10 - 0,13
(mil = 1/1.000 pulgada) 4 - 5
Ejemplo 2: Revestimiento por inundación de una placa electrónica
Se llena un cartucho de 400 ml de una forma cuadrada, provisto de un mezclador estático de 30 elementos y equipado con una pala/punta plana de 2,54 cm (1"), con una resina polimérica tal como la preparada según el Ejemplo 1. Se aplica nitrógeno seco a 207 kPa (30 psi) a la resina. Se proporciona un microinversor solar que pesa 1.853,00 gramos y la resina polimérica se aplica a través de una pistola dispensadora que se mantiene en un ángulo de aproximadamente 45° con respecto a la superficie de la placa. La resina polimérica "reviste por inundación" la placa con los circuitos eléctricos y los componentes a medida que se dispensa en forma de cinta o cortina y se deja que cubra todos los componentes al fluir hacia abajo por las superficies verticales, mientras mantiene una estructura de 0,10 mm a 0,13 mm (4 mils a 5 mils) sobre todas las superficies verticales debido al control de la reología y de la reactividad. Mientras fluye hacia abajo por las superficies verticales, la resina se acumula a un espesor de 0,51 mm (20 mils) sobre las superficies horizontales, lo que da como resultado un soporte mecánico para los componentes grandes. El tiempo de revestimiento desde el principio hasta el final es de aproximadamente 5 minutos. El tiempo de gelificación es de aproximadamente 10-12 minutos, y el tiempo de curado completo es de aproximadamente 7 días a 25 °C. El peso del microinversor solar después del revestimiento por inundación es de 2.200,00 gramos (es decir, se usan 347,96 gramos de material de resina polimérica).
Por lo tanto, al usar la composición de resina de revestimiento por inundación polimérica y el proceso descritos en la presente invención, se logra la misma protección ambiental y soporte mecánico que los proporcionados por la resina de encapsulado convencional, mientras se reducen el peso total y el costo de la resina usada en un dispositivo encapsulado de una forma convencional en > 50 %.
A lo largo de esta solicitud se han hecho referencia a varias referencias de Documentos de Patentes y/o literatura científica. Las descripciones de estas publicaciones se incorporan en su totalidad a la presente invención como referencia como si estuvieran escritas en la presente invención. En el caso de términos que entren en conflicto, prevalecerán los términos de este documento. En vista de la descripción anterior y de los ejemplos, un experto en la técnica podrá poner en práctica la invención según se reivindica sin excesiva experimentación.
Claims (12)
1. Una composición de revestimiento por inundación de poliuretano ABCD que comprende
un prepolímero de poliisocianato como parte A; y
en la parte B, un poliol en una cantidad del 93 al 98 % en peso basado en el % en peso total de la parte B; un agente de reología C; y un catalizador D,
caracterizada por que cuando una proporción de la parte A se mezcla con una proporción de la parte B, la mezcla cuando cura proporciona un índice tixotrópico de 1 a 5; un tiempo de gelificación de 5 a 15 minutos; y una dureza Shore de 15A a 90A;
en donde el índice tixotrópico se refiere a la viscosidad medida a 2,5 RPM dividida por la viscosidad medida a 20 RPM de una mezcla de una proporción de la parte A y de la parte B, donde las cantidades apropiadas de los pesos de la parte A y de la parte B se mezclan a mano durante 1-2 minutos a 25 °C, y la viscosidad de la mezcla se determina usando un viscosímetro Brookfield con el husillo de n.° 7 a 2,5 RPM, y luego a 20 RPM.
2. La composición de revestimiento por inundación de poliuretano ABCD según la reivindicación 1, en donde el prepolímero de poliisocianato A comprende del 50 al 60 % en peso de diisocianato de difenilmetano polimérico A1; del 40 al 50 % en peso de polipropilenglicol A2; y un compuesto estabilizador A3, tal como cloruro de benzoílo presente al 0,03 % en peso, basado en el peso total de la parte A.
3. La composición de revestimiento por inundación de poliuretano ABCD según la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en donde el prepolímero de poliisocianato A contiene del 10 al 12 % en peso de grupos isocianato (N=C=O), basado en el peso total del poliisocianato.
4. La composición de revestimiento por inundación de poliuretano ABCD según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en donde el poliol B es aceite de ricino; y/o
en donde el agente de reología C contiene del 2 al 6 % en peso de sílice pirogénica, basado en el peso total de la parte B; y/o
en donde el catalizador D es un catalizador organometálico, tal como diacetato de dibutilestaño; y/o
en donde la dureza Shore es de 40A a 60A; y/o
en donde el índice tixotrópico es de 1,2 a 3,5; y/o
en donde el tiempo de gelificación es de 5 a 12 minutos; y/o
en donde la viscosidad inicial de la mezcla de la parte A y la parte B es de 15.000 a 18.000 cps.
5. Una placa de circuitos eléctricos que comprende
un soporte base con una pluralidad de componentes de circuitos eléctricos que se extienden hacia afuera desde la superficie del soporte base, unidos al mismo y conectados eléctricamente a los circuitos eléctricos, y
la composición de revestimiento por inundación de poliuretano ABCD como se define en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en donde la composición de revestimiento por inundación de poliuretano ABCD cubre o encapsula completamente la placa de circuitos eléctricos como una masa adherida después del curado, de modo que el espesor de la composición de revestimiento por inundación de poliuretano ABCD sobre las superficies de los componentes horizontales al soporte base sea de 0,51 mm a 1,91 mm (de 20 mils a 75 mils), y el espesor de la composición de revestimiento por inundación de poliuretano ABCD sobre las superficies de los componentes perpendiculares al soporte base sea de 0,10 mm a 0,51 mm (de 4 mils a 20 mils); o
en donde el espesor de la composición de revestimiento por inundación de poliuretano ABCD sobre las superficies de los componentes perpendiculares al soporte base es mayor de 0,10 mm y menor de 0,25 mm (mayor de 4 mils y menor de 10 mils); o
en donde el espesor de la composición de revestimiento por inundación de poliuretano ABCD sobre las superficies de los componentes horizontales al soporte base es mayor de 0,51 mm y menor de 1,78 mm (mayor de 20 mils y menor de 70 mils); y/o
en donde la composición de revestimiento por inundación de poliuretano ABCD cuando cura tiene una dureza Shore de 15A a 90A; o
en donde la composición de revestimiento por inundación de poliuretano ABCD cuando cura tiene una dureza Shore de 40A a 60A.
6. Una placa de circuitos eléctricos según la reivindicación 5, en donde dicha placa de circuitos eléctricos se sitúa dentro de un dispositivo electrónico, por ejemplo, en donde el dispositivo electrónico se selecciona del grupo que consiste en inversores, convertidores y fuentes de alimentación.
7. Un método de encapsular una placa de circuitos eléctricos, comprendiendo el método
presurizar una composición de revestimiento por inundación de poliuretano ABCD como se define en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4 a una presión predeterminada con un gas inerte;
aplicar un volumen predeterminado de la composición de revestimiento por inundación de poliuretano ABCD sobre dicha placa completamente a dicha presión predeterminada;
permitir que la composición de revestimiento por inundación de poliuretano ABCD gelifique; y
curar la placa revestida durante un tiempo y a una temperatura suficientes para proporcionar una dureza Shore de 15Aa60A.
8. Un método según la reivindicación 7, en donde la presión es de 207 kPa (30 psi).
9. Un método según la reivindicación 7 o la reivindicación 8, en donde el gas inerte es nitrógeno.
10. Un método según una cualquiera de las reivindicaciones 7 a 9, en donde la etapa de curado es de 5 a 7 días a 25 °C.
11. Un método para proporcionar soporte mecánico y protección ambiental a una placa de circuitos eléctricos expuesta a temperaturas extremas y vibración, comprendiendo el método
aplicar un volumen predeterminado de la composición de revestimiento por inundación de poliuretano ABCD como se define en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4 completamente sobre dicha placa de circuitos eléctricos; permitir que la composición de revestimiento por inundación de poliuretano ABCD gelifique; y
curar la composición de revestimiento por inundación de poliuretano ABCD como una masa adherida sobre la placa de circuitos eléctricos durante un tiempo suficiente y a una temperatura suficiente para que al curar el espesor de la composición de revestimiento por inundación de poliuretano ABCD sobre las superficies de los componentes horizontales al soporte base de la placa sea de 0,51 mm a 1,91 mm (de 20 mils a 75 mils), y el espesor de la composición de revestimiento por inundación de poliuretano ABCD sobre las superficies de los componentes perpendiculares al soporte base de la placa sea de 0,10 mm a 0,51 mm (de 4 mils a 20 mils).
12. Un método según la reivindicación 11, en donde la composición de revestimiento por inundación de poliuretano cuando cura tiene una dureza Shore de 15A a 90A.
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