Kleiste gęste substancje
Kluczowe punkty
• Funkcja: odprowadzanie ciepła, połączenia elektryczne, zabezpieczenie mechaniczne/środowiskowe.
• Parametry: lepkość, przewodność cieplna/elektryczna, temperatura pracy, czas utwardzania, zgodność z RoHS/REACH.
• Diagnoza: rozróżnienie substancji po lokalizacji, barwie, zapachu i konsystencji pozwala zdecydować, czy substancję należy usunąć, odświeżyć czy pozostawić.
1.1 Thermal Interface Materials (TIM)
• Pasta termoprzewodząca – silikonowe lub syntetyczne oleje + wypełniacze (Al₂O₃, AlN, Ag, nano-diament, grafen).
• Termopady / phase-change materials (PCM) – stałe w temp. pokojowej, topią się w ~50 °C i wypełniają szczeliny.
1.2 Pasty lutownicze
• Stop Sn-Ag-Cu (SAC305/SAC405) + topnik typu ROL0 (no-clean).
• Low-voiding pasty z dodatkiem bismutu lub indium dla CTE-critical BGA.
1.3 Topniki i resztki fluxu
• Klasy RMA/R (rosin), ORH1 (aktywny kwasowy), VOC-free żele wodne.
• Ryzyko: higroskopijność i migracja jonów → up-time RF & HV.
1.4 Kleje i zalewy
• Epoksydy jedno-/dwuskładnikowe (EP1210, LOCTITE 9340).
• Silikony (RTV, LSR) – elastyczne ± 40 % strain, -55 ÷ +200 °C.
• Poliuretany: wysoka udarność, typowe do cewkowo-transformatorowych „pottings”.
1.5 Substancje awaryjne
• Elektrolit kondensatorów Al-Ele (boranety, etanolan etylenu) – żrąca, przewodząca ciecz; wyciek wymaga natychmiastowej wymiany elementu i czyszczenia PCB.
• Lepkość (η) rośnie wykładniczo z masą cząsteczkową polimeru (model Arrheniusa).
• Przewodność cieplna kompozytu: \(k = k_m \left(1 + \beta \phi\right)\) – Maxwell-Euken, gdzie β zależy od przewodności wypełniacza i matrycy.
• Adhezja = suma sił van der Waalsa + wiązania wodorowe + kotwiczenie chemiczne (kondensacja silanów na Cu/Al₂O₃).
• CPU/GPU: wymiana pasty co 3-5 lat lub gdy Tjunction ↑ > 10 °C.
• SMT: klej epoksydowy punktowy do montażu dwustronnego (montaż reflow + fala).
• Automotive: zalewy silikonowe klasy UL94-V0 redukują wibracje i korozję w ECU.
• TIM nowej generacji: pasty grafenowe (>12 W/m·K) i nano-diamentowe (>16 W/m·K).
• Bezołowiowe pasty lutownicze niskotemperaturowe Sn-Bi (<180 °C) dla elektroniki elastycznej (FHE).
• Kleje UV-flip-chip – czas utwardzania <5 s; rozwój związków cationic epoxy dla 5G mmWave.
• Dyrektywa RoHS 3 (2019/2021) – ograniczenia dla ftalanów DIBP/DEHP w klejach oraz SnPb <0,1 %.
• Identyfikacja „na oko”:
– Topnik: szklisty, bursztynowy; rozpuszcza się w IPA.
– Pasta TIM: matowa szarość/biel; rozmazuje się, nie rozpuszcza w wodzie.
– Klej epoksydowy: twardy, kruchy po zarysowaniu; aceton odporny.
– Elektrolit: lepka mokra plama, często zielonkawe naloty miedzi; ostry „rybny” zapach.
• Analogia: TIM działa jak „mokry papier ścierny” – wypełnia mikro-dolinę, aby powietrze (k ≈ 0,025 W/m·K) zastąpić pastą (k ≈ 5-16 W/m·K).
• REACH: obowiązek deklaracji SVHC (>0,1 % w/w) w klejach i żywicach.
• E-waste: trudno usuwalne zalewy utrudniają recykling PCB; projektanci powinni balansować pomiędzy ochroną a odzyskiem surowców.
• Bezpieczeństwo: środki na bazie cyjanoakrylu generują opary — wymagany wyciąg lokalny.
• Nanocząstki Ag/Cu w pastach mogą powodować dendryty w warunkach wys. wilgotności; wymagana kontrola klimatu > IPC-J-STD-001F.
• PCM oparte na parafinach mają ograniczoną żywotność (pomp-out, migracja).
• Wysokotemperaturowe TIM (>200 °C) oparte na BN/SIC nadal kosztowne.
• Druk 3D klejów strukturalnych z gradientem lepkości (Multi-Material Jetting).
• TIM z grafenu CVD – badania nad obniżeniem rezystancji granicznej Rth <0,05 K·cm²/W.
• Biodegradowalne topniki oparte na wodoro-izopropanianach cukrów.
• Standardy IPC-TM-650 rev. 3.0 – nowa metodyka pomiaru lepkości pseudo-plastycznych past.
Kleiste, gęste substancje spotykane w elektronice to głównie pasty termoprzewodzące i lutownicze, topniki, różnego rodzaju kleje/żywice oraz — w wypadku awarii — wyciek elektrolitu. Ich poprawna identyfikacja i obsługa decydują o niezawodności i bezpieczeństwie urządzenia. Aktualnie rozwój koncentruje się na wysoko-przewodzących TIM (grafen, nano-diament), szybkoutwardzalnych klejach UV i ekologicznych topnikach zgodnych z RoHS/REACH. W praktyce inżynier powinien zawsze oceniać właściwości (lepkość, przewodność, zakres temperatur), wymagania regulacyjne oraz możliwość późniejszego serwisu i recyklingu.
