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                                        工業粘合劑在電子制造業中的應用及發展新機遇分析
                                        [2018-10-12]

                                        工業粘合劑在電子制造業中的應用及發展新機遇分析



                                              在當今科技迅速發展的時代,尤其是消費電子產品日新月異,對材料、工藝、產品外觀設計、結構、功能等都提出了越來越高的要求。為此,工業粘合劑作為產品組裝過程中不可或缺的工業物料之一,也迎來了全新的發展機遇與挑戰。

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                                        現代制造業需要什么?
                                              2013年4月,德國在漢諾威工業博覽會上首先提出工業4.0的概念,其后的2015年5月8日中國政府提出了《中國制造2025規劃》。隨著德國《工業4.0》和《中國制造2025規劃》的提出與推進,以消費電子、汽車制造、精密機械、醫療器械等為首的制造業急需產業升級。此次產業升級是全面的升級,包括從產品設計到工藝革新,從品質優化到市場定位。
                                           此次產業升級也是現代制造型企業具有核心競爭力的必由之路。以品質優化為例:FPC基材是電子制造業中十分重要的材料之一,其目前的線寬/線距公差一般認為在10微米,但未來幾年這一要求將逐漸提高到5微米,甚至會達到3微米。僅僅這一微小的要求改變,對相應的原材料尺寸的穩定性、銅箔厚度波動控制以及后續的SMT工藝、自動化系統和測試系統都有全面的提升要求?!?br/>
                                         
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                                        企業應當如何應對?
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                                        1. 對產品設計進行優化,這包括:
                                        a) 美學設計:比如產品要簡約,色調要符合潮流;
                                        b) 輕量化設計:比如消費電子產品的超薄化、窄邊框;
                                        c) 增加新的功能:比如手機的前置雙攝像頭、指紋識別、3Dtouch等功能;
                                        2. 對新材料進行探索:比如納米涂層材料,記憶材料,各種新型的工程塑料等;
                                        3. 對新技術進行開發:比如消費電子中OLED顯示屏技術,近年比較流行的無線充電、快速充電技術,指紋識別技術從光學技術發展到硅技術,再到超聲波技術等;
                                        4. 對新工藝進行采納:比如焊點用電阻焊加膠水代替等。

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                                        工業粘合劑的新機遇在哪里?
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                                          再以汽車產業為例,一輛常規的汽車在2000年前后整車的用膠量大概在15公斤左右,而這一數字在2016年增加到40-50公斤。這其中汽車的電控化、智能化貢獻都比較大,汽車電子元器件的成本從上世紀70年代的2%增加到現在的20%以上,包括電加熱座椅、座椅記憶功能,自動巡航等。目前,一個汽車里面用到的FPC面積大概為近0.8平方米左右,所有的FPC與PCB加起來有超過100個。
                                            近年來,新能源汽車和無人駕駛技術是汽車產業最為活躍的兩個亮點。新能源汽車中的電池組件的生產組裝需要大量用到工業膠水,而其中的檢測單元、保護系統以及驅動系統,也都離不開工業膠水的保護、灌封等;未來的無人駕駛汽車將會有無數多的傳感器,包括16個以上的高清攝像頭,這些單元的組裝和正常工作都離不開工業膠水。所以,工業膠水在汽車行業的用量將會保持快速增加的態勢。

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                                        工業粘合劑實現連接有什么特點?
                                            工業粘合劑,即工業膠水作為一種連接方式,具有如下特點: 
                                        輕:它不同于繁冗的機械連接,比如鉚接、螺紋連接、焊接,而是采用樹脂類型的粘接,能有效地減輕產品的重量,讓設計更加簡潔而實用; 
                                        微:機械連接、物理連接不能達到的區域,工業膠水完全勝任這個挑戰,粘接面積可以是幾平方毫米,粘接縫隙可以是微米級別, 對狹小縫隙的填充、密封以及保護作用,都可以完美實現; 
                                        快:UV紫外粘接,幾秒,甚至是1秒直接實現高效固化,適合大量的消費類電子產品,同時能耗相對較少; 
                                        強:粘接工藝的內應力小,多數情況下是面結合,同時工業膠水通過材料內聚力和表面粘接力,提供強有力的粘接效果; 
                                        雜:金屬與金屬,塑料與塑料,金屬與塑料,都可以實現粘接緊固,還可以使用膠水達到填充、包封、保護、固定等作用;
                                          正是由于工業粘接工藝的上述優勢,它在現代制造業中必將更廣泛地替代傳統工藝而發揮越來越大的作用,如消費電子的小喇叭和攝像模組幾乎全部是用工業粘合劑粘接起來的,再如目前討論比較多的醫療行業的球囊內窺鏡,工業粘合劑在其中發揮了不可或缺的作用。


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                                        工業粘合劑有什么特殊性?
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                                           正是由于工業膠水的這些特殊性,很少有企業能真正把它用好;而且很多企業就是因為在使用工業膠水上出了問題,導致項目拖延,產品良率不高,生產效率低下,甚至影響企業的競爭力與生存空間。

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                                        粘接工藝在現代制造業中起什么作用?
                                               粘接最基本的作用就是連接作用。但在現代制造業中,隨著科技的發展,人們對膠水的性能要求、對膠水所起的作用的期盼,以及對膠水應用范圍和適應范圍的期待都越來越高。下面我們就分別梳理一下工業膠水在制造業中的作用?! ?br/>      機械及物理連接,這是膠水最基本的功能??梢詮膬蓚€方面考慮:一方面是承受荷載并傳遞外力;在此,膠水的主要作用就是把兩個零部件緊緊地固定在一起,并且能把外力從一個零部件傳遞到另一個零部件,比如電鋸的刀片和盤芯,就是靠膠水粘接起來,并把電鋸工作過程中的力(扭矩)傳遞到刀片上去的。另外,電機轉子與軸的鏈接也是同樣的道理。一般而言,對于承受荷載類型的膠水而言,它應當具有極高的粘接強度和很好的抗沖擊性,同時,又具有很好的施膠工藝性和快速固化等特點;
                                            對于起物理連接作用的膠水,主要是產品組裝過程中,把不同材質的零部件或元器件,尤其是尺寸比較微小的零部件,往往很難或者不可能用其他機械連接的方式組裝,故而采用工業膠水進行組裝。這類膠水往往要有很好的點膠控制性,即可以實現精密施膠,而且固化速度快、粘接后可靠性高。
                                            保護作用是膠水除了連接作用以外的又一重要作用。隨著人們生活水平的提高,電子產品,尤其是消費電子產品在我們的日常生活中越來越扮演著不可或缺的角色。電子產品中有大量的元器件,它們分別以不同的方式組裝在PCB板或FPCB板上,而且隨著產品設計越來越微型化、輕量化,電子元器件也不斷地更加趨于集成化,電路也更加趨于緊湊,使得元器件之間的空隙和器件本身的pin腳間距越來越小。同時,這些元器件往往會暴露在惡劣的環境中,比如十分潮濕的衛生間或粉塵很大的特殊場合,甚至人們希望在游泳的時候還能用手機拍照或聽歌。所有這些改變和要求都使得整個電路板或者多數元器件必須被保護起來,而不會在惡劣的環境下遭受短路、受腐蝕或受外力擠壓而失效!膠水在這種保護中起到了不可或缺的作用,比如我們常說的三防膠和corner bonding膠,再比如智能卡的包封膠等。一般來說,對這類膠水的要求是固化速度快,腐蝕性離子含量低,與不同材質粘接牢度高,抵抗外力強。
                                            膠水的多重功能是膠水行業進步的重要標志之一,如在實現物力連接的同時,也實現起到導電的作用。這里,還包括了替代焊錫功能的導電和實現接地(grounding)功能的導電。焊錫是傳統的把導線連接起來,使其實現導通的連接方式,但它的不足之處是往往焊點比較大,所占空間高,在電子元器件越來越輕薄的情況下,使用便受限了。另外,它實現連接要靠高溫熔化,所以產品有經受高溫的過程,對于那些無法承受高溫的元器件或產品,則無發實現。為此,導電膠就可以代替焊錫,即克服了它的不足,又實現了連接和導電的雙重作用。當然,導電膠按其固化方式可以分為加熱固化、常溫固化甚至是Panacol公司推出了UV固化類型的導電膠。即便是加熱固化,一般導電膠的固化溫度也不會超過150度。
                                              近年來甚至市面上出現了低溫固化的導電膠,其加熱溫度不超過80度,這使得導電膠的應用將更加廣泛。一般而言,對于接地功能的導電膠,往往也要求粘接牢度高,固化速度快,因為其導電顆粒含量不高,所以成本也會比較低。而要求實現導通的導電膠,目前來說成本是制約其推廣的重要因素。如何研發出低電阻率、低成本、粘接強度高的導電膠則是各供應商努力的方向。
                                            電子產品的不斷高度集成化、微型化、多功能化、大功率化使得能耗/熱量管理越來越成為突出的問題!這些高度集成的元器件不但要牢靠地裝配在PCB板上,而且其工作產生的熱量要很快被散發掉;有時為了降溫,還要額外把一個散熱器裝配在元器件表面。在這種情況下,導熱膠就是不二的選擇。膠水的導熱可以從兩個不同的方面來理解:排走熱量和吸收熱量,如粘接散熱片的膠水應當能迅速把熱量排走;而保護NTC溫度傳感器的導熱膠應當迅速把熱量吸收過來,傳給芯片。這其實是同一問題的兩個方面,因此,導熱膠最大的問題就是不斷追求的高導熱系數和粘接牢度的矛盾;還有就是為實現導熱而加入的導熱顆粒材料對施膠工藝以及膠水流變學性能的影響。
                                          電子產品的失效模式有多種,其中一種就是由于受到較大的外力作用,導致其元器件脫離主板,或者是PIN腳開裂等而無法正常工作,如FPC在彎折后與主板相連處由于FPC的彈性而存在長期的剝離力,在這種剝離力的長期作用下,實現連接的導電ACF就會產生開膠。再如大的電容在跌落過程中由于受到很大的瞬間沖擊力而致使PIN腳開裂。為此,對可能產生失效的部位都要進行加固,最簡單有效的辦法就是使用膠水進行加固,這包括FPC的補強、大的電子器件如電容的加固、大芯片的四角綁定等。這類膠水一般都要有很快的固化速度,較好的觸變性,很高的粘接強度和很好的耐沖擊性和抗震動性能。
                                          隨著工業膠水在各個行業的不斷廣泛深入使用,其功能也越來越趨于多元化,而且呈現出不同行業也具有各自的需求特點,表現出了明顯的與行業或產品性能相關的特殊功能,這些特殊功能對膠水就提出了新的需求。如在光學和光通訊行業,就要求膠水要有很低的收縮率,良好的耐黃變性能,在某個特定波段的透光率要達到一定的指標等;再如有的與聲學相關的產品也希望膠水有一定的降噪和優化聲學效果的功能;還如有的行業渴望有能長期耐溫150度或者是180度的UV膠等等。
                                          通過以上分析可見,膠水作為一種最為傳統的連接方式,在現代制造業中的作用越來越趨于多元化、多功能化,而這種趨勢給膠粘劑這個行業注入了無限的活力與生命,同時也提出了全新的挑戰!

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                                        工業粘合劑會迎來什么樣的發展趨勢及機遇?
                                              綠色環保和高效節能已經無可爭辯的成為這個時代的主旋律,尤其膠水行業作為化學行業的一個分支,更無法回避綠色環保的要求!
                                            各個國家和地區都紛紛出臺了不同的法律法規,要求相關企業生產制造出綠色環保、低排放、無溶劑、鹵素達標的產品,甚至有的企業已經在考慮希望膠水供應商提供超低鹵素含量的膠水。所以,作為膠水的供應商,今后在新產品開發中,都必須高度關注這些法律法規,尤其是如果國內企業也要走出去,走向國際化、更應該關注其他國家和地區的環保要求。
                                            高效節能也是綠色環保的另一面。不斷提高的生產節拍既符合降低成本,提高效率的生產要求,也與節能減排的環保要求相吻合,如UV固化的膠水,現在需要的光照能量越來越少,甚至可以是60mW/cm2@2S.這個變化的意義不僅在于可以提高固化的速度,也可以用UV膠粘一些透光率極低的塑料,因為膠水固化所需的能 量極低,而且也適應了近年來不斷發展的LED紫外固化設備的迅猛發展。另外一個例子就是近年來低溫快速固化的單組份膠水的發展,市面上已經出現了60度45分鐘可以固化的環氧膠。這種快速低溫固化的單組份環氧膠的意義也不僅僅是適應了無法接受高溫的特殊生產工藝要求,也增加的生產效率,降低了能耗,故而也順應了綠色環保的時代要求。
                                            隨著電子產品的多功能化、微型化的發展,電路板上的電子元器件呈高密度的發展勢態。這就給元器件的組裝和后續的生產工藝提出了更高的精度要求,如對元器件的保護,有的地方希望膠水的外溢不超過0.5毫米,甚至是0.3毫米。
                                            在這種工藝需求的推動下,各種高精密的施膠設備和工藝近年來蓬勃發展。各類高精密的點膠設備又對膠水提出了新的要求,如噴膠閥就要求膠水中不能添加研磨性高的填料,否則對閥的損耗就很大;另外,膠水的粘度也要適中,否則就有噴膠不暢的風險;這也就要求在設計配方的時候,也應考慮其對膠水流變性能的影響。
                                          市場需求是行業發展最好的驅動力!膠水行業亦是如此!往往行業客戶對某一特定類型的膠水已經接受,但隨著技術的進一步發展,他們希望膠水在某方面的特性能不斷地得到改善,這也對膠水行業帶來新的機遇。以UV膠為例,雖然人們都了解UV膠的耐溫是120度,但市場對UV膠耐更高溫度的需求從來就沒有停止過,所以,近幾年,也出現了耐更高溫度的UV膠,已經有公司能把UV膠的耐溫提升到150度,市場還在期待耐溫180度的UV膠。另外,在一些特殊的場合,比如灌封和保護等應用中,需要硬度極低的UV膠。有公司已經研發出了硬度非常低的甚至是00-X級別的UV膠。也有希望環氧膠有超高的粘接強度和快的固化速度,或者超高的粘接強度和好的抗跌落性能;更有極端者,會提出一些相互矛盾的需求,比如良好的導熱性與高的粘接強度,高導電性與低成本,低流淌性與好的毛細現象,高粘接牢度與可重工性等等。這些林林總總的需求其實反應出膠水行業客戶的“定制化需求”的特點。這就給那些研發能力強,比較靈活的中小企業提供了非常好的市場機遇。
                                          產品功能的提升和設計的不斷優化,也要求生產企業不斷采納新的材料,尤其是新的功能優異的各種工程塑料,如LCP、PBT、PEEK、PA、PP、POM等。其中有些材料在強度、耐溫性能、尺寸穩定性等方面都具有明顯優勢,卻具有比較低的表面能,因而不利于膠水粘接。作為膠水供應商,就必須展開基礎性研究,開發出各種適合此類材料的工業膠水,這也是膠水企業努力的方向之一??傊?,隨著電子制造業的迅猛發展,工業粘合劑在此行業中發揮著越來越多元化的不可替代的作用,而技術的不斷進步,又給工業粘合劑行業提出了各種更高的要求,這恰恰給行業帶來了非常好的機遇。
                                           膠水是一個百億級的市場,市場潛力十分巨大!目前高端市場還主要受國際巨頭壟斷,可喜的是國內的一批膠水生產企業,經過最近十幾年的發展和經驗積累,研發實力有了明顯提升,也逐漸在向高端市場進軍。但中國的工業粘合劑行業仍然任重而道遠,我們面臨的不僅僅是研發實力提升的問題,還有原材料受制于人的問題。所以,有遠見卓識的企業家下一步應該考慮走出去,一方面進行企業并購,收購一些國外有特色的同行或者上游原材料企業,以提升自己的總體研發實力,另一方面也要在海外開拓高端市場,以促進其在國內高端市場的占有率。

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