Verbrande wasgieten van elektronische componenten 

Verbrande wasgiettechnologie: normen voor elektronische componenten

Gieten met gebrande was (een proces dat internationaal bekend staat als Investment Casting of ‘verloren wasgieten’) is de enige methode voor het produceren van behuizingen en koellichamen voor uiterst nauwkeurige elektronica. In tegenstelling tot zand- of koudgieten maakt deze technologie het mogelijk om onderdelen met een complexe interne geometrie en oppervlakteruwheid Ra 1,6–3,2 micron te produceren zonder daaropvolgende mechanische bewerking van kritische gebieden. Voor de elektronicasector betekent dit de mogelijkheid om vloeistofkoelkanalen rechtstreeks in de aluminium of koperen behuizingsstructuur te integreren, waardoor de thermische weerstand met 30-45% wordt verminderd in vergelijking met composietoplossingen.

Onze productielijn is gespecialiseerd in de productie van batches van 50 tot 5000 eenheden in overeenstemming met de IT14-IT15 (GOST)-toleranties en de DIN ISO 8062 CT5-CT7-normen. Wij werken voornamelijk met aluminiumlegeringen uit de AK-serie (AlSi10Mg, AlSi7Mg) en koperlegeringen (BrAZh, BrKh), omdat deze materialen bij het miniaturiseren van componenten het noodzakelijke evenwicht bieden tussen elektrische geleidbaarheid en mechanische sterkte. Een belangrijk voordeel van de methode is dat er geen scheidingslijnen in de matrijs zijn, waardoor het risico wordt geëlimineerd dat metaalspaanders in afgedichte sensorbehuizingen of voedingsmodules terechtkomen – een probleem dat we regelmatig tegenkwamen bij het gebruik van traditioneel spuitgieten bij vroege projecten.

Volledige productiecyclus: van 3D-model tot afwerking

Het proces van het vervaardigen van elektronische behuizingen met behulp van de verloren-wasgietmethode vereist een strikte naleving van de temperatuuromstandigheden in elke fase. Schending van de technologie, zelfs in de fase van het samenstellen van een clustermodel, leidt tot defecten zoals ‘ondervulling’ of gasgaten die niet kunnen worden geëlimineerd door nabewerking. Hieronder vindt u een gedetailleerd algoritme dat we gebruiken om een consistente batchkwaliteit te garanderen.

1. Ontwikkeling van poortsystemen en 3D-modellering.In dit stadium berekenen ingenieurs de metaalkrimp voor een specifieke legering (voor aluminium is dit meestal 1,3-1,5%, voor koper - tot 2,1%). Een fout bij het berekenen van de krimpfactor zal ertoe leiden dat de montagegaten niet op één lijn liggen met de printplaat. We gebruiken ProCAST-software om het vullen van mallen te simuleren, waardoor we vooraf gebieden met metaalstagnatie kunnen identificeren.Belangrijk:ontwerp nooit een poortsysteem zonder rekening te houden met de richting van de warmteafvoer; onjuiste plaatsing van feeders veroorzaakt lokale oververhitting en kromtrekken van dunwandige behuizingselementen.
2. Wasmodellen maken door middel van injectie.Waskopieën van toekomstige onderdelen worden onder druk gegoten in siliconen- of metalen mallen. De wastemperatuur moet binnen het bereik van 65-70°C worden gehouden; het overschrijden van deze drempel verandert de reologische eigenschappen van het materiaal en leidt tot een verandering in de geometrie. Elk model ondergaat een visuele inspectie op flitslicht.Veelgemaakte fout:het gebruik van gerecyclede was zonder voorafgaande filtratie en ontgassing leidt tot het verschijnen van microporiën op het oppervlak van het gietstuk, wat van cruciaal belang is voor afgedichte IP67-behuizingen.
3. Montage van clusters en aanbrengen van keramische schaal.Wasmodellen worden samengevoegd tot een "boom" (cluster) en herhaaldelijk ondergedompeld in een suspensie van vuurvast vulmiddel (electrocorundum, zirkoon) en een bindmiddel. Het proces wordt 6-9 keer herhaald totdat de schaaldikte 6-8 mm is. Het drogen tussen de lagen wordt uitgevoerd in gecontroleerde luchtvochtigheid. Als u de droogfase van ten minste één laag overslaat, zal er bij het gieten van het metaal een explosieve verdamping optreden, waardoor de mal wordt vernietigd. Deze regel hebben we geleerd na een incident in 2023, toen een partij van 200 dozen voor telecommunicatieapparatuur werd afgekeurd vanwege microscheurtjes in het keramiek.
4. Brandende was en calcinerende mallen.De clusters worden in een autoclaaf geplaatst, waar de was met hete stoom onder druk wordt verwijderd, en vervolgens worden de mallen gedurende 2-4 uur gecalcineerd bij een temperatuur van 850-950°C. Deze procedure verwijdert niet alleen koolstofresten, maar activeert ook het sinteren van het keramische materiaal, waardoor de mal de nodige sterkte krijgt. Een ondergegloeide mal kan barsten bij contact met gesmolten metaal bij temperaturen boven 700°C. Controle van het resterende koolstofgehalte (minder dan 0,05%) is een verplichte stap vóór het gieten.
5. Metaalgieten en warmtebehandeling.Gesmolten metaal wordt in verwarmde mallen gegoten, hetzij door de zwaartekracht, hetzij onder vacuüm/druk (om het vullen van dunne wanden te verbeteren). Na afkoeling wordt de keramische schaal hydraulisch of door chemisch etsen verwijderd. Onderdelen worden onderworpen aan een warmtebehandeling (verharding + veroudering) om interne spanningen te verlichten. De laatste fase omvat het verwijderen van de sprieten en het gritstralen. Het negeren van het verouderingsregime voor legeringen van het AK7ch-type leidt tot dimensionale instabiliteit tijdens bedrijf onder omstandigheden van temperatuurveranderingen.

Elke fase gaat gepaard met invoer- en uitvoercontrole. Afgewerkte producten worden gecontroleerd aan de hand van de tekening met behulp van coördinatenmeetmachines (CMM). Voor elektronische componenten voeren we bovendien een lektest uit (heliumlekdetector) en meten we de ruwheid van interne holtes. U kunt voor uw specifieke product een voorbeeldrouteringsformulier aanvragen om de compatibiliteit van uw ontwerp met onze mogelijkheden te beoordelen.

Vergelijkende analyse: investeringsgieten versus spuitgieten

De keuze van de technologie voor de productie van elektronicabehuizingen wordt vaak een struikelblok bij het plannen van een projectbudget. Veel klanten denken ten onrechte dat spuitgieten (HPDC) altijd winstgevender is vanwege de hoge cyclussnelheid. Bij het werken met complexe elektronica, waarbij hoge precisie en afwezigheid van porositeit vereist zijn, resulteren besparingen in de gietfase echter in enorme kosten voor schroot en herbewerking. Laten we eens kijken naar de belangrijkste verschillen tussen de methoden zoals toegepast op de productie van elektronische componenten.

In onze praktijk was er een geval waarin een klant geld probeerde te besparen door via spuitgieten een partij behuizingen voor medische sensoren te bestellen. Als gevolg hiervan had 40% van de batch latente porositeit, wat pas duidelijk werd na afdichtings- en druktests. De overgang naar verloren-wasgiettechnologie verhoogde de productiekosten met 15%, maar elimineerde volledig defecten en reparatiekosten onder garantie. Als uw project een serie van minder dan 3000 eenheden betreft of een niet-standaard radiatorgeometrie vereist, is investeringsgieten de enige juiste technische oplossing.

Materiaalkunde: een legering selecteren voor koellichaam en afscherming

Elektronische componenten werken onder zware temperatuuromstandigheden, dus de keuze van het behuizingsmateriaal heeft rechtstreeks invloed op de betrouwbaarheid van het hele systeem. Bij het precisiegietproces werken we met een breed scala aan legeringen, maar voor elektronica zijn er drie groepen materialen waar de meeste vraag naar is. Als u hun eigenschappen begrijpt, kunt u ontwerpfouten voorkomen.

Aluminiumlegeringen (AK7ch, AlSi10Mg, AlSi7Mg).Dit is de meest populaire keuze vanwege de combinatie van lage dichtheid en goede thermische geleidbaarheid (150-180 W/mK). AK7ch-legering (silumin) heeft een uitstekende vloeibaarheid, waardoor het mogelijk is dunne radiatorvinnen met een dikte van 1 mm of meer te vullen. Zuiver aluminium is echter moeilijk te solderen zonder speciale oppervlaktevoorbereiding. Voor vermogenselektronicapakketten adviseren wij het gebruik van gemodificeerde legeringen die titanium en boor bevatten, die de ductiliteit vergroten en het risico op heetscheuren tijdens het gieten verminderen. Het is belangrijk om te onthouden dat de thermische geleidbaarheid van gegoten aluminium altijd lager is dan die van zijn vervormbare tegenhanger vanwege de kenmerken van de korrelstructuur.

Koperlegeringen (BrAZh, BrKh, CuCrZr).Wanneer de vereisten voor warmteafvoer extreem zijn (zoals bij laserdiodes of krachtige microgolfversterkers), is aluminium niet voldoende. Koper biedt thermische geleidbaarheid tot 380 W/mK. Verloren wasgieten van koper is technologisch moeilijker vanwege het hoge smeltpunt en de neiging tot oxideren. Tijdens het gieten maken wij gebruik van beschermende atmosferen (stikstof of argon) om de vorming van oxidefilms in het gietstuk te voorkomen. Het grootste nadeel is het hoge gewicht en de kosten. Bovendien moeten koperen behuizingen worden vernikkeld of vertind om corrosie te voorkomen en de soldeerbaarheid van de draden te garanderen.

Speciale legeringen en composieten.Toepassingen voor elektromagnetische compatibiliteit (EMC) vereisen soms pakketten met magnetische eigenschappen of een specifieke thermische uitzettingscoëfficiënt (CTE), afgestemd op keramische substraten. In dergelijke gevallen worden legeringen op ijzerbasis of speciale aluminiumcomposieten gebruikt. Een legering met een CTE die dicht bij silicium ligt, voorkomt bijvoorbeeld dat de chip tijdens cyclische verwarming loskomt van het lichaam. De selectie van dergelijk materiaal vereist individuele berekening en proefsmelten.

Houd bij het kiezen van een materiaal niet alleen rekening met de thermische fysica, maar ook met de bedrijfsomstandigheden. Als het apparaat in een agressieve omgeving (zeewater, chemische dampen) zal werken, zullen aluminium behuizingen hoogwaardige anodisatie vereisen (laagdikte 20-25 micron), die betrouwbaar hecht aan het oppervlak dat is verkregen met behulp van de verloren wasmethode. Van elke tocht voeren wij een spectrale analyse uit en leveren wij bij de batch een testrapport op, dat voldoet aan de eisen van de ISO 9001:2015 norm.

Ervaring van Wuxi Kaisheng LLC: van energie tot precisie-elektronica

De diepgaande expertise in het werken met non-ferro- en vuurvaste metalen die nodig is voor de productie van uiterst nauwkeurige elektronische behuizingen is gebaseerd op jarenlange ervaring in zware industriële sectoren. Een treffend voorbeeld van een dergelijke competentie zijn de activiteiten van het bedrijfWuxi Kaisheng elektrische energie en petrochemische apparatuur Co., Ltd.. Het bedrijf is gespecialiseerd in het ontwerp en de productie van complexe warmteoverdrachtapparatuur en heeft een unieke expertise ontwikkeld in het gieten en verwerken van titanium, koper-nikkellegeringen (zoals C70600), C46400 scheepsmessing en hooggelegeerde staalsoorten.

De producten van Wuxi Kaisheng, waaronder titanium shell-and-tube-warmtewisselaars, 316 roestvrijstalen gegolfde buizenbundels en luchtkoelers, zijn gecertificeerd volgens de strengste internationale ASME- en PED-normen. Deze normen vereisen onberispelijke afdichting, weerstand tegen extreme druk en temperaturen, en de hoogste corrosieweerstand – eigenschappen die ook van cruciaal belang zijn voor moderne elektronica die in zware omgevingen werkt. Kwaliteitscontroletechnologieën die zijn ontwikkeld bij het maken van componenten voor olieraffinage, scheepsbouw en waterontzilting zijn nu met succes aangepast voor de productie van miniatuurcomponenten. Door nieuwe legeringen te gebruiken en te voldoen aan de regelgeving om de afwezigheid van secundaire onzuiverheden te garanderen, kunnen we oplossingen bieden die industriële betrouwbaarheid combineren met de precisie die vereist is voor micro-elektronica.

Kwaliteitscontrole en certificering in overeenstemming met GOST en ISO

In de toeleveringsindustrie voor elektronica is vertrouwen gebaseerd op documenten en de herhaalbaarheid van resultaten. Onze productie is gecertificeerd volgens het ISO 9001 kwaliteitsmanagementsysteem, dat de traceerbaarheid van elk gietstuk garandeert, van het hittenummer tot de specifieke operator. Om op de EAEU-markten te kunnen werken en naar Europa te kunnen exporteren, is het echter noodzakelijk om rekening te houden met de specifieke kenmerken van industriestandaarden.

Voor de elektronica-industrie is het belangrijkste document GOST RI IEC 60068 (een reeks normen voor het testen op omgevingsinvloeden). Onze behuizingen zijn getest op trillingsbestendigheid en thermische schokken in overeenstemming met deze normen. Er wordt bijzondere aandacht besteed aan het toezicht op de interne netheid. Volgens interne regelgeving gebaseerd op de vereisten van IPC-A-610 mag het niveau van oppervlakteverontreiniging niet hoger zijn dan 10 µg/cm² chloride-ionen. Het overschrijden van deze drempel leidt tot migratie van metalen en kortsluiting onder spanning.

Voor kritische batches maken wij gebruik van niet-destructief onderzoek (NDT). Met röntgeninspectie (RT) kunt u verborgen gaten en scheuren in massieve delen van het lichaam identificeren die niet visueel kunnen worden gedetecteerd. Ultrasoon testen (UT) wordt gebruikt om de integriteit van wanden in zones met dikteovergang te controleren. Statistieken tonen aan dat de introductie van 100% röntgeninspectie voor kritische batches het aantal klachten met 98% vermindert. Een van onze klanten, een fabrikant van luchtvaartelektronica, werd geconfronteerd met een gyroscoopstoring als gevolg van een microscheur in de behuizing die bij visuele inspectie werd gemist. Na de introductie van verplichte RT voor alle producten in deze serie stopten de incidenten.

Alle producten gaan vergezeld van een kwaliteitscertificaat, waarop vermeld staat: de legeringsgraad (met uitsplitsing van de chemische samenstelling), de resultaten van mechanische testen (treksterkte, relatieve rek), hardheidsgegevens en een lekdichtheidsrapport. Voor exportleveringen naar de landen van de douane-unie wordt een conformiteitsverklaring met de CU TR afgegeven. Wij zijn ook bereid uw technische afdeling te auditen om er zeker van te zijn dat onze processen voldoen aan uw interne kwaliteitsnormen.

Kosteneffectiviteit en levertijden

Het berekenen van de kosten van een opdracht voor investeringsgieten bestaat uit verschillende variabelen: de complexiteit van de geometrie, het gewicht van het metaal, het type legering en de batchgrootte. In tegenstelling tot spuitgieten, waarbij de meeste kosten in dure stalen gereedschappen zitten, zijn de kosten hier gelijkmatiger verdeeld. De kosten van een siliconen mal voor het maken van wasmodellen zijn 10-15 keer lager dan die van een stalen mal, wat de methode ideaal maakt voor ontwikkelingswerk (R&D) en kleinschalige productie.

De productietijd voor de eerste pilotbatch bedraagt 14-20 werkdagen. In deze periode is er tijd voor het 3D-modelleren, het maken van een mastermodel, het maken van een siliconen mal, het gieten van was, het opbouwen van keramiek en het daadwerkelijke gieten. Voor reguliere leveringen wordt de cyclus teruggebracht tot 7-10 dagen, omdat er al mastermodellen en technologieën zijn ontwikkeld. De logistiek van eindproducten wordt uitgevoerd in overeenstemming met de eisen voor elektronicaverpakkingen: antistatische bescherming, schokabsorptie en vochtigheidsbeheersing.

De minimale bestelhoeveelheid (MOQ) in onze werkplaats begint vanaf 50 stuks. Dit komt door de economische haalbaarheid van het starten van een oven en het bereiden van keramische materialen. Bij bestellingen van meer dan 500 stuks is er een progressieve schaal van kortingen, die oplopen tot 20% dankzij de optimalisatie van de lay-out van modellen in het cluster en de automatisering van sommige nabewerkingsfasen. We leggen geen onnodige diensten op: als zandgieten voldoende is voor uw project, zullen we daar eerlijk over zijn en u doorverwijzen naar partners, maar voor precisie-elektronica zal ons aanbod op de lange termijn het meest kosteneffectief zijn.

Veelgestelde vragen

Wat is de maximale maatnauwkeurigheid die kan worden bereikt bij het elektronisch vormen van pakketten?

De standaardnauwkeurigheid bij precisiegieten is ±0,05 mm voor de eerste 25 mm lengte en ±0,002 mm voor elke volgende millimeter. Voor elektronische componenten waarbij sleuven voor connectoren cruciaal zijn, raden we aan om alleen op kritische ondergronden een bewerkingstoeslag van 0,2-0,3 mm aan te houden, waarbij de overige oppervlakken in gegoten staat blijven. Het bereiken van hogere toleranties (IT12 en hoger) is mogelijk, maar vereist het gebruik van speciale keramische verbindingen en verhoogt de kosten van het proces met 30-40%.

Is het mogelijk om aluminium behuizingen onmiddellijk na het gieten te galvaniseren?

Ja, het oppervlak van gietstukken verkregen met de verloren wastechnologie is ideaal voor galvaniseren vanwege de lage ruwheid en de afwezigheid van poriën. Voordat zink, nikkel of chroom wordt aangebracht, is echter een oppervlaktevoorbereiding vereist: ontvetten, etsen en zinkaatbehandeling (aanbrengen van een zinkonderlaag). Zonder een onderlaag van zinkaat zal de hechting van de coating aan aluminium zwak zijn en zal deze tijdens thermische cycli beginnen los te laten. Wij voeren de gehele voorbehandelingsketen in eigen huis uit, waarbij we een hechting van minimaal 10 MPa garanderen middels de roostersnijmethode.

Welke beperkingen bestaan er op de minimale dikte van de behuizingswand?

Het is technologisch mogelijk om een wand te gieten met een dikte tot 0,5 mm voor aluminiumlegeringen en tot 1,0 mm voor koperlegeringen. Om de betrouwbaarheid en de afwezigheid van ondervulling te garanderen, raden we in de praktijk echter aan om wanden te ontwerpen die niet dunner zijn dan 1,5-2,0 mm voor aluminium en 2,5-3,0 mm voor koper. Een poging om de dikte onder deze waarden te verminderen zonder het ontwerp van het poortsysteem te veranderen, zal leiden tot meer afval. Als uw ontwerp ultradunne wanden vereist, overweeg dan het gebruik van gespleten onderdelen of diffusielassen.

Hoe lang gaan siliconenwasvormen mee?

Met één siliconen heeft de nieuwe vorm gemiddeld 50-70 wasinjectiecycli nodig, afhankelijk van de complexiteit van de configuratie en de agressiviteit van de werkingsmodus. Hierna moet het formulier worden vervangen, wat 2-3 dagen duurt. Voor langetermijnprojecten vanaf 1000 stuks produceren wij meerdere dubbele matrijzen, waardoor een continue productie zonder stilstand mogelijk is. De mallen worden in speciale containers bij kamertemperatuur bewaard om vervorming te voorkomen.

Werkt u met door de klant aangeleverde grondstoffen?

Wij accepteren door de klant geleverde grondstoffen alleen als er voor elke smelt een kwaliteitscertificaat wordt verstrekt en als er een spectrale analyse wordt uitgevoerd. uit in ons laboratorium. We raden echter ten zeerste aan om onze materialen te gebruiken, omdat we de oorsprong van de blokken (primair aluminium/koper) en de afwezigheid van secundaire onzuiverheden garanderen die de gieteigenschappen kunnen aantasten. Het gebruik van onze grondstoffen geeft een volledige garantie voor de mechanische eigenschappen van het eindproduct in het kader van de leveringsovereenkomst.

Het vervaardigen van elektronische pakketten met behulp van gebrande wasgieten is een complex technisch proces dat uitgebreide expertise op het gebied van materiaalkunde en thermodynamica vereist. Als u in de ontwerpfase de juiste technologie kiest, bespaart u maandenlang debuggen en aanzienlijke financiële middelen. Wij staan ​​klaar om uw project te bespreken, een gratis analyse van de tekeningen uit te voeren op maakbaarheid en de exacte kosten van de batch te berekenen.

Neem vandaag nog contact met ons opom advies te krijgen van een toonaangevende technoloog en een commerciële offerte aan te vragen. We bieden een volledige werkcyclus, van 3D-modellering tot de levering van eindproducten, met een volledig pakket bijbehorende documentatie.Lees meer over de opties voor het gieten van elektronica.