Choose another country or region to see content specific to your location.

Технологические статьи

Технологические статьи

Защитные покрытия сборок на печатных платах

EN FR DE BR Тэги: Защитные покрытия лаки и эмали

Только что произведенные и отмытые сборки на печатных платах, как правило, хорошо функционируют с электрической точки зрения, однако их рабочие характеристики быстро ухудшаются вследствие адсорбции атмосферной влаги, загрязнения поверхности ионизированными материалами из воздуха, электростатического притягивания пыли к поверхности, конденсации и прочих процессов. Чтобы избежать подобных проблем, на сборки для более требовательных применений на заключительном этапе производства зачастую наносятся защитные покрытия.

Защитные покрытия обычно наносятся на печатные платы методом окунания или распыления с типичной толщиной от 20 до 50 мкм, хотя традиционные силиконовые и другие специализированные покрытия могут наноситься с толщиной до 100 мкм. При малой программе выпуска и в опытном производстве покрытия могут просто наноситься кистью. Предотвращая загрязнение поверхности, они помогают предупредить коррозию проводников и паяных соединений, а также уменьшить рост дендритов между проводниками, что ведет долговременному улучшению рабочих характеристик в результате сокращения эрозии проводников и одновременной минимизации возникновения коротких замыканий. Применение защитных покрытий особенно важно для изделий, размещаемых в подкапотном пространстве автомобилей, а также для изделий военной, аэрокосмической и промышленной отраслей, и в особенности для тех изделий, которые критически важны с точки зрения обеспечения безопасности.

Следует помнить, что защитные покрытия, тем не менее, обладают рядом ограничений. Любое загрязнение, присутствующее на поверхности перед нанесением защитного покрытия, будет инкапсулировано и может вызвать проблемы в долгосрочном периоде. Среди таких загрязнений можно выделить отпечатки пальцев, остатки флюсов, влагу и прочие атмосферные загрязнения. Чтобы обеспечить оптимальные рабочие характеристики на длительный срок, перед нанесением защитных покрытий сборки должны быть подвергнуты отмывке и просушены. Даже при использовании т.н. «безотмывочных» флюсов отмывка сборок перед нанесением покрытий обычно улучшает рабочие характеристики и увеличивает надежность в долгосрочном периоде. Защитные покрытия обычно не столь эффективны в обеспечении защиты изделий в условиях, предусматривающих значительные воздействия жидкой воды (в отличие от водяного пара), особенно, если вода содержит ионизированные материалы. При таких применениях обычно требуется защищать плату с помощью заливки или герметизации – это практически без исключений обеспечит гораздо более высокий уровень защиты, чем тот, который могут предоставить защитные покрытия. Заливка обычно более дорогостояща, чем нанесение защитных покрытий, а также несет в себе значительный недостаток в тех случаях, когда необходимо учитывать вес изделия.

К идеальному защитному покрытию предъявляются эксплуатационные требования, среди которых хорошие электрические характеристики, низкая проницаемость для влаги, хорошая стойкость к воздействию химических веществ и механическая прочность. Оно должно обладать хорошей адгезией к базовым материалам плат, паяльному резисту, меди и припоям, а также к ряду материалов, используемых в устанавливаемых на платы компонентах. Для многих изделий важны хорошие тепловые характеристики, а также сохранение эластичности при низких температурах с хорошим сохранением механических свойств при повышенных температурах. Среди типовых испытаний, которым могут подвергаться сборки с защитными покрытиями, можно отметить долговременное испытание нагревом во влажной среде, испытание на стойкость к воздействию соляного тумана, тепловому удару и термоциклированию. Где это необходимо, также могут выполняться испытания на стойкость к воздействию химических веществ и на воспламеняемость.

В том, что касается характеристик нанесения, идеальное защитное покрытие будет однокомпонентным (двухкомпонентные системы крайне неудобны в использовании), будет обладать длительным временем жизни в ванне, низкой температурой отверждения или сушки, а также малым временем высыхания. Могут упоминаться различные времена высыхания – время, через которое покрытие становится нелипким при касании, время сквозного высыхания, когда весь растворитель испарился по всей толщине слоя покрытия, а также время отверждения, когда материал становится полностью сшитым поперечными связями. Вязкость материала должна легко регулироваться, чтобы ее можно было оптимизировать под применяемое оборудование. При использовании материалов на основе растворителей высокое содержание твердых веществ будет сводить к минимуму испарение растворителя и уменьшит проблемы с охраной окружающей среды. Поможет минимизировать такие проблемы и оборудование, допускающее использование материалов с высокой вязкостью.

Одним из недостатков традиционных жидких защитных покрытий является то, что они недостаточно хорошо покрывают острые пики и ребра компонентов – в таких областях покрытие значительно более тонкое или вовсе отсутствует. Этот эффект носит неформальное наименование «сползание с ребер» и вызывается действием сил поверхностного натяжения. Несомненно, что следует избегать или подрезать пики припоя – выводы компонентов, изготовленные из проволоки круглого сечения, будут покрываться лучше по сравнению с изготовленными штамповкой из плоского листа. Сползание покрытия с ребер можно минимизировать, уделяя особое внимание вязкости защитного покрытия – несколько тонких слоев дадут в результате лучшее покрытие острого ребра, чем попытка нанести один толстый слой. Компания Электролюб разработала специальное защитное покрытие с наполнителем – материал DCRT, который предназначен для нанесения с толщиной порядка 100 мкм. Это дает улучшенное покрытие острых ребер по сравнению с тем, что можно получить от традиционных жидких покрытий-компаундов.

Защитные покрытия с химической точки зрения обычно подразделяются на несколько рассмотренных ниже типов.

Акриловые покрытия, такие как материалы HPA или APL от компании Электролюб, практически без исключений состоят из термопластичного акрилового полимера, растворенного в смеси органических растворителей. Так как такое покрытие высыхает при помощи простого испарения растворителя, поперечное сшивание материала не производится. Это означает, что акриловые покрытия могут размягчаться при высоких температурах, а также могут легко удаляться с помощью растворителя при необходимости ремонта сборки. Обычно в качестве базового материала применяются растворители с низкой температурой кипения, что ведет к быстрому достижению отсутствия клейкости при касании и малому времени сквозного высыхания. Время жизни в ванне весьма продолжительно, так как испарившийся растворитель можно легко долить, поддерживая тем самым желаемую вязкость. Растворители горючи, и покрытия этого типа находятся под давлением со стороны постоянно ужесточающегося законодательства по охране окружающей среды в вопросах, касающихся выбросов растворителя в атмосферу. Стойкость к воздействию влаги у покрытий этого типа находится на хорошем уровне, однако стойкость к органическим растворителям сравнительно невысока.

Conformal coating of printed circuit boards

Эпоксидные покрытия обычно очень твердые, часто непрозрачные, и в общем случае демонстрируют превосходную стойкость к воздействиям влаги и химических веществ. Они обычно поставляются в виде двухкомпонентных материалов, вследствие чего значительно менее удобны для потребителя, чем покрытия прочих типов. Характер этого типа покрытия, предусматривающий поперечное сшивание материала, означает превосходные механические характеристики и износостойкость, однако отвержденное покрытие практически невозможно удалить с платы и, соответственно, ремонт может стать большой проблемой.

Уретановые покрытия демонстрируют свойства, схожие с характеристиками эпоксидных покрытий, при даже более высокой износостойкости. Еще раз отметим хорошую прочность и стойкость к воздействию растворителей, однако задействованное в этих покрытиях поперечное сшивание затрудняет удаление покрытия и ремонт платы.

Силиконы охватывают большое семейство различных материалов, обладающих широким спектром свойств и характеристик. Традиционные силиконовые покрытия могут варьироваться от прочных износостойких материалов до мягких эластомерных покрытий, вызывающих крайне низкие уровни напряжений в платах и их компонентах. Отверждение может производиться либо с нагревом, либо холодным методом (отверждение при комнатной температуре, обычно с помощью реакции с атмосферной влагой, вызывающей поперечное сшивание). Силиконовые алкиды, такие как материал DCA от компании Электролюб, прочны и реализуют хороший баланс механических, электрических и химических свойств – степень поперечного сшивания увеличена с помощью теплового отверждения с целью придания материалу максимальной стойкости к воздействию растворителей и химических веществ. Все силиконовые покрытия по сравнению с прочими типами покрытий отличаются очень хорошими рабочими характеристиками при высоких температурах.

Разработаны также и другие типы специализированных покрытий. УФ-отверждаемые покрытия могут быстро отверждаться в рамках технологической линии при помощи воздействия излучения УФ-ламп – эти покрытия особенно хорошо подходят для больших объемов производства сборок. Экранированные от УФ-излучения области под компонентами могут отверждаться медленно, вызывая т.н. эффект затенения, который можно свести к минимуму, изменив химический состав с целью внедрения процесса дополнительного отверждения под воздействием тепла или влаги. В этих т.н. системах двойного отверждения выполняется быстрое начальное УФ-отверждение основной массы покрытия с последующим более медленным дополнительным отверждением в затененных областях. Химический состав УФ-отверждаемых материалов ограничивает до некоторых пределов рабочие характеристики отвержденных покрытий – обычно их свойства не так хороши, как у заслуженных материалов на основе растворителей.

Conformal coating of printed circuit boards

Защитные покрытия на водной основе были разработаны в ответ на возрастающее давление со стороны защиты окружающей среды, направленное против использования органических растворителей. Они склонны к более медленному высыханию и т.н. «растрескиванию ила» при увеличении площади покрытия. Следует еще раз упомянуть, что химический состав этого типа покрытий может ограничить рабочие характеристики окончательно отвержденного покрытия.

Существует один весьма специализированный процесс нанесения покрытий, полностью отличный от всех описанных выше – это париленовый процесс, изначально разработанный компанией Union Carbide. Ди-п-ксилилен подвергается пиролизу при температуре около 650°С в высоковакуумной среде. Полученный в результате мономер полимеризуется на всех присутствующих поверхностях в высоковакуумной среде, создавая очень равномерное покрытие без проколов. Данный процесс означает, что сборка, в составе которой присутствуют компоненты с острыми ребрами и пики припоя, покрывается очень равномерно – все традиционные процессы с применением жидких покрытий, как уже было упомянуто выше, приводят к существенному утонению покрытия на ребрах и пиках из-за действия сил поверхностного натяжения. Париленовый процесс также очень эффективен с точки зрения покрытия нижней стороны у компонентов сборки там, где есть зазор между платой и компонентом. Тем не менее, париленовый процесс, как ожидается, будет значительно дороже по сравнению с традиционными процессами нанесения покрытий. Возможно изменение химического состава, приводящее либо к созданию покрытий с улучшенным пробивным напряжением или же, в качестве альтернативы, к покрытиям с повышенной термостойкостью.

К защитным покрытиям применяется множество различных стандартов. Наиболее важными из них являются стандарты МЭК 61086-1/2/3, IPC-CC-830 и UL 746E. Стандарт IPC-CC-830 вышел из документа MIL-I-46058, который и заменил в настоящее время. Стандарт DEF-STAN 59-47 (Великобритания) более не актуален. Здесь уместно обсудить некоторые из самых важных характеристик защитных покрытий – типовые свойства, значения которых можно найти в паспортах покрытий. Упоминаемые испытания взяты из стандарта МЭК 61086, который устанавливает три класса для защитных покрытий с возрастающими по жесткости критериями приемки. Эти классы следующие: изделия общего назначения (Класс 1), изделия с высокими требованиями к надежности (Класс 2) и аэрокосмические изделия (Класс 3).

Conformal coating of printed circuit boards

Пробивное напряжение – это напряжение, при котором происходит электрический пробой между параллельными проводниками, расположенными на стандартном расстоянии друг от друга на испытательном Y-образном шаблоне. Сопротивление изоляции представляет собой сопротивление между двумя электродами на стандартном испытательном шаблоне – электроды состоят из перемежающихся гребенчатых шаблонов, где чередующиеся «зубцы» гребенки подключены к положительному либо отрицательному электроду. Y-образный и гребенчатый шаблон часто совмещаются на одной испытательной плате (см. рис. выше). Испытания покрытий на эластичность выполняются при помощи сгибания медного листа с покрытием вокруг 3-мм или 6-мм оправки и проверки на какое-либо растрескивание покрытия или образование сетки волосяных трещин в нем. Испытания на плеснестойкость может выполняться на стеклянной панели с покрытием. Испытания на воспламеняемость проводятся с помощью покрытия тестового образца из материала печатной платы (обычно FR-4) с последующим подверганием его конца воздействию стандартного пламени. Существуют установленные критерии успешного прохождения испытания с точки зрения времени горения и затухания пламени; также указывается максимально допустимая дистанция, пройденная огнем.

Могут также выполняться и дополнительные климатические испытания с использованием стандартной испытательной платы с покрытием, содержащей Y-образный и гребенчатый шаблоны. Среди них – испытания на тепловой удар и термоциклирование в заданном диапазоне температур, после которых проводится визуальная оценка на предмет отсутствия отшелушивания и отслоения покрытия. Также проводится испытание нагревом во влажной среде, после которого поверхностное сопротивление должно превышать 109 Ом, также определяется и включается в отчет пробивное напряжение. Для покрытий изделий Класса 2 проводится испытание на воздействие соляного тумана, а для Класса 3 – испытание на воздействие холода, пониженного атмосферного давления, а также испытание нагревом во влажной среде.

В паспортах защитных покрытий можно обнаружить и другие электрические характеристики. Диэлектрическая прочность представляет собой напряжение, при котором происходит электрический пробой пленки покрытия перпендикулярно к ее плоскости. Также могут указываться диэлектрическая проницаемость и тангенс угла потерь – низкая диэлектрическая проницаемость материала покрытия может быть важна для покрытия предварительно настроенных схем. Высокое значение диэлектрической проницаемости может вызвать отдельные нежелательные ёмкостные эффекты между проводниками на поверхности, располагающимися близко и параллельно друг другу – это может изменить характеристики уже настроенной схемы. Сравнительный индекс трекингостойкости может стать приближенным показателем того, насколько легко произойдет отказ защитного покрытия в результате трекинга – обычно это обусловлено деструкцией поверхности покрытия и образованием проводящих углеродных дорожек под воздействием высоких напряжений.

В заключении мы рассмотрим методы и оборудование, предлагаемые для нанесения защитных покрытий. Существует множество поставщиков оборудования для нанесения защитных покрытий окунанием – доступен широкий выбор как по ценам, так и по уровню сложности. В случае окунания важно тщательно управлять скоростью вынимания изделия, так как она определяет толщину покрытия – чем меньше эта скорость, тем тоньше будет результирующее покрытие. Толщина покрытия также определяется и другими факторами, среди которых вязкость, содержание твердых частиц и температура раствора покрытия. Сборки на печатных платах обычно окунаются вертикально, однако более сложное оборудование может обладать возможностью наклонять плату относительно вертикали на различных этапах процесса, чтобы наилучшим образом достичь требуемой толщины покрытия. Обычно на плате присутствует ряд областей – например, разъемы или прочие места электрического контакта – которые не должны покрываться. Если они располагаются ниже требуемого уровня погружения, то потребуется маскирование платы с помощью ленты или отслаиваемой защитной маски – это дорогостоящая и затратная по времени операция.

В последние несколько лет активно развивается оборудование для нанесения покрытий распылением. Теперь возможно распылить покрытие на плату только в требуемых областях, устраняя тем самым необходимость в маскировании. Разработки привели к появлению методов нанесения пленочных покрытий и покрытий в виде закрученной струи, что в результате дало возможность работать с расширенным диапазоном вязкости и повысило точность операции нанесения покрытий. Сочетание данного вида оборудования для нанесения покрытий с линией УФ-отверждения или ИК-печами позволяет организовать высокопроизводительный выпуск сложных сборок на печатных платах.

Что принесет будущее для защитных покрытий? В настоящее время трудно сопоставить рабочие характеристики заслуженных покрытий на основе растворителей с более новыми технологиями. Мы предвидим ужесточение давления в части охраны окружающей среды, направленное против испускания органических растворителей в атмосферу с последующим влиянием на глобальное потепление, общее загрязнение окружающей среды и образование смога. [По запросу компания Электролюб предоставляет статью, обобщающую требования новейшей Европейской директивы о выбросах растворителей (European Solvent Emissions Directive).] Такое давление вынуждает как совершенствовать меры по улавливанию и восстановлению паров растворителя, так и продолжать разработки покрытий с УФ-отверждением и покрытий на водной основе с тем, чтобы улучшить их рабочие характеристики и приблизить их к свойствам традиционных материалов на основе растворителей. Мы также будем наблюдать дальнейшие шаги к разработке как покрытий с более высоким содержанием твердых частиц, так и, в конечном итоге, не содержащих растворителей покрытий.

Дж. Ф. Хамфрайз (J. F. Humphries)