Защитное покрытие - Conformal coating

Конформный материал покрытия представляет собой тонкую полимерную пленку, которая повторяет контуры печатной платы для защиты компонентов платы. Обычно применяется при толщине 25-250 мкм ( микрометров ), применяется в электронных схемах для защиты от влаги, пыли, химикатов и экстремальных температур.

Покрытия можно наносить разными способами, включая нанесение кистью, распыление, дозирование и покрытие погружением. Кроме того, в качестве конформного покрытия можно использовать ряд материалов, таких как акрилы, силиконы, уретаны и парилен. Каждый из них имеет свои особенности, что делает их предпочтительными для определенных сред и производственных сценариев. Большинство фирм, занимающихся сборкой печатных плат, покрывают сборки слоем прозрачного конформного покрытия, которое легче и легче проверять, чем заливка .

Причины использования

Конформные покрытия используются для защиты электронных компонентов от факторов окружающей среды, которым они подвергаются. Примеры этих факторов включают влажность, пыль, соль, химические вещества, изменения температуры и механическое истирание. Удачное конформное покрытие предотвратит коррозию платы . В последнее время конформные покрытия используются для уменьшения образования усов , а также для предотвращения утечки тока между близко расположенными компонентами.

Конформные покрытия являются воздухопроницаемыми, что позволяет влаге, захваченной электронными платами, выходить, сохраняя при этом защиту от загрязнения. Эти покрытия не являются герметиками, и продолжительное воздействие паров приведет к передаче и разложению. Обычно существует четыре класса защитных покрытий: акрил, уретан, силикон и лак. Хотя каждый из них обладает собственными физическими и химическими свойствами, каждый из них может выполнять следующие функции:

• Изоляция: позволяет более близкое расстояние между проводниками
• Устранение необходимости в сложных корпусах
• Минимальное влияние на вес компонентов
• Полная защита сборки от химического и коррозионного воздействия
• Устранение снижения производительности из-за опасностей для окружающей среды
• Минимизация воздействия окружающей среды на сборку печатной платы

Приложения

Precision аналоговых схемы могут пострадать деградированную точность , если изолирующие поверхности загрязняться с ионными веществами , такие как отпечатки пальцев остатков, которые могут стать слабо проводящими в присутствии влаги. (Классическим признаком микрозагрязнения аналоговой печатной платы является резкое изменение характеристик при высокой влажности, например, когда технический специалист дышит на нее). Подходящим образом выбранный материал покрытия может снизить воздействие механических напряжений и вибраций на схему и ее способность работать при экстремальных температурах.

Например, в процессе сборки микросхемы на плате кремниевый кристалл устанавливается на плату с помощью клея или пайки , а затем электрически соединяется с помощью проволочного соединения , обычно с помощью золотой или алюминиевой проволоки диаметром 0,001 дюйма. Чип и провод очень хрупкие, поэтому на них нанесено конформное покрытие, называемое «глобусом». Это предотвращает случайный контакт с повреждением проводов или микросхемы. Еще одно применение защитного покрытия - увеличение номинального напряжения сборки плотной схемы. Изоляционное покрытие может выдерживать гораздо более сильное электрическое поле, чем воздух, особенно на большой высоте.

За исключением парилена , в большинство органических покрытий легко проникают молекулы воды. Покрытие сохраняет характеристики электроники, прежде всего за счет предотвращения попадания ионизируемых загрязняющих веществ, таких как соли , в узлы схемы и их объединения с водой с образованием микроскопически тонкой пленки электролита . По этой причине нанесение покрытия намного эффективнее, если сначала удалить все поверхностные загрязнения с помощью повторяемого промышленного процесса, такого как обезжиривание паром или полуводная промывка. Экстремальная чистота также улучшает адгезию. Точечные отверстия нарушают цель покрытия, поскольку пленка загрязнений вступает в контакт с узлами схемы и образует нежелательные проводящие пути.

Способы нанесения покрытий

Материал покрытия можно наносить различными способами, включая нанесение кистью, распыление, окунание или выборочное покрытие с помощью роботов. В зависимости от материала конформного покрытия доступны различные методы отверждения и сушки. Почти все современные конформные покрытия содержат флуоресцентный краситель, помогающий контролировать покрытие покрытия.

Покрытие кистью

Это происходит путем нанесения материала на плиту и подходит для небольших объемов нанесения, отделки и ремонта. Отделка имеет тенденцию к ухудшению косметического качества и может иметь множество дефектов, таких как пузыри. Покрытие также имеет тенденцию быть толще, если только квалифицированные операторы не нанесут его.

Покрытие распылением

Это покрытие может быть дополнено распылительным аэрозолем или специальной окрасочной камерой с распылительным пистолетом и подходит для обработки малых и средних объемов. Качество отделки поверхности может быть лучше всех других методов, когда квалифицированный оператор завершает процесс, при условии, что печатная плата чистая и покрытие не имеет проблем с адгезией. Нанесение покрытия может быть ограничено из-за 3D-эффектов. Требования к маскировке больше касаются щита, чем барьера, так как проникновение меньше. Отсутствие проникновения может быть проблемой, когда требуется, чтобы покрытие проникало под устройства.

Нанесение распылением может быть одним из наиболее экономически эффективных способов нанесения защитного покрытия, поскольку его можно выполнять на рабочем столе при небольших переделках и ремонтных работах. Этот метод можно использовать в покрасочных камерах для среднего производства.

Одним из ключевых атрибутов распыления является превосходное покрытие наконечника компонентов. Когда конформные покрытия наносятся на печатную плату, они имеют тенденцию к оседанию. Первый слой покрытия может дать тонкую кромку на углах компонентов. Это можно улучшить, нанеся второй слой двойным погружением или нанесением кисти, но это повторяющийся процесс, который может быть неприемлемым. Чтобы устранить эту проблему, можно использовать распыление.

Погружение конформного покрытия

Это покрытие - процесс с высокой повторяемостью. Если печатная плата (PCB) спроектирована правильно, это может быть самая объемная техника. Покрытие проникает повсюду, в том числе под устройствами, поэтому маскировка должна быть идеальной для предотвращения утечки. Поэтому многие печатные платы не подходят для погружения из-за конструкции.

Проблема с покрытием тонкого наконечника, когда материал оседает вокруг острых краев, может быть проблемой, особенно в конденсирующейся атмосфере. Этот эффект покрытия наконечника может быть устранен либо двойным погружением печатной платы, либо использованием нескольких тонких слоев распыления для достижения хорошего покрытия без превышения рекомендованной толщины покрытия. Также может использоваться комбинация двух методов.

Селективное покрытие машинным способом

Этот метод - лучший выбор для приложений с большим объемом. Это быстрый и точный способ нанесения покрытия именно на те участки плиты, где это необходимо.

Он работает с использованием иглы и распылителя распылителя, без распыления или технологии ультразвукового клапана, которые могут перемещаться над печатной платой и распылять / распылять материал покрытия в выбранных областях. Скорость потока и вязкость материала программируются в компьютерной системе, управляющей аппликатором, так что желаемая толщина покрытия сохраняется. Этот метод эффективен для больших объемов при условии, что платы предназначены для этого метода. В процессе выбора покрытия, как и в других процессах, есть ограничения, такие как капиллярные эффекты вокруг низкопрофильных соединителей, которые случайно втягивают покрытие. Требуется опытный оператор.

Качество процесса нанесения покрытия методом погружения или перекрытия и заполнения, а также технологии безраспылительного распыления можно улучшить, применяя и затем выпуская вакуум, когда узел погружен в жидкую смолу. Это заставляет жидкую смолу проникать во все щели, устраняя непокрытые поверхности во внутренних полостях.

Различия в методах нанесения можно увидеть в сравнительной презентации. Выбор метода зависит от сложности покрываемой основы, требуемых характеристик покрытия и требований к производительности.

Метод отверждения и сушки

Защитные покрытия на основе растворителей и воды

Для стандартных акриловых красок на основе растворителей сушка на воздухе (формирование пленки) является нормальным процессом, за исключением случаев, когда скорость имеет важное значение. Затем можно использовать термическое отверждение, используя печи периодического действия или встроенные печи с конвейерами и используя стандартные профили отверждения.

Конформные покрытия на водной основе можно обрабатывать таким же образом, но с большей осторожностью при нанесении тепла из-за более длительного времени высыхания.

УФ защитные покрытия

УФ-отверждение защитных покрытий становится важным для массовых пользователей в таких областях, как автомобилестроение и бытовая электроника.

Такой рост популярности УФ-отверждаемых конформных покрытий объясняется их высокой скоростью отверждения, простотой обработки, экологичностью и устойчивостью к термоциклированию.

УФ-защитные покрытия можно отверждать с помощью дуговых, микроволновых ламп и УФ-светодиодных ламп.

Отверждение под действием влаги

Силиконовые и уретановые смолы отверждаются этим методом. Влага из атмосферы отверждает смолу и образует полимер. Обработка плит занимает от нескольких минут до часа, но для достижения своих окончательных свойств требуется несколько дней.

Толщина и размер

Материал покрытия (после отверждения ) должен иметь толщину 30–130 мкм (0,0012–0,0051 дюйма) при использовании акриловой смолы, эпоксидной смолы или уретановой смолы. Для силиконовой смолы толщина покрытия, рекомендованная стандартами IPC, составляет 50–210 мкм (0,0020–0,0083 дюйма).

Существует несколько методов измерения толщины покрытия, которые делятся на две категории: мокрая пленка и сухая пленка.

Измерение конформного покрытия мокрой пленки

Метод мокрой пленки обеспечивает контроль качества, пока покрытие еще влажное.

Нанесение слишком большого количества покрытия может быть дорогостоящим. Кроме того, измерения влажной пленки полезны для конформных покрытий, где толщину сухой пленки можно измерить только деструктивно или где чрезмерное нанесение конформного покрытия является проблемой.

Измерители влажной пленки наносятся на влажное конформное покрытие; зубцы указывают толщину покрытия. Толщина сухой пленки затем может быть рассчитана на основе измерения.

Измерение толщины конформного покрытия сухой пленки

Альтернативой измерению влажной пленки является использование вихревых токов. Система работает, помещая испытательную головку на поверхность конформного покрытия. Измерение происходит практически мгновенно и обеспечивает немедленный повторяемый результат измерения толщины.

Тестовые купоны являются идеальным методом измерения толщины покрытия и могут быть заархивированы в виде физических записей. Наносите покрытие на тестовые образцы одновременно с тем, как печатные платы обеспечивают постоянную запись толщины покрытия.

Более толстые покрытия или лучше наносимые покрытия могут потребоваться, когда жидкая вода присутствует из-за возможного образования точечных отверстий в покрытии или когда покрытие слишком тонкое на острых краях компонентов из-за плохого нанесения. Это считается дефектом и может быть устранен с помощью соответствующих действий и обучения. Эти методы эффективно «приспосабливают» или «приспосабливают» к компонентам, полностью покрывая их.

Проверка конформного покрытия

Традиционно контроль конформного покрытия проводился вручную. Типичная ситуация: инспектор сидит в кабине и исследует каждую печатную плату под длинноволновой УФ-лампой высокой интенсивности. Инспектор проверяет качество изготовления и соответствие стандартам.

Недавние разработки в области автоматизированного оптического контроля конформных покрытий (AOI) начали решать эти ручные процессы и проблемы. Автоматизированные системы контроля могут быть основаны на камерах или сканерах, поэтому технология может быть адаптирована к проекту.

Выбор конформного покрытия

Выбор материала конформного покрытия должен производиться тщательно и в зависимости от метода нанесения. Неправильный выбор может повлиять на долговременную надежность печатной платы и вызвать проблемы с обработкой и стоимостью.

Наиболее распространенными стандартами конформного покрытия являются IPC A-610 и IPC-CC-830. В этих стандартах перечислены признаки хорошего и плохого покрытия и описаны различные механизмы отказа, такие как обезвоживание и апельсиновая корка.

Другой тип покрытия, называемый париленом , наносится методом вакуумного напыления при температуре окружающей среды. Пленочные покрытия от 0,100 до 76 мкм можно наносить за одну операцию. Преимущество париленовых покрытий в том, что они покрывают скрытые поверхности и другие области, на которые невозможно нанесение спреем и иглой. Толщина покрытия одинакова даже на неровных поверхностях. Требуемые точки контакта, такие как контакты аккумулятора или разъемы, должны быть закрыты воздухонепроницаемой маской, чтобы предотвратить покрытие контактов париленом. Применение парилена - это периодический процесс, который не поддается обработке в больших объемах. Стоимость печатной платы может быть высокой из-за больших капитальных вложений и стоимости партии.

Химия покрытий

Существует множество доступных конформных покрытий. Важно выбрать химический состав покрытия, отвечающий потребностям применения. Ниже приведены пять общих атрибутов для каждого химического состава покрытия.

Акрил

• Легкость доработки
• Простой процесс сушки
• Хорошая влагостойкость
• Высокий уровень флуоресценции
• Легкость регулировки вязкости

Эпоксидная смола

• Полезно примерно до 150 ° C [302F]
• Более твердый твердомер, стойкость к истиранию
• CTE ближе к эпоксидной подложке PCB
• Более высокая Tg (стеклование)
• Хорошие диэлектрические свойства

Полиуретан

• Хорошие диэлектрические свойства
• Хорошая влагостойкость
• Устойчивость к растворителям
• Меньше реверсивный потенциал
• Стойкость к истиранию

Силиконы

• Стабилен в широком диапазоне температур (как правило, от -40 ° C до 200 ° C) [от -40 ° F до 392 ° F]
• Гибкий, обеспечивает демпфирование и защиту от ударов
• Хорошая влагостойкость
• Высокая диэлектрическая прочность
• Низкая поверхностная энергия для лучшего смачивания

Фторированный или нефторированный - поли-пара-ксилилен (парилен)

• Отличная однородность независимо от геометрии детали
• Химическая инертность
• Минимальная добавленная масса и низкое газовыделение
• Низкое воздействие на окружающую среду
• Низкая диэлектрическая проницаемость

Аморфный фторполимер

• Низкая диэлектрическая проницаемость
• Высокая температура стеклования
• Низкая поверхностная энергия
• Низкое водопоглощение
• Устойчивость к растворителям

Основы обработки конформных покрытий представлены в презентации, доступной по адресу:

Существенные соображения

Выбор подходящего материала покрытия - одно из важнейших решений инженера -технолога. Этот критерий включает:

• От чего защищаются? (например, влага, химикаты)
• В каком температурном диапазоне будет работать электрическое устройство?
• Каковы физические, электрические и химические требования к самому материалу покрытия?
• Электрическая, химическая и механическая совместимость с деталями и веществами, на которые наносится покрытие (например, должен ли он соответствовать коэффициенту расширения компонентов микросхемы?)

Ответы определят пригодность того или иного материала, будь то акрил , полиуретан , силикон, эпоксидная смола и т. Д. Процессы, производственные и коммерческие вопросы затем войдут в уравнение:

• Насколько легко можно переделать материал после нанесения?
• Как быстро материал высыхает (полимеризуется)?
• Как быстро можно наносить и сушить материал (время работы)?
• Какой тип процесса и оборудование необходимы для достижения требуемого качества покрытия (однородности и повторяемости)?
• Цена материала.
• Качество поставляемого материала (два производителя акриловых материалов не будут производить материал одинакового качества).

Рекомендации