Schutzlack - Conformal coating

Das konforme Beschichtungsmaterial ist ein dünner Polymerfilm , der sich den Konturen einer Leiterplatte anpasst , um die Komponenten der Leiterplatte zu schützen. In der Regel mit einer Dicke von 25-250 µm ( Mikrometer ) aufgetragen, wird es auf elektronische Schaltungen aufgetragen , um vor Feuchtigkeit, Staub, Chemikalien und extremen Temperaturen zu schützen.

Beschichtungen können auf verschiedene Weise aufgetragen werden, einschließlich Streichen, Sprühen, Dispensen und Tauchbeschichtung. Darüber hinaus können eine Reihe von Materialien als konforme Beschichtung verwendet werden, wie beispielsweise Acryle, Silikone, Urethane und Parylene. Jeder hat seine eigenen Eigenschaften, wodurch er für bestimmte Umgebungen und Fertigungsszenarien bevorzugt wird. Die meisten Leiterplattenmontagefirmen beschichten Baugruppen mit einer transparenten Schutzlackschicht, die leichter und leichter zu prüfen ist als Vergießen .

Gründe für die Verwendung

Schutzlacke werden verwendet, um elektronische Komponenten vor Umwelteinflüssen zu schützen, denen sie ausgesetzt sind. Beispiele für diese Faktoren sind Feuchtigkeit, Staub, Salz, Chemikalien, Temperaturänderungen und mechanischer Abrieb. Eine erfolgreiche Schutzbeschichtung verhindert, dass die Platte korrodiert . In jüngerer Zeit werden konforme Beschichtungen verwendet, um die Bildung von Whiskern zu reduzieren und können auch Stromdurchblutungen zwischen eng positionierten Komponenten verhindern.

Schutzbeschichtungen sind atmungsaktiv, sodass eingeschlossene Feuchtigkeit in elektronischen Platinen entweichen kann und gleichzeitig der Schutz vor Kontamination erhalten bleibt. Diese Beschichtungen sind keine Dichtstoffe, und eine längere Exposition gegenüber Dämpfen führt zu einer Übertragung und einem Abbau. Es gibt typischerweise vier Klassen von Schutzlacken: Acryl, Urethan, Silikon und Lack. Jedes hat seine eigenen spezifischen physikalischen und chemischen Eigenschaften und kann die folgenden Funktionen erfüllen:

  • Isolierung: Ermöglicht engere Leiterabstände
  • Eliminieren Sie die Notwendigkeit komplexer Gehäuse
  • Minimaler Einfluss auf das Bauteilgewicht
  • Schützen Sie die Baugruppe vollständig vor chemischen und korrosiven Angriffen
  • Beseitigen Sie Leistungseinbußen aufgrund von Umweltgefahren
  • Minimieren Sie die Umweltbelastung einer PCB-Baugruppe

Anwendungen

Analoge Präzisionsschaltungen können an Genauigkeit leiden, wenn isolierende Oberflächen mit ionischen Substanzen wie Fingerabdruckresten verunreinigt werden, die in Gegenwart von Feuchtigkeit schwach leitend werden können . (Das klassische Symptom einer Mikroverschmutzung auf einer analogen Platine sind plötzliche Leistungsänderungen bei hoher Luftfeuchtigkeit, zum Beispiel wenn ein Techniker darauf haucht). Eine geeignet gewählte Materialbeschichtung kann die Auswirkungen mechanischer Belastungen und Vibrationen auf die Schaltung und ihre Leistungsfähigkeit bei extremen Temperaturen reduzieren .

Beispielsweise in einer Chip-on-Board - Montage, eine silicium Matrize ist auf der Platine mit einem Klebstoff oder einem montierten Verlöten Prozess, dann elektrisch durch verbundenen Drahtbonden , typischerweise mit .001-Zoll-Durchmesser Gold- oder Aluminiumdraht. Der Chip und der Draht sind empfindlich, daher sind sie in einer konformen Beschichtung namens "Glob Top" eingekapselt . Dadurch wird verhindert, dass ein versehentlicher Kontakt die Drähte oder den Chip beschädigt. Eine weitere Anwendung der Schutzbeschichtung besteht darin, die Nennspannung einer dichten Schaltungsanordnung zu erhöhen . Eine isolierende Beschichtung kann einem viel stärkeren elektrischen Feld standhalten als Luft, insbesondere in großer Höhe.

Mit Ausnahme von Parylene werden die meisten organischen Beschichtungen leicht von Wassermolekülen durchdrungen. Eine Beschichtung bewahrt die Leistungsfähigkeit der Elektronik in erster Linie, indem sie verhindert, dass ionisierbare Verunreinigungen wie Salze die Schaltungsknoten erreichen und sich dort mit Wasser verbinden, um einen mikroskopisch dünnen Elektrolytfilm zu bilden . Aus diesem Grund ist die Beschichtung viel effektiver, wenn zuerst alle Oberflächenverschmutzungen entfernt werden, indem ein hoch wiederholbarer industrieller Prozess wie Dampfentfettung oder halbwässriges Waschen verwendet wird. Auch extreme Sauberkeit verbessert die Haftung. Pinholes machen den Zweck der Beschichtung zunichte, weil ein Schmutzfilm Kontakt mit Schaltungsknoten herstellen und unerwünschte leitende Pfade bilden würde.

Beschichtungsverfahren

Das Auftragen des Beschichtungsmaterials kann durch verschiedene Verfahren erfolgen, beispielsweise durch Streichen, Spritzen, Tauchen oder selektives Beschichten durch Roboter. Je nach Schutzlack stehen unterschiedliche Härtungs- und Trocknungsverfahren zur Verfügung. Nahezu alle modernen Schutzlacke enthalten einen fluoreszierenden Farbstoff, der bei der Prüfung der Beschichtungsabdeckung hilft.

Pinselbeschichtung

Dies funktioniert durch Fluten des Materials auf die Platte und eignet sich für Anwendungen mit geringem Volumen, Finishing und Reparatur. Das Finish neigt dazu, kosmetisch minderwertig zu sein und kann vielen Fehlern wie Blasen unterliegen. Die Beschichtung neigt auch dazu, dicker zu sein, es sei denn, erfahrene Bediener tragen die Beschichtung auf.

Spritzauftrag Beschichtung

Schutzlackierkabine

Diese Beschichtung kann mit einem Sprühaerosol oder einer speziellen Spritzkabine mit Spritzpistole abgeschlossen werden und ist für die Verarbeitung kleiner und mittlerer Stückzahlen geeignet. Die Qualität der Oberflächenbeschaffenheit kann allen anderen Verfahren überlegen sein, wenn ein erfahrener Bediener den Prozess abschließt, vorausgesetzt, die Leiterplatte ist sauber und die Beschichtung weist keine Haftungsprobleme auf. Der Beschichtungsauftrag kann durch 3D-Effekte eingeschränkt sein. Die Maskierungsanforderungen haben eher einen Schildcharakter als eine Barriere, da die Durchdringung geringer ist. Das Fehlen einer Durchdringung kann ein Problem sein, wenn die Beschichtung unter Vorrichtungen eindringen soll.

Die Sprühapplikation kann eine der kostengünstigsten Methoden zum Auftragen von Schutzlack sein, da sie für kleine Nacharbeiten und Reparaturen auf dem Labortisch durchgeführt werden kann. Dieses Verfahren kann in Spritzkabinen für die Produktion im mittleren Maßstab durchgeführt werden.

Eine der wichtigsten Eigenschaften des Sprühnebels ist die exzellente Abdeckung der Düsenspitzen der Komponenten. Wenn konforme Beschichtungen auf eine Leiterplatte aufgebracht werden, neigen sie dazu, abzusacken. Die erste Schicht einer Beschichtung kann an den Ecken von Bauteilen einen dünnen Rand ergeben. Dies kann mit einer zweiten Schicht durch zweimaliges Tauchen oder Bürsten verbessert werden, aber dies ist ein wiederholter Vorgang und kann möglicherweise nicht akzeptabel sein. Um dieses Problem zu beseitigen, kann zerstäubtes Sprühen verwendet werden.

Schutzlacktauchen

Tauchsystem für konforme Beschichtung

Diese Beschichtung ist ein sehr wiederholbarer Prozess. Wenn die Leiterplatte (PCB) richtig ausgelegt ist, kann es sich um die Technik mit dem höchsten Volumen handeln. Die Beschichtung dringt überall ein, auch unter Geräte, daher muss die Maskierung perfekt sein, um ein Auslaufen zu verhindern. Daher sind viele Leiterplatten konstruktionsbedingt nicht zum Tauchen geeignet.

Das Problem der dünnen Spitzenabdeckung, bei der das Material an scharfen Kanten zusammensackt, kann ein Problem darstellen, insbesondere in einer kondensierenden Atmosphäre. Dieser Spitzenabdeckungseffekt kann entweder durch zweimaliges Eintauchen der Leiterplatte oder durch mehrere dünne Schichten zerstäubten Sprühens beseitigt werden, um eine gute Abdeckung zu erzielen, ohne die empfohlenen Beschichtungsdicken zu überschreiten. Es kann auch eine Kombination der beiden Techniken verwendet werden.

Selektive Beschichtung maschinell

Diese Methode ist die beste Wahl für Anwendungen mit hohem Volumen. Es ist eine schnelle und genaue Methode, um die Beschichtung genau an den Stellen der Platte aufzutragen, an denen sie benötigt wird.

Es funktioniert mit einem Nadel- und Zerstäuber-Spray-Applikator, nicht zerstäubtem Spray oder Ultraschallventil-Technologien, die sich über die Leiterplatte bewegen und das Beschichtungsmaterial in ausgewählten Bereichen verteilen / sprühen können. Durchflussraten und Materialviskosität sind in das Computersystem programmiert , um den Applikator zu steuern , so dass die gewünschte Beschichtungsdicke eingehalten wird. Dieses Verfahren ist für große Volumina effektiv, vorausgesetzt, die PCBs sind für das Verfahren ausgelegt. Es gibt Einschränkungen beim Select-Coat-Verfahren wie bei den anderen Verfahren, wie Kapillareffekte um Flachsteckverbinder herum, die die Beschichtung versehentlich aufsaugen. Ein erfahrener Bediener ist erforderlich.

Die Prozessqualität der Tauch- oder Dam-and-Fill-Beschichtung und der nicht zerstäubten Spritztechnologie kann durch Anlegen und Ablassen eines Vakuums verbessert werden, während die Baugruppe in das flüssige Harz eingetaucht wird. Dadurch wird das flüssige Harz in alle Spalten gedrückt und unbeschichtete Oberflächen in inneren Hohlräumen eliminiert.

Die Unterschiede in den Anwendungsmethoden sind in einer Vergleichsdarstellung ersichtlich. Die Wahl des Verfahrens hängt von der Komplexität des zu beschichtenden Substrats, der erforderlichen Beschichtungsleistung und den Durchsatzanforderungen ab.

Aushärtungs- und Trocknungsverfahren

Schutzlacke auf Lösemittel- und Wasserbasis

Bei Standard-Acrylmaterialien auf Lösungsmittelbasis ist die Lufttrocknung (Filmbildung) der normale Prozess, außer wenn Geschwindigkeit entscheidend ist. Dann kann die Wärmehärtung unter Verwendung von Chargen- oder Inline-Öfen mit Förderbändern und unter Verwendung typischer Härtungsprofile verwendet werden.

Wasserbasierte Schutzlacke können auf die gleiche Weise behandelt werden, jedoch mit mehr Sorgfalt bei der Wärmeanwendung aufgrund längerer Trocknungszeiten.

UV-Schutzlacke

UV-Inline-Förderband zum Aushärten von Schutzlacken

Die UV-Härtung von Schutzlacken wird für Großverbraucher in Bereichen wie der Automobil- und Unterhaltungselektronik immer wichtiger.

Diese steigende Popularität von UV-härtbaren Schutzlacken ist auf ihre schnelle Härtungsgeschwindigkeit, einfache Verarbeitung, Umweltfreundlichkeit und Temperaturwechselbeständigkeit zurückzuführen.

UV-Schutzlacke können mit Lichtbogen-, Mikrowellen- und UV-LED-Lampen ausgehärtet werden.

Feuchtigkeitshärtend

Silikon- und Urethanharze werden durch dieses Verfahren gehärtet. Die Feuchtigkeit in der Atmosphäre härtet das Harz aus und bildet ein Polymer. Boards werden zwischen wenigen Minuten und einer Stunde bearbeitet, es dauert jedoch einige Tage, bis sie ihre endgültigen Eigenschaften erreichen.

Dicke und Messung

Das Beschichtungsmaterial (nach dem Aushärten ) sollte eine Dicke von 30–130 μm (0,0012–0,0051 in) haben, wenn Acrylharz, Epoxidharz oder Urethanharz verwendet wird. Für Silikonharz beträgt die von den IPC-Standards empfohlene Beschichtungsdicke 50–210 μm (0,0020–0,0083 in).

Es gibt mehrere Methoden zur Messung der Beschichtungsdicke, die in zwei Kategorien eingeteilt werden: Nassfilm und Trockenfilm.

Messung von konformen Nassfilmbeschichtungen

Nassfilmmessgerät zur konformen Schichtdickenmessung

Das Nassfilmverfahren gewährleistet die Qualitätskontrolle, während die Beschichtung noch nass ist.

Zu viel Beschichtung aufzutragen kann teuer werden. Nassfilmmessungen sind auch für Schutzlacke nützlich, bei denen die Trockenfilmdicke nur destruktiv gemessen werden kann oder bei denen ein übermäßiger Auftrag von Schutzlack ein Problem darstellt.

Die Nassfilmmessstreifen werden auf den nassen Schutzlack aufgebracht; die Zähne geben die Schichtdicke an. Aus der Messung kann dann die Trockenschichtdicke berechnet werden.

Messung der Trockenfilm-Schutzschichtdicke

Trockenfilm-konforme Schichtdickenmessung

Eine Alternative zur Nassfilmmessung ist die Verwendung von Wirbelströmen. Das System funktioniert, indem es den Prüfkopf auf die Oberfläche der Schutzlackierung aufsetzt. Die Messung erfolgt nahezu augenblicklich und liefert ein sofort wiederholbares Ergebnis für die Dickenmessung.

Testcoupons sind das ideale Verfahren zur Schichtdickenmessung, und kann als eine physische Aufzeichnung archiviert werden. Tragen Sie die Beschichtung gleichzeitig auf Testcoupons auf, während die Leiterplatten eine dauerhafte Aufzeichnung der Beschichtungsdicke liefern.

Dickere Beschichtungen oder besser aufgetragene Beschichtungen können erforderlich sein, wenn flüssiges Wasser aufgrund möglicher Pinhole-Bildung in der Beschichtung vorhanden ist oder wenn die Beschichtung an scharfen Kanten von Bauteilen aufgrund von schlechtem Auftrag zu dünn ist. Dies gilt als Mangel und kann durch entsprechende Maßnahmen und Schulungen behoben werden. Diese Techniken "vergießen" oder "passen" sich den Komponenten effektiv an, indem sie sie vollständig abdecken.

Prüfung der konformen Beschichtung

Prüfstand für konforme Beschichtung
Schutzbeschichtung AOI

Traditionell wurde die Prüfung der Schutzlackierung manuell durchgeführt. Eine typische Situation ist ein Prüfer, der in einer Kabine sitzt und jede Leiterplatte unter einer hochintensiven langwelligen UV-Lampe untersucht. Der Inspektor überprüft die ordnungsgemäße Ausführung und die Einhaltung der Standards.

Jüngste Entwicklungen bei der automatischen optischen Inspektion (AOI) mit Schutzbeschichtung haben begonnen, diese manuellen Prozesse und Probleme anzugehen. Automatisierte Inspektionssysteme können kamera- oder scannerbasiert sein, sodass die Technologie an das Projekt angepasst werden kann.

Auswahl der konformen Beschichtung

Die Auswahl des Schutzlackmaterials muss sorgfältig und in Bezug auf das Auftragsverfahren erfolgen. Eine falsche Auswahl kann die langfristige Zuverlässigkeit der Leiterplatte beeinträchtigen und zu Verarbeitungs- und Kostenproblemen führen.

Die gängigsten Standards für Schutzlacke sind IPC A-610 und IPC-CC-830. Diese Normen listen Hinweise auf gute und schlechte Deckkraft auf und beschreiben verschiedene Versagensmechanismen wie Entnetzung und Orangenhaut.

Eine andere Art von Beschichtung namens Parylene wird mit einem Vakuumabscheidungsverfahren bei Umgebungstemperatur aufgebracht . Filmbeschichtungen von 0,100 bis 76 µm können in einem Arbeitsgang aufgetragen werden. Der Vorteil von Parylene-Beschichtungen besteht darin, dass sie verdeckte Oberflächen und andere Bereiche abdecken, in denen Sprüh- und Nadelauftrag nicht möglich ist. Die Schichtdicke ist gleichmäßig, auch auf unregelmäßigen Oberflächen. Gewünschte Kontaktstellen wie Batteriekontakte oder Stecker müssen mit einer luftdichten Maske abgedeckt werden, um eine Beschichtung der Kontakte durch Parylene zu verhindern. Das Auftragen von Parylene ist ein Batch-Verfahren, das sich nicht für eine Massenverarbeitung eignet. Die Kosten pro Leiterplatte können aufgrund der hohen Kapitalinvestitionen und der Kosten pro Charge hoch sein.

Beschichtungschemie

Es gibt viele Chemien von Schutzlacken. Es ist wichtig, eine Beschichtungschemie zu wählen, die den Anwendungsanforderungen entspricht. Nachfolgend sind fünf allgemeine Attribute für jede Beschichtungschemie aufgeführt.

Acryl
  • Einfache Nacharbeit
  • Einfacher Trocknungsprozess
  • Gute Feuchtigkeitsbeständigkeit
  • Hohes Fluoreszenzniveau
  • Einfache Viskositätseinstellung
Epoxid
  • Nützlich bis etwa 150 °C [302F]
  • Härterer Härtegrad, Abriebfestigkeit
  • CTE näher am Epoxid-PCB-Substrat
  • Höherer Tg (Glasübergang)
  • Gute dielektrische Eigenschaften
Polyurethan
  • Gute dielektrische Eigenschaften
  • Gute Feuchtigkeitsbeständigkeit
  • Lösungsmittelbeständigkeit
  • Weniger Reversionspotential
  • Abriebfestigkeit
Silikone
  • Stabil über einen weiten Temperaturbereich (im Allgemeinen -40 °C bis 200 °C) [-40 °F bis 392 °F]
  • Flexibel, bietet Dämpfung und Aufprallschutz
  • Gute Feuchtigkeitsbeständigkeit
  • Hohe Spannungsfestigkeit
  • Geringe Oberflächenenergie für bessere Benetzung
Fluoriert oder nicht fluoriert - Poly-Para-Xylylene (Parylene)
  • Ausgezeichnete Gleichmäßigkeit unabhängig von der Teilegeometrie
  • Chemische Inertheit
  • Minimale Zusatzmasse und geringe Ausgasung
  • Prozess mit geringer Umweltbelastung
  • Niedrige Dielektrizitätskonstante
Amorphes Fluorpolymer
  • Niedrige Dielektrizitätskonstante
  • Hohe Glasübergangstemperatur
  • Niedrige Oberflächenenergie
  • Geringe Wasseraufnahme
  • Lösungsmittelbeständigkeit

Die Grundlagen der Schutzlackverarbeitung finden Sie in einer Präsentation unter:

Materialüberlegungen

Die Auswahl des richtigen Beschichtungsmaterials ist eine der wichtigsten Entscheidungen des Verfahrenstechnikers . Dieses Kriterium umfasst:

  • Wovor wird geschützt? (zB Feuchtigkeit, Chemikalien)
  • Welchen Temperaturbereich wird das elektrische Gerät durchlaufen?
  • Was sind die physikalischen, elektrischen und chemischen Anforderungen an das Beschichtungsmaterial selbst?
  • Elektrische, chemische und mechanische Verträglichkeit mit den zu beschichtenden Teilen und Stoffen (muss sie zum Beispiel dem Ausdehnungskoeffizienten von Chipkomponenten entsprechen?)

Antworten bestimmen die Eignung eines bestimmten Materials, sei es Acryl , Polyurethan , Silikon, Epoxid usw. Prozess-, Produktions- und kommerzielle Aspekte werden dann in die Gleichung einfließen:

  • Wie einfach lässt sich das Material nach dem Auftragen nachbearbeiten?
  • Wie schnell trocknet (härtet) das Material?
  • Wie schnell kann das Material aufgetragen und getrocknet werden (Durchlaufzeit)?
  • Welche Art von Verfahren und Ausrüstung ist erforderlich, um die erforderliche Beschichtungsqualität (Gleichmäßigkeit und Wiederholbarkeit) zu erreichen?
  • Preis des Materials.
  • Qualität des gelieferten Materials (zwei Hersteller von Acrylmaterial werden nicht die gleiche Materialqualität produzieren).

Verweise