Защитное покрытие - Conformal coating

Защитное покрытие материал тонкий полимерный пленка, повторяющая контуры печатная плата для защиты компонентов платы. Обычно применяется при 25-250 мкм^[1](микрометры ) толщину, применяется к электронная схема для защиты от влаги, пыли, химикатов и перепадов 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.^[2]

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 защитное покрытие предотвратит повреждение платы. разъедающий.^[1] В последнее время конформные покрытия используются для уменьшения образования усы,^[3] а также может предотвратить утечку 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 вызовет передачу и разрушение. Обычно существует четыре класса конформных покрытий: акрил, уретан, силикон и лак. Хотя каждый из них имеет свои особые физические и химические свойства, каждый 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 ^[4]

Приложения

Точность аналоговая схема может ухудшиться точность, если изолирующие поверхности загрязнены ионный такие вещества, как остатки отпечатков пальцев, которые могут ослабевать проводящий при наличии влаги. (Классическим признаком микрозагрязнения аналоговой печатной платы является резкое изменение производительности при высокой влажности, например, когда технический специалист дышит на нее). Правильно подобранный материал покрытия может уменьшить воздействие механическое напряжение вибрации в цепи и ее способность работать при экстремальных температурах.

Например, в процессе сборки микросхемы на плате кремний умереть крепится к доске с помощью клея или пайка процесса, затем электрически соединены проводное соединение обычно с золотой или алюминиевой проволокой диаметром 0,001 дюйма. Чип и провод очень хрупкие, поэтому они заключены в конформное покрытие, называемое "шар сверху". Это предотвращает случайный контакт с повреждением проводов или микросхемы. Другое применение конформного покрытия^[5] заключается в увеличении Напряжение рейтинг плотной схемы сборки. Изоляционное покрытие выдерживает гораздо более сильные электрическое поле чем воздух, особенно на большой высоте.

За исключением Парилен, большинство органических покрытий легко проникают через молекулы воды. Покрытие сохраняет характеристики электроники, прежде всего, предотвращая попадание ионизируемых загрязняющих веществ, таких как соли. узлы схемы, и соединяясь там с водой, образуя микроскопически тонкий электролит фильм. По этой причине нанесение покрытия намного более эффективно, если сначала удалить все поверхностные загрязнения с использованием высокопроизводительного промышленного процесса, такого как паровое обезжиривание или полуводная промывка. Исключительная 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 покрытия

Материал покрытия можно наносить различными способами, включая нанесение кистью, распыление, погружение или выборочное покрытие с помощью роботов. В зависимости от материала конформного покрытия доступны различные методы отверждения и сушки. Практически все современные конформные покрытия содержат флуоресцентный краситель, помогающий контролировать степень покрытия.^[6]

Покрытие кистью

Это работает 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.^[7] Покрытие также имеет тенденцию быть толще, если только квалифицированные операторы не нанесут его.^[8]

Покрытие распылением

Камера для распыления конформного покрытия

Это покрытие может быть дополнено распылительным аэрозолем или специальной окрасочной камерой с распылительным пистолетом и подходит для обработки малых и средних объемов.^[9] Качество отделки поверхности может быть лучше, чем у 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, если 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 ремонтах. Этот метод можно применять в окрасочных камерах для среднего производства.^[8]

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 окунанием или кистью, но это повторяющийся процесс, который может быть неприемлемым. Чтобы устранить эту проблему, можно использовать распыление.

Погружение конформного покрытия

Система погружения конформного покрытия

Это покрытие - процесс с высокой повторяемостью. Если печатная плата (PCB) спроектирована правильно, это может быть самая объемная техника.^[9] 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 можно устранить двойным погружением печатной платы или несколькими тонкими слоями 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 большого объема. Это быстрый и точный способ нанесения покрытия именно на те участки плиты, где это необходимо.^[10]

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. Расходы и материал вязкость запрограммированы в компьютерную систему, управляющую аппликатором, так что желаемая толщина покрытия сохраняется.^[11] Этот метод эффективен для больших объемов при условии, что платы предназначены для этого метода. Есть ограничения в выборе процесса нанесения покрытия.^[12] как и другие процессы, 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 выталкивает жидкую смолу во все щели, устраняя непокрытые поверхности во внутренних полостях.

Различия в методах нанесения можно увидеть в сравнительной презентации.^[13] 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.^[14]^[15]

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

Линейный УФ конвейер для отверждения защитных покрытий

УФ-отверждение конформных покрытий становится важным для массовых пользователей в таких областях, как автомобильная и бытовая электроника.^[16]

Этот рост популярности УФ-отверждаемых конформных покрытий объясняется их высокой скоростью отверждения, простотой обработки, экологичностью и устойчивостью к термоциклированию.^[17]

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

Отверждение влажностью

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 лечение ) должна 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

Измеритель влажной пленки для измерения толщины конформного покрытия

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 может быть рассчитана на основе измерения.

Измерение толщины конформного покрытия сухой пленки

Альтернативой измерению влажной пленки является использование вихревых токов. Система работает путем размещения испытательной головки на поверхности конформного покрытия. Измерение происходит практически мгновенно и обеспечивает немедленный повторяемый результат измерения толщины.

Тест купоны являются идеальным методом измерения толщины покрытия и могут быть заархивированы как физическая запись. Наносите покрытие на тестовые образцы одновременно с тем, как печатные платы обеспечивают постоянную запись толщины покрытия.

При наличии жидкой воды могут потребоваться более толстые или более качественные покрытия из-за возможного образования точечных отверстий в покрытии.^[7] или когда покрытие слишком тонкое на острых краях деталей из-за плохого нанесения. Это считается дефектом и может быть устранен с помощью соответствующих шагов и обучения. Эти методы эффективно «горят» или «приспосабливаются» к компонентам, полностью покрывая их.^{[нужна цитата ]}

Проверка конформного покрытия

Кабина для контроля конформного покрытия

Конформное покрытие AOI

Традиционно проверка конформного покрытия проводилась 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 камере или сканере, поэтому технология может быть адаптирована к проекту.

Выбор конформного покрытия

Выбор материала конформного покрытия должен производиться тщательно и в зависимости от метода нанесения.^[18]^[19] Неправильный выбор может повлиять на долговременную надежность печатной платы и вызвать проблемы с обработкой и стоимостью.

Самый распространенный^{[нужна цитата ]} стандарты для конформного покрытия - IPC A-610^[20] и IPC-CC-830.^[21] В этих стандартах перечислены признаки хорошего и плохого покрытия и описаны различные механизмы отказа, такие как: обезвоживание^[22] и апельсиновой корки.^[23]

Другой вид покрытия называется парилен применяется с вакуумное напыление процесс 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. Желаемые точки контакта, такие как аккумулятор Контакты или разъемы должны быть закрыты воздухонепроницаемой маской, чтобы парилен не покрыл контакты. Применение парилена - это периодический процесс, который не поддается обработке в больших объемах. Стоимость печатной платы может быть высокой из-за больших капиталовложений 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.^[24]^[25]

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
Меньший потенциал реверсии
Сопротивление истиранию

Силиконы

Стабилен в широком диапазоне температур (как правило, от -40C до 200C) [от -40F до 392F]
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 низкая дегазация
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:^[26]

Существенные соображения

Выбор правильного материала покрытия - одна из Инженер-технолог самые важные решения. Этот критерий включает:^[27]

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, должно ли оно соответствовать коэффициент расширения компонентов микросхемы?)

Ответы определят пригодность того или иного материала, будь то акрил, полиуретан, силикон, эпоксидная смола и т. д. Технологические, производственные и коммерческие вопросы будут включены в уравнение:

Насколько легко можно переделать материал после нанесения?
Как быстро материал сохнет (застывает)?^[28]
Как быстро можно наносить и сушить материал (время работы)?^[28]
Какой тип процесса и оборудование необходимы для достижения требуемого качества покрытия (однородности и повторяемости)?^[29]
Цена материала.^{[нужна цитата ]}
Качество поставляемого материала (два производителя акриловых материалов не будут производить материал одинакового качества).^{[нужна цитата ]}