Conformal coating w elektronice - co warto wiedzieć

Wprowadzenie

Urządzenia elektroniczne nie ulegają awarii wyłącznie z powodu błędów w projekcie lub problemów w produkcji urządzenia. Awarie są także spowodowane wpływem środowiska, które bywa znacznie bardziej „kreatywne” niż niejeden inżynier ;-)

Czasami wystarczy jeden „cykl dobowy” zmian temperatury, żeby na płytce PCB pojawiła się kondensacja wilgoci, cienka warstwa wody powodująca uszkodzenie elektroniki. A może drobny pył przewodzący z hali produkcyjnej osiadający na krytycznych obwodach, redukuje rezystancję izolacji o kilka rzędów wielkości. W niektórych zastosowaniach może pojawić się mgła solna („bryza morska”), gazy zawierające siarkę i inne dziwne zjawiska.. Czasami wystarczy wręcz zwykłe zachlapanie, żeby powstała migracja elektrochemiczna. Te mechanizmy uszkodzeń wymagają jedynie kontaktu elektroniki ze środowiskiem oraz nieco czasu..

Z tego właśnie powodu, w elektronice stosuje się między innymi zabezpieczenie powierzchni za pomocą powłok konformalnych (ang. conformal coating), czasami określana potocznie jako lakierowanie płytek PCB.

Zapraszamy do lektury :)

Conformal coating - funkcja

Powłoka konformalna to cienka, elastyczna warstwa polimeru nanoszona na zmontowany moduł (zespół) elektroniczny. Funkcje jakie realizuje conformal coating to:

• Bariera dla wnikania wilgoci. Powłoka redukuje wpływ wilgoci na elektronikę. Nie jest to idealna bariera, jedynie redukuje przenikanie wilgoci, ale mimo wszystko znacząco zwiększa żywotność urządzeń przez „oddalenie w czasie” takich zjawisk jak migracja elektrochemiczna - dendryty, korozja
• Bariera dla zanieczyszczeń. Powłoka konformlna chroni obwody elektroniczne przez bezpośrednim kontaktem z kurzem, pyłem i innymi materiałami obcymi. Większość powłok redukuje także przenikanie gazów zawierających siarkę, co zmniejsza ryzyko wystąpienia korozji pełzającej srebra tj. konwersji srebrnych części komponentów w niepożądany siarczek srebra.
• Zmniejszenie wpływu wibracji. W pewnym zakresie, powłoka zmniejsza wpływ wibracji (drgań) na komponenty oraz na ich połączenia lutowane.
• Redukcja skutków wąsów cynowych W zastosowaniach ADHP (Aerospace, Defense, High Performance) powłoki konformalne są stosowane jako dodatkowa metoda mitygacji dla zjawiska jakim są wąsy cynowe (ang. tin wiskers). Poprawnie dobrana i położna powłoka to bariera mechaniczna blokująca wąsy cynowe przed wzrostem oraz kontaktem z innymi wyprowadzeniami - czyli naruszeniem minimalnych odległości elektrycznych.

O czym należy pamiętać stosując pokrycie konformalne:

• Redukcja wpływu wilgoci, nie jej eliminacja. Powłoka konformalna jest półprzepuszczalna. Każdy polimer ma niezerową przepuszczalność pary wodnej, czyli po odpowiednio długim czasie wilgoć i tak dotrze pod warstwę. To jest kwestia czasu..
• Powłoka konserwuje to, co zastała. Jeżeli pod lakierem zostaną resztki topnika, sole, odciski palców, wilgoć w laminacie itd. to zamiast ochrony powstaje jakby „mikroreaktor” ;-) z własnym elektrolitem i doprowadzonym napięciem.. Czyli w efekcie może powstać korozja - tj. migracja elektrochemiczna (ECM) a czasami w połączeniu z słabej jakości lamiantem - zjawisko CAF. Dlatego czystość PCB oraz niski poziom wilgoci w PCB przed lakierowaniem nie jest więc opcją a wymogiem dla produktów o wysokiej niezawodności.
• Grubość powłoki nie jest jednorodna. Napięcie powierzchniowe, reologia materiału powoduje, lakier spływa z pionowych ścianek komponentów. To redukuje grubość powłoki na ostrych krawędziach, narożnikach obudów i końcówkach wyprowadzeń. Warstwa konformalna jest więc w tych miejschach dużo cieńsza niż na płaskiej powierzchni laminatu. Bardzo cienka warstwa, szczególnie na metalowych krawędziach może nie zapewnić odpowiedniej ochrony i w krótkim czasie powstanie migracja elektrochemiczna. Z drugiej strony: zbyt gruba warstwa może powodować naprężenia na komponenty z powodu niedopasowania współczynników rozszerzalności termicznej „CTE” materiałów. Te naprężenia mogą spowodować pęknięcie połączeń lutowanych albo wręcz pęknięcie obudów komponentów (np. szklanych MELF-ów).
• Wypływ na izolację elektryczną. Powłoki konformlane poprawiają parametry izolacyjne, bo mają większą wytrzymałość elektryczną niż powietrze, jednakże nie należy polegać na powłoce konformalnej jako na metodzie zapewnienia izolacji. Czyli powłoka poprawia nieco wytrzymałość elektryczną „przy okazji”, ale sama z siebie nie powinna być używana jako jedyna forma ochrony. Proszę więc pamiętać, że odpowiednią izolację elektryczną ma zapewnić stosowanie adekwatnych materiałów izolacyjnych oraz zachowanie poprawnego odstępu między obwodami (clearance i creepage) zgodnie z odpowiednimi standardami UL lub IEC.

Rodzaje powłok konformalnych

Przemysł oferuje szereg materiałów, co pomaga dobrać optymalny rodzaj pokrycia w zależności od warunków pracy, metod nakładania, możliwości naprawy i oczywiście kosztów $$$.

Poniższa klasyfikacja powłok jest oparta o IPC-A-610 oraz J-STD-001.[1,2] Standardy IPC określają typy powłok według składu chemicznego. Podział materiałów wygląda więc następująco:

• Akryl (AR). Żywice akrylowe oparte o jednoczęściowy materiał, schnący przez odparowanie rozpuszczalnika. Bezbarwny, twardy, zwykle z dodatkiem znacznika fluorescencyjnego. Zalety: prosty proces, znakomita naprawialność (rozpuszcza się w typowych rozpuszczalnikach — lutownica przechodzi przez warstwę bez większego oporu), dobre właściwości elektryczne, niska cena. Wady: słaba odporność na rozpuszczalniki, aceton i paliwa, umiarkowana odporność temperaturowa, przeciętna bariera dla wilgoci. Grubość wg IPC-A-610J: 25.4-127.0um [0.001-0.005 in].[1,2]
• Epoksyd (ER). Najczęściej dwuskładnikowy, utwardzany termicznie. Twardy, chemoodporny, dobra bariera. Zalety: bardzo duża odporność abrazję, wilgoć oraz rozpuszczalniki, wysoka temperatura pracy (do 150C). Wady: bardzo trudna naprawa (trudne usuwanie twardej warstwy), skurcz przy utwardzaniu i wysokie naprężenia na komponentach. Grubość wg IPC-A-610J: 25.4-127.0um [0.001-0.005 in].[1,2]
• Uretan (UR). Uretan (poliuretan) to jedno- lub dwuskładnikowy materiał. Doskonała odporność chemiczna, mechaniczna i bardzo dobra bariera dla wilgoci. Zalety: odporność na rozpuszczalniki i abrazję, dobre właściwości mechaniczne, niski koszt. Wady: długi czas schnięcia, bradzo trudna naprawa, skurcz przy szybkim utwardzaniu i wysokie naprężenia na komponentach. Grubość wg IPC-A-610J: 25.4-127.0um [0.001-0.005 in].[1,2]
• Silikon (SR). Elastomer o najszerszym oknie temperaturowym, typowo od ok. -60C do +200C i więcej. Zalety: elastyczność, szeroki zakres temperaury pracy, znakomita praca w cyklach termicznych, dobre tłumienie drgań, odporność na wilgoć, bardzo dobre parametry dielektryczne. Wady: miękka powierzchnia i słaba odporność na abrazję, ryzyko migracji siloksanó (np. styki przekaźników), kłopotliwa naprawa. Grubość wg IPC-A-610J: 50.8-203.2um [0.002-0.008 in].[1,2]
• Paraxylen (XY). Poli(p-ksylilen), nanoszony z fazy gazowej w próżni. Zalety: powłoka cienka i równomierna (w pełni konformalna), pokrywa krawędzie oraz szczeliny równomiernie, doskonała bariera i biokompatybilność (implanty, medycyna, MEMS, awionika). Różne warianty mają szeroki zakres temperatury pracy nawet do 350C. Wady: proces kosztowny, wymaga specjalnego sprzętu, ważne maskowanie, brak możliwości poprawki. Grubość wg IPC-A-610J: 10.2-50.8um [0.0004-0.002 in].[1,2]
• Kopolimer styrenowy (SC). Syntetyczna guma (Synthetic rubber copolymers) to materiał oferujący wyjątkową elastyczność w szerokim zakresie temperatur do 150C. Zalety: elastyczny, szeroki zakres temperatrur, duża odporność na wilgoć, dobrze dolega do podłoża, łatwy rework. Wady: Słaba odporność na rozpuszczalniki i paliwo (niektóre rodzaje). Grubość wg IPC-A-610J: 25.4-76.2um [0.001-0.003 in].[1,2]

Metody aplikacji

Nanoszenie powłok konformlanych może być realizowane w oparciu o szereg metod, od najprostszych (pędzlem..), zanurzeniowo, selektywnie (mikro-spray, strumieniowo), aż po nanoszenie próżniowe (dla Paraxylenu).

Więcej o metodach aplikacji przeczytasz wkróce w kolejnym artykule..

Podsumowanie

Wybór odpowiedniego materiału dla pokrycia konformlanego to ważna decyzja, która powinna najpierw uwzględniać wymagania środowiskowe, następnie metodę nanoszenia oraz koszt samego materiału.

Podczas projektowania PCB należy brać pod uwagę wymagania związane z lakierowaniem (np. zapewnić odpowiednie odległości między złączami a innymi, pokrywanymi elementami), dobrać odpowiednią maskę lutowniczą, aby zapewnić dobre zwilżenie i adhezję lakieru, itd.

I na koniec rzecz ważna i często pomijana: powłoka konformalna nie naprawia złego procesu, ona go utrwala. Powłoka nałożona na zabrudzoną, wilgoną płytkę PCB to długoterminowa inwestycja w reklamację :(. Nałożona bez kontroli grubości daje fałszywe poczucie bezpieczeństwa. Nałożona zbyt grubo może uszkodzć niektóre komponenty lub ich połączenia lutowane.

Dobrze dobrany rodzaj pokrycia do danego zastosowania oraz optymalna metoda nałożenia powłoki to jedna z wielu kluczowych decyzji inżyniera projektującego niezawodną elektronikę.