Conformal coating w elektronice - metody nanoszenia

Wprowadzenie

Conformal coating to często stosowana metoda ochrony obwodów elektronicznych przed wilgocią, zanieczyszczeniami oraz korozją. Ogranicza także ryzyko zwarć wywołanych przez wąsy cynowe, oraz przy odpowiednim doborze materiały poprawia także odporność na wibracje.

Funkcje oraz rodzaje pokryć konformalnych zostały omówione w poprzednim artykule Conformal Coating w elektronice - co warto wiedzieć. W tym artykule przedstawiam metody nanoszenia powłok.

Zapraszam do lektury :)

Zanim nałożysz powłokę

Przed nałożeniem powłoki konformlanej, należy najpierw zadbać o następujące aspekty:

• Adhezja do podłoża. Zapewnienie dobrej adhezji pokrycia do podłoża (do PCB i komponenów) to kluczowy aspekt. Pozostałości topnika, sole i inne zanieczyszczenia na powierzchni redukują tą adhezję, więc bardzo ważne jest minimalizowanie zanieczyszczeń. Czasami występuje zjawisko dewettingu (wtórnego braku zwilżenia) lakieru z powodu za niskiej "swobodnej energii powierzchniowej" (ang. Surface Free Energy - SFE) soldermaski.
• Czystość jonowa. Niektóre z pozostałości mogą doprowadzić do migracji elektrochemicznej (ECM) pod lakierem, co popularnie określane jest jako "dendryty" lub "korozja". Dlatego należy zadbać o jak najwyższy poziom czystości płytek oraz o minimalny poziom zawilgocenia. Idealnie jeżeli płytki są myte i następnie suszone przed nałożeniem pokrycia - jednakże takie kompleksowe podejście jest stosowane zazwyczaj w aplikacjach o wysokiej niezawodności.
• Maskowanie. Obszary wyłączone z pokrycia, takie jak: złącza, punkty testowe, elementy regulacyjne itp. powinny być jasno zdefiniowane w dokumentacji montażowej. Idealnie byłoby, aby maskowanie nie było potrzebne, ale to zależy od projektu płytki oraz metody nakładania. Maskowanie jest więc często stosowaną operacją i niesie ze sobą różne zagrożenia jakościowe: brak lub nieprawidowa pozycja maskowania, wpływ pozostałości na czystość jonową, zanieczyszczenia po usunięciu maski, uszkodzenia mechaniczne PCB i komponentów podczas usuwaniu maski itp.
• Warunki otoczenia w czasie pokrywania. Temperatura i wilgotność względna w obszarze nakładania powłoki oraz jej utwardzania to bardzo ważny aspekt. Monitorowanie i kontrola tych parametrów jest więc ważnym elementem profesjonalnego procesu lakierowania.

Metody nakładania conformal coatingu

Pokrycie konformalne może być nałożone na moduł elektroniczny przy użyciu różnych metod, od najprostszych manualnych aż po zaawansowane automaty podające lakier w ściśle określony sposób. Poniżej lista typowych metod aplikacji:

Pędzlem (manualnie)

To najprostsza i najtańsza metoda, nadająca się do napraw, prototypów i bardzo krótkich serii. Zalety to niski koszt narzędzi a wadą jest pracochłonność, duża zmienność grubości nałożonej warstwy, smugi, pęcherze, czasami zanieczyszczenia z pędzla.. itd.

Natrysk (manualnie)

Metoda szybsza niż nakładanie pędzlem, jednakże nadal oparta o pracę operatora. Zaletą jest niski koszt narzędzi, a wady to: niepowtarzalny proces, duży rozrzut grubości, efekt cienia za wysokimi elementami (należy natryskiwać pod kątem i w kilku przejściach) oraz narażenia operatora na opary lakieru (BHP). Dodatkowo metoda natryskowa powoduje utratę dużej części materiału, który nie zostanie napylony na płytkę.

Zanurzeniowo

Płytka jest zanurzana i wyciągana ze zbiornika z lakierem. Prędkość zanurzenia i wynurzenia powinna być ściśle kontrolowana (automatycznie). Zalety: doskonałe pokrycie obu stron PCB, brak szczelin, wysoka powtarzalność przy stabilnej lepkości materiału. Typowe problemy to: konieczna ścisła kontrola lepkości materiału bo odparowanie rozpuszczalnika zmienia grubość powłoki "z partii na partię". Utrudnieniem jest także konieczność szczelnego maskowania obszarów, które nie mogą być zalane w czasie zanurzenia oraz nierówne zacieki lakieru na krawędzi PCB.

Selektywnie

Nakładanie lakieru selektywnie, czyli w określonych obszarach na PCB. Taki efekt osiąga się za pomocą automatu z odpowiednim zaworem dozującym materiał. Stosowane są różne rozwiązania techniczne, szczególnie w zakresie zaworów / dysz. Zalety to: wysoka precyzja nanoszenia, minimalne straty materiału, bardzo dobra wydajność. Wadą jest początkowy większy koszt inwestycji w dobrej jakości maszynę. Bardzo ważnym aspektem jest odpowiedni dobór zaworu/dyszy do materiału i wymagań PCB. Typowe rozwiązania:

• Mikro-natrysk (ang. micro spray, ultra-fine spray, precision low-pressure spray valve, select spray). Zawór atomizuje lakier natryskując go na płytkę. Stosuje się niskie ciśnienie oraz mały przepływem materiału.
• Kurtyna (ang. film coating, film valve). Materiał jest wypuszczany z dyszy w formie cienkiej kurtyny (ściany) lakieru. Dobór dyszy pozwala ustalić optymalną szerokość kurtyny i grubość pokrycia. Dodatkowo obecnie dopracowana jest metoda kontroli w pętli sprzężenia zwrotnego, stosująca laser do pomiaru szerokości kurtyny regulująć ciśnienie / przepływ lakieru. Pozwala to na utrzymanie stałej szerokości kurtyny czyli osiągamy większą precyzję położenia i grubości nałożonej powłoki.
• Igła (ang. Needle dispense, needle valve). Metoda przeznaczona dla trudnych miejsc, w zasadzie to "nalewanie lakieru", tam gdzie wymagana jest duża precyzja, niewielka ilość lakieru, trudno-dostępne miejsca, podawanie gęstego lakieru, maskowanie, podawanie żelu, itd.
• Spirala (swirl valve/mode). Materiał jest dawkowany za pomocą wirującej spirali. To rozwiązanie jest bardziej precyzyjne niż podawanie igłą, dobrze odcina lakier, nie powoduje rozchlapywania lakieru.
• Strumieniowo (ang. jetting valve). Materiał jest wyrzucany "wystrzeliwany" z dyszy za pomocą szybkiego mechanizmu mechanicznego / piezoelektrycznego. To powoduje generowanie erii "mikro-dawek" materiału, który opuszcza dyszę w kontrolowany sposób, bez atomizacji (bez rozpylania). W tym rozwiązaniu dysza może być wyżej nad płytką i jest małe ryzyko uderzenia w PCB lub w komponenty. Ta metoda pozwala na bardzo precyzyjne podawanie lakieru w obszary trudno dostępne jednocześnie unikając obszarów, które muszą być wolne od pokrycia.

Osadzanie z fazy gazowej (CVD)

Osadzanie z fazy gazowej - Chemical Vapor Deposition (CVD) to proces stosowany do nanoszenia parylenu. Ten proces składa się z trzech głównych etapów:

• Sublimacja. Surowiec (ang. dimer di-para-xylylene) w formie proszku jest umieszczany w komorze niskiego ciśnienia i podgrzewany do temperatury pozwalającej na przejście materiału ze stanu stałego w stan gazowy (sublimacja). Temperatura tego proces to zakres 70-200°C, typowo 150-175°C.
• Piroliza. Uprzednio otrzymany gaz jest dalej podgrzewany do ok. 650-700C, co powoduje rozpad dimerów na mniejsze cząsteczki - monomery para-ksylilenu (ang. monomer para-xylylene).
• Polimeryzacja, nałożenie. Monomer (w formie gazowej) jest wprowadzany do komory próżniowej, gdzie znajdują się płytki elektroniczne. Temperatura w tej komorze ma zakres typowy dla temperatury pokojowej. W tej komorze dochodzi do polimeryzacji, powstaje poly(para-xylylene). Cząsteczki materiału równomiernie osiadają na całej dostępnej powierzchni płytki, na wyprowadzeniach komponentów i pionowych ścianek itd. Tempo osiadania polimeru to typowo 1-5µm na godzinę, więc np. warstwa 25µm wymaga od kilku do kilkunastu godzin trwania procesu.

Podsumowanie

Powłoki konformalne pozwalają na podniesienie niezawodności modułów elektronicznych. Warunkiem sukcesu jest odpowiedni dobór materiału, przygotowanie powierzchni (czystość, warunki pracy) oraz zastosowanie optymalnej metody nakładania.

Dla produkcji o wysokiej jakości należy skupiać się na niezawodnych, precyzyjnych systemach aplikacji pokryć. Szczególnie należy zwrócić uwagę na dobrze dobrany rodzaj zaworu oraz odpowiednie metody kontroli procesu.