Використання захисних покриттів при виготовленні виробів електронної техніки

Размещено на http://www.allbest.ru/

Український науково-дослідний інститут спеціальної техніки та судових експертиз Служби безпеки України

ВИКОРИСТАННЯ ЗАХИСНИХ ПОКРИТТІВ ПРИ ВИГОТОВЛЕННІ ВИРОБІВ ЕЛЕКТРОННОЇ ТЕХНІКИ

Часник Д.В., Франков О.С.

Вступ

Ефективність захисних покриттів залежить від їхньої здатності протидіяти кліматичним стресовим навантаженням. З цією метою потрібно проводити дослідження різних типів впливів на виріб: від повітря високої вологості до випадання роси. При виготовленні виробів електронної техніки застосовують звичайні захисні покриття (що містять у своєму складі до 50% розчинників), товстоплівкові покриття (лаки з високим вмістом сухих речовин за об'єму розчинника менш як 15-20%, або, в ідеальному випадку, матеріали, які не містять розчинника), а також тиксотропні захисні покриття, які забезпечують краще покриття країв без порушення капілярних властивостей, необхідних для заповнення простору під компонентами. Також використовують матеріали, що відповідають підвищеним вимогам захисту електронних збірок.

Виклад основного матеріалу

Захисні покриття призначені для захисту електронних збірок, що працюють у несприятливому середовищі. Насамперед, ці покриття забезпечують електричну ізоляцію елементів; зокрема, вони забезпечують захист виробу від впливу вологи з повітря, а також від різних хімічних речовин.

Вимоги, що стосуються стійкості до кліматичного впливу, за своєю природою пов'язані з механічними та/або електричними властивостями, які повинні зберігатися в найрізноманітніших умовах. Кліматичні навантаження як параметри довкілля, що зазвичай діють на електронну збірку під час її роботи. До таких належать:

- підвищена/знижена вологість повітря;

- підвищена/знижена температура;

- знижений атмосферний тиск;

- швидка зміна кліматичних факторів;

- випадання роси;

- мікробіологічне навантаження;

- забруднення.

Основна вимога, що висувається до електронної апаратури високої надійності, - це її функціональна надійність в умовах випадання роси і впливу інших кліматичних факторів. Особливо сильний вплив створює поєднання підвищеної температури і підвищеної вологості повітря, відоме за так званим тестом 85/85 (вплив на зразки температури 85°С при відносній вологості повітря 85%).

Під час роботи у звичайних кліматичних умовах на виріб завжди впливає атмосферна волога. Захисне покриття перебуває в стані рівноваги з водяною парою в повітрі. Оскільки всі полімери проникні для парів, у них завжди міститься деяка кількість вологи, яка може поступово накопичуватися. При підвищенні температури та/або збільшенні вологості повітря концентрація вологи зростає. У цих випадках порушення рівноваги води, розчиненої в полімері, і тиску водяної пари в повітрі є вирішальним фактором.

За відносної вологості повітря близько 40% на поверхні починають утворюватися дуже тонкі плівки води на молекулярному рівні, а за відносної вологості повітря близько 60% - плівки з товщиною шару до чотирьох молекул. Плівки такої товщини вже можуть взаємодіяти з вологопоглинаючими забрудненнями на поверхні друкованої плати.

За відносної вологості повітря 80% утворюються шари товщиною приблизно в десять молекул і на поверхні можуть розчинятися солі та відбуватися іонні процеси. На практиці електронна апаратура працює в ширшому діапазоні вологості.

В умовах відносної вологості близько 40-70% експлуатація зазвичай відбувається без проблем. За рівня вологості близько 70% ймовірність нормальної експлуатації сильно знижується. При подальшому підвищенні вологості негативний вплив вологопоглинання стає помітним і проявляється у вигляді збільшення струмів витоку. Можуть з'являтися перші ознаки випадання роси або конденсації вологи, оскільки досягається критичний рівень відносної вологості. Для надійної роботи в умовах випадання роси рекомендується наносити захисне покриття.

Вплив вологи різко посилюється під час випадання роси, що відбувається при досягненні тиску насиченої пари за даної температури. Якщо холодний компонент розміщується в теплій атмосфері, повітря, що знаходиться поруч із компонентом, охолоджується. Оскільки холодне повітря може містити менше парів води, ніж тепле, надлишкова волога конденсується й осідає на компоненті у вигляді крапель. Небезпека переходу в стан, що лежить нижче точки роси, особливо висока за зниженої температури від 0 до +10 °C.

При випаданні роси волога, що міститься в полімері, вже перебуває в рівновазі не з водяною парою повітря, а з конденсованою водою на поверхні. Фактори, що діють тепер, можна об'єднати поняттям "осмос".

Осмос - це процес односторонньої дифузії через напівпроникну мембрану молекул розчинника в бік більшої концентрації розчиненої речовини (меншої концентрації розчинника). Ці ефекти можуть призводити до набухання покриття, викликати різке зниження величини електричного опору, призводити до утворення пустот. Такі процеси вимагають особливої уваги як до попередньої обробки друкованої плати перед нанесенням захисного покриття, так і до вибору матеріалу покриття.

Вплив постійної температури, навіть за високої відносної вологості повітря 90-98%, не викликає ефекту випадання роси. У разі перекриття діапазону зміни температури вологість повітря переналаштовується, і залежно від характеристик пристрою випадання роси або виключається, або стає порівняно короткочасною фазою. Як обтяжувальну обставину, потрібно розглядати вплив різного роду забруднень і шкідливих речовин, як-от мастильні матеріали, пальне, мастила тощо.

Класифікація захисних покриттів.

Щоб визначити особливості захисних покриттів, призначених для застосування в електроніці, можна скористатися різними системами класифікації, залежно від аспектів, на яких необхідно зосередити увагу. У загальному випадку їх можна класифікувати таким чином:

- за принципом сушіння або затвердіння;

- за складом розчинника;

- за хімічною основою сполучної речовини.

Інший спосіб класифікації матеріалів покриттів, тобто лаків і покриттів, - це їхній поділ за вмістом розчинників:

- звичайні класичні лаки;

- лаки з високим вмістом сухого залишку;

- лаки, що не містять розчинника.

Зазвичай захисні покриття, що використовуються для нанесення на електронні збірки, - це безбарвні або пофарбовані прозорі лаки без наповнювача. Останнім часом все частіше зустрічаються нові, так звані товстоплівкові лаки.

Кліматичні умови, за яких працює відповідальна електроніка, характеризуються підвищеним рівнем агресивності та навантаження. Деякі широко поширені покриття не забезпечують необхідного захисту. Цей недолік насправді спричинений не недостатньою ефективністю або якістю полімерів чи сполучних речовин, а скоріше вже нанесеним шаром звичайної товщини, при цьому важливу роль відіграє покриття на краях виводів компонентів.

Що стосується нових товстоплівкових лаків, то з'являються екологічні рішення. Наприклад, система TWIN-CURE, що не містить розчинника і характеризується унікальним механізмом затвердіння, або нові вологостійкі силіконові лаки, що не містять розчинника. Обидві лакові системи дозволяють отримати товщину покриття 200 мкм і більше за одну операцію.

Захисні покриття на водній основі.

З 1995 року захисні покриття на водній основі застосовуються все більш широко. Дійсно, однокомпонентні покриття на водній основі повинні бути класифіковані як лаки, що фізично висихають, однак, завдяки своїм специфічним властивостям (значно кращій стійкості до впливу хімічних речовин, ніж у більшості звичайних однокомпонентних лакових систем, що містять розчинник), їх необхідно розглянути окремо. В однокомпонентних ізолюючих і захисних покриттях органічні розчинники були майже повністю замінені водою. Вони містять спеціальні сполучні речовини, які добре розчиняються у воді. Навіть за малого відсоткового співвідношення органічних плівкоутворювальних речовин з низькою летючістю (<10%), принципово важливих для утворення лакових плівок, їх враховують як так звані VOC (леткі органічні сполуки). Після затвердіння лакова плівка стає стійкою до впливу розчинника, на відміну від звичайних лаків, що фізично висихають, наприклад акрилових.

Одна зі специфічних переваг захисних покриттів на водній основі, крім їхніх чудових діелектричних властивостей і високої стійкості під час роботи в умовах підвищеної вологості, - це їхня екологічність і пожежна безпека, а також швидка полімеризація за кімнатної температури.

З викладених вище причин спостерігається зростаюча потреба в таких лакових системах. Однак під час використання цих лаків слід дотримуватися деяких обмежень.

Оскільки ці лакові системи містять воду, вони не підходять для збірок із вбудованими акумуляторними батареями через електричну провідність. Залежно від компонування та покриття функціональна перевірка збірки одразу після нанесення покриття може бути ускладнена або навіть неможлива, також через вміст води. Слід врахувати, що такі матеріали неможливо зберігати за мінусової температури.

Аналіз товстоплівкових покриттів.

Якщо проаналізувати широко поширені покриття, то в загальному випадку справедливо, що плівки покриттів висихають тим повільніше, чим вони товщі. Це також справедливо для подвійного покриття, час нанесення якого значно зростає. Якщо наступні шари нанесені неякісно, існує додаткова небезпека утворення складок або відшаровування. Крім того, такі рішення не ідеальні по відношенню до директиви VOC, що готується до випуску, яка спрямована на реєстрацію і зниження кількості використовуваних розчинників.

Інші рішення включають використання лакових систем з високим вмістом сухого залишку, але навіть такі лаки вимагають підвищеного часу сушіння, незважаючи на менший вміст розчинника. Тут також велика товщина шару сповільнює випаровування розчинника з плівки. Звичайно, матеріали покриттів, що не містять розчинників, - це розумне рішення з технічного та екологічного погляду; їхня хімічна основа відома як заливальні компаунди і заливальні смоли. Недоліки заливальних смол і заливальних компаундів добре відомі: оскільки це здебільшого двокомпонентні системи, для них характерна значно вища в'язкість, ніж для захисних покриттів, а процес нанесення займає більше часу через їхню двокомпонентну природу.

Звичайні лаки з УФ-затвердінням відрізняються тим, що можуть мати низьку в'язкість, вони зазвичай не містять розчинників і швидко висихають. Однак вони мають серйозний недолік: звичайні лаки з УФ-затвердінням висихають тільки в тих місцях, де УФ-випромінювання прямо потрапляє на лак. У тіньових областях затвердіння відбувається дуже повільно, при цьому лакова система не забезпечує достатній захист. Ба більше, ці ділянки не тільки послаблюють захисну дію, а й можуть навіть спричиняти порушення працездатності всієї збірки, особливо під час жорстких кліматичних впливів, наприклад, під час випадання роси. Часто для таких продуктів рекомендують після затвердіння виконувати термообробку за температури понад 100 °C, щоб ініціювати затвердіння плівки і в тіньових областях. Це обмежує застосування систем подібного типу, і частково тому доводиться знову звертатися до традиційних покриттів.

Про систему TWIN-CURE.

Якщо застосовуваний товстоплівковий лак має велику кількість недоліків, можна пошукати товстоплівковий лак без них. Це нова лакова система TWIN-CURE (Зареєстрована торгова марка компанії Lackwerke Peters) [1].

Система TWIN-CURE заснована на двох процесах затвердіння, що доповнюють один одного. У першій фазі система TWIN-CURE піддається УФ-полімеризації і, через дуже короткий проміжок часу (менш як 60 с), твердне до такої міри, що можна продовжувати працювати з виробом і навантажувати його. У другій фазі полімеризації, більш повільній, відбувається хімічне "зшивання" структури лаку, особливо в тіньових ділянках, тобто там, де "зшивання" не може бути ініційоване УФ-світлом. Поліуретани полімеризуються за рахунок дифузії вологи з повітря в полімер. Таким чином, відбувається затвердіння покриття в тіньовій області. За допомогою цієї лакової системи можна отримати товщину шару від 60 до 200 мкм на краях виводів компонентів та ідеальну товщину шару в діапазоні 80-100 мкм на плоских поверхнях.

Безсумнівно, тут може йтися про реальне товстоплівкове покриття, яке одночасно забезпечує і високу стійкість, і технологічність сушіння. Оскільки до складу системи TWIN-CURE не входять жодні розчинники, вона є ідеальним рішенням у зв'язку з майбутнім виходом європейської директиви щодо VOC, а також з точки зору кращого захисту електронного пристрою.

Таким чином, проміжок між заливальними компаундами і звичайними захисними покриттями був закритий як у плані економічної перспективи, так і з точки зору підвищеного захисту.

Товстоплівкові покриття з високою в'язкістю також здатні заповнювати проміжок під SMD-компонентами, завдяки так званому капілярному ефекту. Капілярний ефект створюється змочуванням рідини в капілярі (проміжку) за рахунок поверхневого натягу. Під час нанесення покриття на збірку, якщо потрібне підзаливання, необхідно переконатися, що є достатній час і можливість виходу повітря з-під компонента.

Завдяки повному затіканню рідини під компонент, з одного боку, виключається можливість утворення повітряних порожнин під компонентами. Такі порожнечі можуть неоднозначно проявляти себе під час кліматичного впливу на виріб. З іншого - забезпечується надійний тепловий контакт компонента з основою друкованої плати. Відомо, що теплопровідність захисного покриття, що приблизно дорівнює 0,3 Вт/мК, не дуже висока, але, тим не менш, вона набагато вища за теплопровідність повітряного проміжку (близько 0,03 Вт/мК).

Усі розглянуті тут товстоплівкові покриття з УФ-затвердінням не містять розчинника; як наслідок, у заповнених лаком ділянках не відбувається значної об'ємної усадки, при цьому об'єм під компонентом залишається повністю залитим після затвердіння, і, найголовніше, висновки компонента залишаються повністю герметизованими. Ця особлива властивість систем покриттів, що не містять розчинника, забезпечує кращу герметизацію виводів компонента і оптимальне покриття країв.

Через їх високу в'язкість порівняно з класичними захисними покриттями не всі методи нанесення покриттів можна застосовувати або прямо переносити без доопрацювання. Тут переважно використовувати селективне нанесення. Регулювання в'язкості за рахунок додавання розчинника для таких матеріалів покриттів недоцільно. Проте, можна зменшувати в'язкість, підвищуючи температуру матеріалу. Як показує досвід, підвищення температури на 10 K повинно зменшувати в'язкість наполовину або, відповідно, таке ж зменшення температури буде подвоювати її. Підкреслимо, як важливо застосовувати лак при якомога більш постійній температурі.

Силіконові захисні покриття.

Протягом тривалого часу силіконові покриття не користувалися успіхом як захисні покриття для електроніки, принаймні в Європі. Останнім часом цій групі матеріалів почали приділяти підвищену увагу. Поряд з добре відомою температурною стабільністю, силіконові покриття мають низку інших особливостей.

Завдяки своїй базовій структурі Si-O-Si-O, силіконовий полімер вирізняється високою мобільністю сегментів, що зумовлює низку незвичайних властивостей. Висока мобільність сегментів полімеру спричиняє підвищення еластичності.

Дуже важливий висновок випливає з аналізу цього коефіцієнта пружності при циклічному тепловому навантаженні. На змонтованій друкованій платі спостерігається невідповідність різних коефіцієнтів теплового розширення (базового матеріалу, міді, припою, компонентів). Різні коефіцієнти теплового розширення викликають напруження під час циклічного теплового навантаження. Такі наведені впливом тепла сили в силіконових лаках зведені до мінімуму. Товстоплівкові покриття на основі силікону, які не містять розчинників, доступні, з одного боку, як покриття з тепловим затвердінням і додатковим зшиванням - близько 15 хв за температури +110 °C - і, з іншого боку, як товстоплівкові покриття, які затверджуються під дією вологи. Обидві системи покриттів забезпечують відмінну вологостійкість навіть при високій температурі; гідролітична стійкість і незаймистість - це дві найважливіші складові для вибору силіконових товстоплівкових покриттів. Ще одна їхня перевага полягає в тому, що їх можна легко наносити за допомогою звичайного обладнання. Однак слід зазначити, що подібно до інших покриттів, що не містять розчинників, вони мають здатність розчиняти газ, наприклад стиснене повітря. Це слід враховувати при подачі матеріалу в установках селективного нанесення покриттів.

Тиксотропні захисні покриття.

Терміни "тиксотропія" і "структурна в'язкість" описують явище, за якого в'язкість системи знижується під дією зовнішньої сили. Якщо в'язкість продовжує падати під дією постійної сили/зсуву, говорять про тиксотропію, але якщо вона залишається постійною, говорять про структурну в'язкість. (Чудовий приклад падіння в'язкості після докладання сили - це пляшка кетчупу, яку треба добряче струсити, щоб отримати рідкий продукт).

В електроніці тиксотропні матеріали насамперед застосовуються під час локальної заливки (dam and fill). Однак у сфері захисних покриттів тиксотропні системи також мають певні переваги. Добре відома проблема стікання матеріалу на виводах компонентів з гострими краями може бути значно згладжена або навіть виключена. Коли товщина шару зменшується лише до кількох мкм при покритті dip-виводів не тиксотропною системою, дбайливо виконане нанесення тиксотропного матеріалу дає змогу створити практично гладку плівку. Те саме справедливо для захисту важкодоступних областей, наприклад, тильного боку виводів компонентів або області під компонентами. Зазвичай це досягається за допомогою капілярного ефекту.

Користуючись захисними покриттями спеціального складу, можна домогтися гарного компромісу між якісним покриттям країв і одночасним розтіканням.

Тиксотропні захисні покриття також можна наносити за методом dam and fill, взятого з технології заливальних матеріалів. Якщо використання методу повної заливки не дає змоги створити чіткий контур і обмежити розтікання лаку, то метод локальної заливки забезпечує чіткіші межі. Цей метод можна також застосовувати в разі пред'явлення спеціальних вимог при селективному нанесенні. Він насамперед застосовується для захисту від потрапляння лаку в такі місця, як роз'єми або компоненти, що не покриваються. Тиксотропні покриття, що використовуються для локальної заливки, дуже густі і не можуть використовуватися для покриття "країв" і проникнення під компоненти. У цьому випадку чинять так: наносять тиксотропне покриття навколо компонента (створюється дамба), що не дає розтікатися звичайному лаку. Потім в обмежену область наносять звичайний матеріал зі значно меншою в'язкістю, тим самим забезпечується якісний захист і проникнення лаку під компонент. Під час нанесення тиксотропних матеріалів потрібно звертати особливу увагу на те, що такі матеріали через свою високу в'язкість і велику товщину шару здатні повністю закупорювати простір під компонентами, що може негативно позначитися на результатах термоциклювання. З цієї причини не рекомендується наносити такий матеріал безпосередньо на виводи мікросхем.

Висновки

захисний покриття кліматичний стійкість

Використання рішень, розглянутих вище, дасть змогу виробнику застосовувати захисні покриття в залежності від особливостей виробів, що виготовляються, включаючи насиченість електронними компонентами, їх габаритних розмірів, чутливості до певних хімічних сумішей та інше. Важливо користуватися тільки тими матеріалами, які спеціально розроблені для цієї мети. Як захисний матеріал слід використовувати тільки ті продукти, у яких фізичні та електричні характеристики подібні до характеристик захисних покриттів.

Список використаних джерел

1. TWIN-CURE, Peters: URL: https://amth.de/en/products/peters/twin-cure (дата звернення: 03.03.24).

Размещено на Allbest.ru