© janaka dharmasena dreamstime.com_technical
Analizy |
Lakierowanie ochronne płytek drukowanych cz. 2
Jakie są typy lakierów ochronnych i jakim normom podlegają? Oto druga część artykułu technicznego na temat conformal coating.
Lakiery ochronne pod względem chemicznym można podzielić na kilka różnych typów, takich jak:
Akrylowe, takie jak produkty Electrolube HPA czy APL, składają się z akrylowych polimerów termoplastycznych rozpuszczonych w mieszaninie rozpuszczalników organicznych. Takie lakiery schną przez zwykłe odparowanie rozpuszczalnika bez procesu sieciowania. Oznacza to, że lakiery akrylowe miękną w podwyższonej temperaturze ale także są łatwo usuwalne przez rozpuszczenie, co umożliwia naprawę płytek. Zwykle stosuje się nisko-wrzące rozpuszczalniki co wiąże się z szybkim schnięciem. Okres przydatności jest zazwyczaj bardzo długi ponieważ odparowane rozpuszczalniki można łatwo uzupełnić do wymaganej lepkości. Rozpuszczalniki są palne a poza tym tego rodzaju lakiery są pod obstrzałem krytyki z uwagi na coraz większe restrykcje legislacyjne odnośnie emisji rozpuszczalników do atmosfery. Lakiery takie są odporne na wilgoć ale nie odporne na rozpuszczalniki organiczne.
Epoksydowe są w zasadzie bardzo twarde, najczęściej nieprzezroczyste i charakteryzują się doskonałą odpornością na wilgoć i chemikalia. Występują zazwyczaj jako systemy dwuskładnikowe co czyni je mniej wygodnym dla użytkownika niż inne typy lakierów. Z uwagi na występujący proces sieciowania są one odporne na ścieranie i wytrzymałe mechanicznie ale usunięcie ich z płytki po utwardzeniu jest prawie niemożliwe. Tym samym naprawa uszkodzonej płytki staje się dużym problemem.
Poliuretanowe mają podobne własności do epoksydowych, ale są jeszcze bardziej odporne na ścieranie. Tu również wytrzymałość mechaniczna, odporność na wilgoć i rozpuszczalniki jest bardzo dobra, a usieciowana natura tych pokryć utrudnia usunięcie i naprawę płytek.
Lakiery silikonowe obejmują szeroką gamę produktów o zróżnicowanych własnościach. Tradycyjne pokrycia silikonowe stanowią materiały zarówno bardzo odporne na ścieranie jak i bardzo elastyczne co wiąże się z niskimi naprężeniami występującymi na płytce i jej elementach. Utwardzanie tych lakierów następuje albo pod wpływem podwyższonej temperatury albo zachodzi w temperaturze pokojowej w reakcji z wilgocią atmosfery.
Materiały silikonowo-alkidowe, jak np. produkt Electrolube DCA, charakteryzują się doskonałymi własnościami mechanicznymi, elektrycznymi i chemicznymi- w tym przypadku stopień usieciowania jest poprawiony przez ogrzewanie, co dodatkowo poprawia odporność mechaniczną i chemiczną. Wszystkie materiały silikonowe zazwyczaj mogą pracować w wyższych temperaturach niż inne rodzaje pokryć.
Istnieją też inne specjalistyczne typy pokryć lakierowych. Lakiery UV mogą być utwardzane błyskawicznie poprzez ekspozycję na światło UV, tego rodzaju pokrycia są szeroko stosowane przy masowej produkcji płytek. Miejsca pod elementami zasłonięte od promieniowania UV utwardzają się wolniej dając tak zwany „efekt cienia”. Można to zminimalizować poprzez zmiany chemiczne umożliwiające także proces sieciowania termicznego lub pod wpływem wilgoci. Wtórne utwardzanie następuje wolniej w miejscach zacienionych. Własności materiałów utwardzanych światłem UV są jednak nie tak dobre jak te w przypadku materiałów rozpuszczalnikowych.
Pod wpływem protestów związanych z negatywnym wpływem rozpuszczalników na środowisko zostały opracowane i wdrożone lakiery na bazie wodnej. Mają one jednak tendencję do zbyt wolnego odsychania, a pokrycia osiągają zbyt dużą grubość. Poza tym cechy chemiczne pokryć tego typu ograniczają ich zastosowanie.
W tym miejscu nie można nie wspomnieć o produkcie firmy 3M Novec Electronic Coating EGC-1700, stanowiącym 2%-owy roztwór fluoroakrylowego polimeru rozpuszczonego we fluorowodoroeterze. Jest on niepalny, niskotoksyczny i spełnia wysokie wymagania przemysłu elektronicznego w zakresie ochrony środowiska. Grubość powłoki przy powlekaniu przez zanurzenie wynosi tylko 1 mikrometr. Lakier ten tworząc powłokę o niskiej energii powierzchniowej zapewnia doskonałą barierę wobec olejów węglowodorowych, silikonowych, płynów syntetycznych oraz roztworów wodnych i chroni skuteczniej od powłok polietylenowych i teflonowych.
Istnieje jeden bardzo specyficzny rodzaj sposobu lakierowania płytek, całkowicie różny od opisanych dotychczas. Jest to proces „parylenowy” opracowany przez firmę Union Carbide.
Związek zwany di-p-ksylylen jest poddawany pirolizie w temperaturze około 6500C pod wysoką próżnią. Powstały monomer polimeryzuje na wszystkich powierzchniach obecnych w środowisku próżni wytwarzając bardzo równomierną, pozbawioną jakichkolwiek minipor powłokę. W ten sposób płytki zawierające ostre krawędzie i kolce lutownicze są równo pokrywane, w przeciwieństwie do wszystkich innych wspomnianych wcześniej lakierów. Proces ten jest także bardzo efektywny przy pokrywaniu spodnich stron elementów na płytce, gdy występuje szczelina pomiędzy płytką i elementem. Lakierowanie „parylenowe” jest jednak bardzo drogie w porównaniu do metod konwencjonalnych. Możliwe są także chemiczne modyfikacje tego procesu prowadzące do poprawy własności dielektrycznych albo alternatywnie do lepszej stabilności termicznej pokryć.
Ocena pokryć ochronnych podlega różnorodnym normom. Najważniejsze z nich to IEC 61086-1/2/3, IPC-CC-830 i UL 746 E. Norma IPC-CC-830 wywodzi się z MIL-I-46058 i obecnie ją zastępuje . Brytyjska norma DEF-STAN 59-47 nie jest już aktualna.
W tym miejscu należałoby przedyskutować niektóre z najważniejszych własności typowych dla pokryć ochronnych znajdujące się zazwyczaj na kartach technicznych. Norma IEC 61086 rozróżnia trzy klasy pokryć ochronnych ze wzrastającymi wymogami oceny przydatności.
Klasa 1 obejmuje pokrycia płytek ogólnego użytku, klasa II wysokiej niezawodności i klasa III przeznaczone dla lotnictwa.
Napięcie przebicia stanowi wielkość napięcia, przy którym następuje przebicie elektryczne pomiędzy równoległymi ścieżkami przy znormalizowanej odległości na testowym wzorcu Y.
Opór izolacyjny to opór pomiędzy dwiema elektrodami na znormalizowanym wzorcu testowym- elektrody stanowią przeplatany wzór grzebieniowy, którego zęby są połączone przemiennie do elektrody dodatniej i ujemnej. Wzór Y i wzór grzebieniowy występują zwykle łącznie na jednej płytce testowej (Rys,1). Testy elastyczności pokryć przeprowadza się na polakierowanej blaszce miedzianej zaginanej wokół trzpienia 3 lub 6 mm i obserwacji pęknięć i rys pokrycia. Testy podatności na pleśń można przeprowadzać na polakierowanym panelu szklanym. Testy palności wykonuje się na polakierowanych próbnych pałeczkach z materiału płytki , których końce wprowadza się do znormalizowanego płomienia. Czas palności po usunięciu płomienia stanowi kryterium dopuszczalności – w ten sposób określa się także maksymalną dopuszczalną odległość wędrówki płomienia.
Przy użyciu pokrytych płytek z wzorcem Y i grzebieniowym można wykonać jeszcze wiele innych testów mających znaczenie dla ochrony środowiska. Obejmuje to np. cykliczne obciążenia termiczne i testy na szok termiczny pomiędzy wyspecyfikowanymi temperaturami – kolejno po każdym teście stwierdza się czy wystąpiły złuszczenia lub rozwarstwienia pokrycia lakierowego. Przeprowadza się także testy cieplno – wilgotnościowe -kolejne opory izolacyjne muszą być większe niż 109 ohma a napięcie przebicia jest także rejestrowane.
Dla klasy 2 przeprowadza się test we mgle solnej a dla klasy 3 testy na mróz, niskie ciśnienie atmosferyczne i cieplno-wilgotnościowe.
W kartach technicznych dla lakierów ochronnych występują także inne własności elektryczne.
Wytrzymałość dielektryczna jest wartością napięcia przy której następuje przebicie elektryczne powłoki lakierniczej, prostopadle do płaszczyzny powłoki. Podaje się także oporność objętościową i powierzchniową. Także stałą dielektryczną i współczynnik stratności dielektrycznej – niska stała dielektryczna materiału lakierniczego jest istotna przy lakierowaniu układów w.cz. Wysoka stała dielektryczna może mianowicie powodować efekt pasożytniczej pojemności pomiędzy ścieżkami powierzchniowymi, które biegną równolegle i blisko siebie – może to zmieniać charakterystykę częstotliwościową obwodu. Odporność na prądy pełzające (CTI) podaje przybliżoną miarę jak bardzo pokrycie lakiernicze jest podatne na uszkodzenia w wyniku korozji elektrycznej – występuje ona wówczas gdy wysokie napięcie powoduje rozkład powłoki i wytwarza się ścieżka przewodzącego węgla.
Na końcu należy omówić metody i urządzenia do aplikacji lakierów ochronnych. Istnieje wielu dostawców urządzeń do zanurzania, dostępny jest duży zakres urządzeń o różnych stopniu zaawansowania technologicznego i poziomu cen. Przy metodzie zanurzania istotna jest szybkość wyjmowania elementów z kąpieli, która wpływa na grubość powłoki: im wolniejsze wyjmowanie, tym cieńsza jest warstwa pokrycia. Grubość pokrycia jest także regulowana innymi czynnikami, takimi jak lepkość, zawartość suchej masy i temperatura roztworu lakieru. Płytki zanurza się zwykle pionowo ale istnieją zaawansowane urządzenia odchylające płytki w różnym stopniu od pionu celem osiągnięcia wymaganej grubości pokrycia. Zazwyczaj istnieją takie miejsca na płytce np. punkty kontaktowe czy złącza, które nie powinny być lakierowane. Jeżeli umiejscowione są one poniżej poziomu zanurzenia wymagane jest maskowanie płytki taśmą albo zrywalną maską- jest to kosztowna i czasochłonna operacja.
W ostatnich latach duży rozwój nastąpił w przypadku urządzeń natryskowych. Możliwe jest lakierowanie selektywne płytek co eliminuje konieczność maskowania. Kombinacja stosowania takich urządzeń z liniami UV i promieniowania podczerwonego umożliwia dużą szybkość produkcji kompleksowego pokrywania płytek.
Jak wygląda przyszłość techniki lakierowania ochronnego? Obecnie trudno jest porównywać stosowanie tradycyjnych lakierów rozpuszczalnikowych z nowymi technologiami. Oczekuje się zwiększonych nacisków ze strony obrońców środowiska naturalnego przeciw uwalnianiu rozpuszczalników organicznych do atmosfery, co ma negatywny wpływ na globalne ocieplenie i zanieczyszczenie atmosfery. Naciski takie wymuszą zwiększenie środków na odzysk i zagospodarowanie uwalnianych rozpuszczalników ale także dalszy rozwój lakierów UV i na bazie wodnej tak aby dorównywały one jakością tradycyjnym lakierom rozpuszczalnikowym. Oczekuje się także dalszych kroków w kierunku rozwoju lakierów o wysokiej zawartości substancji stałych a nawet całkowicie bezrozpuszczalnikowych.
Jerzy Raabe, © Semicon
Epoksydowe są w zasadzie bardzo twarde, najczęściej nieprzezroczyste i charakteryzują się doskonałą odpornością na wilgoć i chemikalia. Występują zazwyczaj jako systemy dwuskładnikowe co czyni je mniej wygodnym dla użytkownika niż inne typy lakierów. Z uwagi na występujący proces sieciowania są one odporne na ścieranie i wytrzymałe mechanicznie ale usunięcie ich z płytki po utwardzeniu jest prawie niemożliwe. Tym samym naprawa uszkodzonej płytki staje się dużym problemem.
Poliuretanowe mają podobne własności do epoksydowych, ale są jeszcze bardziej odporne na ścieranie. Tu również wytrzymałość mechaniczna, odporność na wilgoć i rozpuszczalniki jest bardzo dobra, a usieciowana natura tych pokryć utrudnia usunięcie i naprawę płytek.
Lakiery silikonowe obejmują szeroką gamę produktów o zróżnicowanych własnościach. Tradycyjne pokrycia silikonowe stanowią materiały zarówno bardzo odporne na ścieranie jak i bardzo elastyczne co wiąże się z niskimi naprężeniami występującymi na płytce i jej elementach. Utwardzanie tych lakierów następuje albo pod wpływem podwyższonej temperatury albo zachodzi w temperaturze pokojowej w reakcji z wilgocią atmosfery.
Materiały silikonowo-alkidowe, jak np. produkt Electrolube DCA, charakteryzują się doskonałymi własnościami mechanicznymi, elektrycznymi i chemicznymi- w tym przypadku stopień usieciowania jest poprawiony przez ogrzewanie, co dodatkowo poprawia odporność mechaniczną i chemiczną. Wszystkie materiały silikonowe zazwyczaj mogą pracować w wyższych temperaturach niż inne rodzaje pokryć.
Istnieją też inne specjalistyczne typy pokryć lakierowych. Lakiery UV mogą być utwardzane błyskawicznie poprzez ekspozycję na światło UV, tego rodzaju pokrycia są szeroko stosowane przy masowej produkcji płytek. Miejsca pod elementami zasłonięte od promieniowania UV utwardzają się wolniej dając tak zwany „efekt cienia”. Można to zminimalizować poprzez zmiany chemiczne umożliwiające także proces sieciowania termicznego lub pod wpływem wilgoci. Wtórne utwardzanie następuje wolniej w miejscach zacienionych. Własności materiałów utwardzanych światłem UV są jednak nie tak dobre jak te w przypadku materiałów rozpuszczalnikowych.
Pod wpływem protestów związanych z negatywnym wpływem rozpuszczalników na środowisko zostały opracowane i wdrożone lakiery na bazie wodnej. Mają one jednak tendencję do zbyt wolnego odsychania, a pokrycia osiągają zbyt dużą grubość. Poza tym cechy chemiczne pokryć tego typu ograniczają ich zastosowanie.
W tym miejscu nie można nie wspomnieć o produkcie firmy 3M Novec Electronic Coating EGC-1700, stanowiącym 2%-owy roztwór fluoroakrylowego polimeru rozpuszczonego we fluorowodoroeterze. Jest on niepalny, niskotoksyczny i spełnia wysokie wymagania przemysłu elektronicznego w zakresie ochrony środowiska. Grubość powłoki przy powlekaniu przez zanurzenie wynosi tylko 1 mikrometr. Lakier ten tworząc powłokę o niskiej energii powierzchniowej zapewnia doskonałą barierę wobec olejów węglowodorowych, silikonowych, płynów syntetycznych oraz roztworów wodnych i chroni skuteczniej od powłok polietylenowych i teflonowych.
Istnieje jeden bardzo specyficzny rodzaj sposobu lakierowania płytek, całkowicie różny od opisanych dotychczas. Jest to proces „parylenowy” opracowany przez firmę Union Carbide.
Związek zwany di-p-ksylylen jest poddawany pirolizie w temperaturze około 6500C pod wysoką próżnią. Powstały monomer polimeryzuje na wszystkich powierzchniach obecnych w środowisku próżni wytwarzając bardzo równomierną, pozbawioną jakichkolwiek minipor powłokę. W ten sposób płytki zawierające ostre krawędzie i kolce lutownicze są równo pokrywane, w przeciwieństwie do wszystkich innych wspomnianych wcześniej lakierów. Proces ten jest także bardzo efektywny przy pokrywaniu spodnich stron elementów na płytce, gdy występuje szczelina pomiędzy płytką i elementem. Lakierowanie „parylenowe” jest jednak bardzo drogie w porównaniu do metod konwencjonalnych. Możliwe są także chemiczne modyfikacje tego procesu prowadzące do poprawy własności dielektrycznych albo alternatywnie do lepszej stabilności termicznej pokryć.
Ocena pokryć ochronnych podlega różnorodnym normom. Najważniejsze z nich to IEC 61086-1/2/3, IPC-CC-830 i UL 746 E. Norma IPC-CC-830 wywodzi się z MIL-I-46058 i obecnie ją zastępuje . Brytyjska norma DEF-STAN 59-47 nie jest już aktualna.
W tym miejscu należałoby przedyskutować niektóre z najważniejszych własności typowych dla pokryć ochronnych znajdujące się zazwyczaj na kartach technicznych. Norma IEC 61086 rozróżnia trzy klasy pokryć ochronnych ze wzrastającymi wymogami oceny przydatności.
Klasa 1 obejmuje pokrycia płytek ogólnego użytku, klasa II wysokiej niezawodności i klasa III przeznaczone dla lotnictwa.
Napięcie przebicia stanowi wielkość napięcia, przy którym następuje przebicie elektryczne pomiędzy równoległymi ścieżkami przy znormalizowanej odległości na testowym wzorcu Y.
Opór izolacyjny to opór pomiędzy dwiema elektrodami na znormalizowanym wzorcu testowym- elektrody stanowią przeplatany wzór grzebieniowy, którego zęby są połączone przemiennie do elektrody dodatniej i ujemnej. Wzór Y i wzór grzebieniowy występują zwykle łącznie na jednej płytce testowej (Rys,1). Testy elastyczności pokryć przeprowadza się na polakierowanej blaszce miedzianej zaginanej wokół trzpienia 3 lub 6 mm i obserwacji pęknięć i rys pokrycia. Testy podatności na pleśń można przeprowadzać na polakierowanym panelu szklanym. Testy palności wykonuje się na polakierowanych próbnych pałeczkach z materiału płytki , których końce wprowadza się do znormalizowanego płomienia. Czas palności po usunięciu płomienia stanowi kryterium dopuszczalności – w ten sposób określa się także maksymalną dopuszczalną odległość wędrówki płomienia.
Przy użyciu pokrytych płytek z wzorcem Y i grzebieniowym można wykonać jeszcze wiele innych testów mających znaczenie dla ochrony środowiska. Obejmuje to np. cykliczne obciążenia termiczne i testy na szok termiczny pomiędzy wyspecyfikowanymi temperaturami – kolejno po każdym teście stwierdza się czy wystąpiły złuszczenia lub rozwarstwienia pokrycia lakierowego. Przeprowadza się także testy cieplno – wilgotnościowe -kolejne opory izolacyjne muszą być większe niż 109 ohma a napięcie przebicia jest także rejestrowane.
Dla klasy 2 przeprowadza się test we mgle solnej a dla klasy 3 testy na mróz, niskie ciśnienie atmosferyczne i cieplno-wilgotnościowe.
W kartach technicznych dla lakierów ochronnych występują także inne własności elektryczne.
Wytrzymałość dielektryczna jest wartością napięcia przy której następuje przebicie elektryczne powłoki lakierniczej, prostopadle do płaszczyzny powłoki. Podaje się także oporność objętościową i powierzchniową. Także stałą dielektryczną i współczynnik stratności dielektrycznej – niska stała dielektryczna materiału lakierniczego jest istotna przy lakierowaniu układów w.cz. Wysoka stała dielektryczna może mianowicie powodować efekt pasożytniczej pojemności pomiędzy ścieżkami powierzchniowymi, które biegną równolegle i blisko siebie – może to zmieniać charakterystykę częstotliwościową obwodu. Odporność na prądy pełzające (CTI) podaje przybliżoną miarę jak bardzo pokrycie lakiernicze jest podatne na uszkodzenia w wyniku korozji elektrycznej – występuje ona wówczas gdy wysokie napięcie powoduje rozkład powłoki i wytwarza się ścieżka przewodzącego węgla.
Na końcu należy omówić metody i urządzenia do aplikacji lakierów ochronnych. Istnieje wielu dostawców urządzeń do zanurzania, dostępny jest duży zakres urządzeń o różnych stopniu zaawansowania technologicznego i poziomu cen. Przy metodzie zanurzania istotna jest szybkość wyjmowania elementów z kąpieli, która wpływa na grubość powłoki: im wolniejsze wyjmowanie, tym cieńsza jest warstwa pokrycia. Grubość pokrycia jest także regulowana innymi czynnikami, takimi jak lepkość, zawartość suchej masy i temperatura roztworu lakieru. Płytki zanurza się zwykle pionowo ale istnieją zaawansowane urządzenia odchylające płytki w różnym stopniu od pionu celem osiągnięcia wymaganej grubości pokrycia. Zazwyczaj istnieją takie miejsca na płytce np. punkty kontaktowe czy złącza, które nie powinny być lakierowane. Jeżeli umiejscowione są one poniżej poziomu zanurzenia wymagane jest maskowanie płytki taśmą albo zrywalną maską- jest to kosztowna i czasochłonna operacja.
W ostatnich latach duży rozwój nastąpił w przypadku urządzeń natryskowych. Możliwe jest lakierowanie selektywne płytek co eliminuje konieczność maskowania. Kombinacja stosowania takich urządzeń z liniami UV i promieniowania podczerwonego umożliwia dużą szybkość produkcji kompleksowego pokrywania płytek.
Jak wygląda przyszłość techniki lakierowania ochronnego? Obecnie trudno jest porównywać stosowanie tradycyjnych lakierów rozpuszczalnikowych z nowymi technologiami. Oczekuje się zwiększonych nacisków ze strony obrońców środowiska naturalnego przeciw uwalnianiu rozpuszczalników organicznych do atmosfery, co ma negatywny wpływ na globalne ocieplenie i zanieczyszczenie atmosfery. Naciski takie wymuszą zwiększenie środków na odzysk i zagospodarowanie uwalnianych rozpuszczalników ale także dalszy rozwój lakierów UV i na bazie wodnej tak aby dorównywały one jakością tradycyjnym lakierom rozpuszczalnikowym. Oczekuje się także dalszych kroków w kierunku rozwoju lakierów o wysokiej zawartości substancji stałych a nawet całkowicie bezrozpuszczalnikowych.
Jerzy Raabe, © Semicon
