1. خلفية العملية
مع تزايد صغر حجم مكونات لوحات الدوائر المطبوعة (PCBA) وزيادة كثافتها، تقل المسافة بين المكونات وارتفاعها عن اللوحة، وهو الفراغ بين المكون ولوحة الدوائر المطبوعة. وفي الوقت نفسه، تزداد تأثيرات العوامل البيئية بشكل متزايد على ثنائي الفينيل متعدد الكلور. ولهذا السبب، أصبحت المنتجات الإلكترونية تتطلب الآن مستوى أعلى من الموثوقية.
تتجه مكونات لوحات الدوائر المطبوعة (PCBA) من الحجم الكبير إلى الحجم الصغير، ومن التخطيط المتفرق إلى التخطيط الكثيف. وفي ظل اتجاه التصغير وزيادة الكثافة، تزداد خطورة مشكلات الأعطال الناجمة عن العوامل البيئية. ولهذا السبب، أصبح الطلاء المطابق عملية أساسية لحماية موثوقية لوحات الدوائر المطبوعة (PCBA) أثناء الاستخدام.
2. تأثير العوامل البيئية المختلفة على لوحات الدوائر المطبوعة (PCBA)
يمكن أن تتسبب العوامل البيئية الشائعة، مثل الرطوبة والغبار ورذاذ الملح والعفن، في حدوث أنواع مختلفة من أعطال لوحات الدوائر المطبوعة (PCBA). وفيما يلي الآثار الرئيسية لذلك.
2.1 تأثير الرطوبة
تواجه معظم مجموعات لوحات الدوائر المطبوعة الإلكترونية المستخدمة في بيئة مفتوحة خطر التآكل. والماء هو العامل الرئيسي المسبب للتآكل. فجزيئات الماء صغيرة جدًّا، لذا يمكنها المرور عبر الفجوات الجزيئية لبعض المواد البوليمرية والدخول إلى داخل المادة. كما يمكنها أيضًا المرور عبر الثقوب الدقيقة في الطلاء والوصول إلى الطبقة المعدنية الموجودة أسفلها، ومن ثم التسبب في التآكل.
عندما تصل رطوبة الهواء إلى مستوى معين، فإن ذلك قد يتسبب في حدوث هجرة كهروكيميائية على لوحة الدوائر المطبوعة (PCB)، وتسرب التيار، وتشويه الإشارة في الدوائر عالية التردد.
البخار أو الرطوبة + الملوثات الأيونية مثل الأملاح ومحفزات التدفق = إلكتروليت موصل + جهد إجهاد = هجرة كهروكيميائية
عندما تصل الرطوبة النسبية إلى 80%، يمكن أن يتشكل غشاء مائي يتراوح سمكه بين 5 و20 جزيءًا. عند هذه النقطة، يمكن للعديد من الجزيئات أن تتحرك بحرية. وفي حالة وجود الكربون، قد تحدث تفاعلات كهروكيميائية. عندما تصل الرطوبة النسبية إلى 60%، يمكن أن تتشكل طبقة مائية بسماكة تتراوح بين 2 و4 جزيئات على سطح الجهاز. وإذا ذابت الملوثات فيها، فقد تحدث تفاعلات كيميائية. وعندما تكون الرطوبة النسبية أقل من 20%، يتوقف التآكل تقريبًا بالكامل.
ولهذا السبب، تُعد الحماية من الرطوبة جزءًا مهمًا من حماية المنتج.
بالنسبة للأجهزة الإلكترونية، توجد الرطوبة في ثلاث أشكال: مياه الأمطار، والتكثف، وبخار الماء. والماء مادة إلكتروليتية؛ فهو قادر على إذابة العديد من الأيونات المسببة للتآكل، ومن ثم تآكل المعادن. وعندما تكون درجة حرارة منطقة معينة في الجهاز أقل من نقطة الندى، يتشكل التكثف على ذلك السطح. ويمكن أن يحدث ذلك على الأجزاء الهيكلية أو على لوحة الدوائر المطبوعة (PCBA).
2.2 تأثير الغبار
يوجد الغبار في الهواء. ويمكن للغبار أن يمتص الملوثات الأيونية ثم يستقر داخل الأجهزة الإلكترونية، مما قد يتسبب في تعطلها. وتعد هذه المشكلة شائعة في الأجهزة الإلكترونية المثبتة في الأماكن المفتوحة.
يمكن تقسيم الغبار إلى نوعين. الغبار الخشن هو عبارة عن جزيئات غير منتظمة يتراوح قطرها بين 2.5 و15 ميكرون. وعادةً لا يتسبب في حدوث أعطال أو قوس كهربائي، لكنه قد يؤثر على التلامس بين الموصلات. أما الغبار الناعم فهو عبارة عن جزيئات غير منتظمة يقل قطرها عن 2.5 ميكرون. ويتميز الغبار الناعم الذي يترسب على لوحة PCBA بقدرة ما على الالتصاق، لذا لا يمكن إزالته إلا باستخدام فرشاة مقاومة للكهرباء الساكنة.
فيما يلي أضرار الغبار:
أ. عندما يترسب الغبار على سطح لوحة الدوائر المطبوعة (PCBA)، فقد يتسبب ذلك في حدوث تآكل كهروكيميائي ويزيد من معدل تعطل الجهاز.
ب. إن مزيج الغبار والحرارة والرطوبة ورذاذ الملح هو الذي يتسبب في أكبر قدر من الضرر للوحات الدوائر المطبوعة (PCBA). وتسجل الأجهزة الإلكترونية الموجودة بالقرب من الساحل، أو في المناطق الصحراوية أو الأراضي المالحة والقلوية، أو في موسم الأمطار جنوب نهر هواي، أو بالقرب من المصانع الكيميائية أو مناطق التعدين، أعلى معدلات التعطل.
ولهذا السبب، تُعد الحماية من الغبار جزءًا مهمًا من حماية المنتج.
2.3 تأثير رذاذ الملح
يتشكل رذاذ الملح بفعل حركة الأمواج، والمد والجزر، والدوران الجوي مثل الرياح الموسمية، والضغط الجوي، وأشعة الشمس. ويمكن أن ينتقل إلى الداخل بفعل الرياح. وتقل تركيزاته كلما زادت المسافة عن الساحل. وعادةً ما تبلغ التركيزات على بعد كيلومتر واحد من الساحل 1% فقط من القيمة المسجلة على الشاطئ. خلال مواسم الأعاصير، يمكن أن ينتقل رذاذ الملح إلى مسافة أبعد داخل اليابسة.
فيما يلي أضرار رذاذ الملح:
أ. يؤدي إلى إتلاف طبقة الطلاء على الأجزاء الهيكلية المعدنية.
ب. إنه يُسرّع من عملية التآكل الكهروكيميائي، مما قد يؤدي إلى انقطاع الأسلاك المعدنية وتعطل الأجزاء.
كما أن مصادر التآكل المماثلة شائعة أيضًا:
أ. يحتوي عرق الإنسان على الملح واليوريا وحمض اللاكتيك ومواد كيميائية أخرى. ويمكن أن تتسبب هذه المواد في نفس نوع التآكل الذي يسببه رذاذ الملح على الأجهزة الإلكترونية. ولهذا السبب، يجب ارتداء القفازات أثناء التجميع والاستخدام، ويجب عدم لمس الأسطح المطلية باليدين العاريتين.
ب. يحتوي مادة التلحيم على مواد هالوجينية وحمضية. يجب تنظيف لوحة الدوائر المطبوعة (PCBA)، كما يجب التحكم بدقة في مستوى بقايا مادة التلحيم.
ولهذا السبب، تُعد الحماية من رذاذ الملح جزءًا مهمًا من حماية المنتج.
2.4 تأثير العفن
العفن هو اسم شائع للفطريات الخيطية. وهو يعني “الفطريات التي تنمو على شكل عفن”. غالبًا ما تشكل هذه الفطريات شبكة فطرية متفرعة وكثيفة، لكنها لا تشكل أجسامًا مثمرة كبيرة مثل الفطر. في الأماكن الدافئة والرطبة، تنمو على العديد من الأشياء مستعمرات مرئية ذات مظهر زغبي أو شبيه بالقطن أو شبيه بالشبكة. وهذا هو العفن.
فيما يلي أضرار العفن:
أ. يتغذى العفن على المواد العضوية وينمو عليها. وقد يؤدي ذلك إلى انخفاض كفاءة العزل التي تتمتع بها المادة، فضلاً عن إحداث أضرار وتلف فيها.
ب. منتجات التمثيل الغذائي للعفن هي أحماض عضوية. ويمكن أن تؤثر هذه الأحماض على العزل والقوة العازلة، كما يمكن أن تتسبب في مشاكل القوس الكهربائي.
ولهذا السبب، تُعد الحماية من العفن جزءًا مهمًا من حماية المنتج.
3. نظرة عامة على عملية الطلاء المطابق للشكل
نظرًا للتأثير الكامل للرطوبة والغبار ورذاذ الملح والعفن وعوامل التآكل البيئية الأخرى، يجب عزل لوحة التجميع المطبوعة (PCBA) عن البيئة الخارجية قدر الإمكان من أجل تحسين موثوقيتها. ولهذا السبب تم إدخال عملية الطلاء المطابق.
يُطلق على الطلاء المطابق للشكل أيضًا اسم «الطلاء السطحي» أو «الطلاء المطابق للشكل». واسمه باللغة الإنجليزية هو «coating» أو «conformal coating». وهو يُعد حاليًّا الطريقة الأكثر شيوعًا لحماية سطح لوحات الدوائر المطبوعة (PCB) بعد عملية اللحام. وتتمثل هذه العملية في وضع طبقة واقية عازلة رقيقة على سطح لوحة الدوائر المطبوعة. وهي تعمل على عزل الأجزاء الإلكترونية الحساسة عن البيئات القاسية، مما يحسّن بشكل كبير من سلامة وموثوقية المنتجات الإلكترونية، ويطيل من عمر المنتج.
يمكن للطلاء المطابق للشكل أن يحمي الدوائر والأجزاء من الرطوبة والملوثات والتآكل والضغط والصدمات والاهتزازات الميكانيكية والدورات الحرارية. كما يمكنه تحسين القوة الميكانيكية وأداء العزل. بعد الطلاء، يتشكل غشاء واقي شفاف على سطح لوحة الدوائر المطبوعة (PCB). ويستطيع هذا الغشاء منع قطرات الماء والرطوبة من الدخول، كما يمنع التسرب وأعطال الدائرة القصيرة.
4. النقاط الرئيسية لعملية الطلاء المطابق استنادًا إلى IPC-A-610E
4.1 تصنيف مناطق الطلاء
4.1.1 المناطق التي يُحظر فيها الطلاء
وتشمل هذه المناطق الأجزاء التي تحتاج إلى توصيل كهربائي، مثل اللمسات الذهبية، والأصابع الذهبية، والثقوب المطلية، وثقوب الاختبار؛ والبطاريات وحوامل البطاريات؛ والموصلات؛ والصمامات وأغلفةها؛ والمبددات الحرارية؛ والوصلات الجانبية؛ وعدسات الكاميرات في الأجهزة البصرية؛ ومقاييس الجهد؛ وأجهزة الاستشعار؛ والمفاتيح التي لا تحتوي على هياكل محكمة الإغلاق؛ وجميع المناطق التي قد يؤثر فيها الطلاء على الأداء أو التشغيل العادي.
4.1.2 المناطق التي يجب طلاؤها
يجب طلاء جميع وصلات اللحام والمسامير والأجزاء الموصلة في المكونات.
4.1.3 مناطق الطلاء الاختيارية
لا توجد متطلبات واضحة وإلزامية بشأن الطلاء في هذه المجالات. ويمكن طلاء هذه الأجزاء وفقًا لاحتياجات المنتج ومعايير العملاء.
4.2 معيار سماكة الطلاء وطريقة الاختبار
Coating thickness should be measured on a flat, uncovered, cured surface of the printed circuit assembly. It can also be measured on a companion board made during the same process as the assembly. The companion board can be made from the same material as the PCB, or it can be a non-porous material such as metal or glass. Wet film thickness measurement can also be used as an optional way to check coating thickness. In this case, the dry-to-wet film conversion ratio must be known in advance, and the records must be kept.
Thickness test methods:
- Dry film thickness measurement: a micrometer can be used, following the IPC-CC-830B standard. A ferrous dry film thickness gauge can also be used.
- Wet film thickness measurement: use a wet film thickness gauge to measure the wet film thickness, then convert it into the actual dry film thickness based on the solid content ratio of the coating material.
4.3 Edge Resolution Requirement
Definition: the edge of a line sprayed by a normal spray valve cannot be perfectly straight. Small burrs will exist. The width of these burrs is called edge resolution.
Process requirement: the smaller the edge resolution value, the higher the coating precision. There is no single fixed standard. It only needs to meet the custom requirement of the customer.
4.4 Uniformity Requirement
The conformal coating must form a complete film on the product surface. The film must be even in thickness, smooth, and clear. The coating coverage must be uniform across the whole product. After coating, the product surface must not show cracks, layer separation, orange peel, contamination, capillary effect, bubbles, or other process defects.
5. Full Conformal Coating Process and Main Methods
5.1 Early Preparation
Prepare the PCBA product, conformal coating material, and other helper materials. Identify the areas that need local masking protection. Confirm and lock down all key process details.
5.2 Cleaning Process
Cleaning should be done as soon as possible after PCBA soldering is finished. This helps avoid solder residue becoming hard to remove after it cures. First, judge whether the contaminant is polar or non-polar, and then match it with the right cleaning agent.
If an alcohol-based cleaning agent is used, the work area must have good ventilation. After cleaning, drying must be done strictly, so that leftover solvent does not cause an oven explosion when it evaporates. If a water-wash process is used, use a slightly alkaline emulsified cleaning liquid to remove flux residue, then rinse fully with pure water. Make sure the cleaning quality standard is met.
5.3 Masking Protection Process
When selective coating equipment is not used, the no-coating areas must be masked before coating. Use adhesive tape that will not leave residue or transfer glue. For IC parts, anti-static paper tape should be used first. All parts must be masked and protected strictly according to the drawing.
5.4 Dehumidification Process
After cleaning and masking, the PCBA must be pre-baked and dehumidified before coating. Based on the maximum temperature that the PCBA can tolerate, choose the right pre-bake temperature and hold time. This removes moisture fully from the board and from inside the components.
5.5 Main Coating Methods
The conformal coating process can be chosen flexibly based on the protection level of the PCBA, the production equipment, and the technical setup. The main methods are the following four types.
5.5.1 Manual Brush Coating
Brush coating has a wide use range. It is mainly suitable for small batch production, products with complex and dense PCBA structures, and products with strict masking protection needs. It gives strong manual control and can avoid no-coating areas very precisely, so it can prevent contamination.
This process uses very little coating material, so it is suitable for high-cost two-component coatings. It requires a high level of skill from the operator. Before work starts, the operator must understand the coating requirements in the drawing, identify different components, know the no-coating areas clearly, and make the marks easy to see. During the whole work process, bare hands must not touch the printed plug-in parts, so that secondary contamination can be avoided.
5.5.2 Manual Dip Coating
Dip coating can form a uniform, continuous, and complete coating layer. The overall coating effect is very good. However, it is not suitable for PCBA products that have adjustable capacitors, adjustable magnetic cores, potentiometers, cup-shaped magnetic cores, or parts with poor sealing.
The key process parameters for dip coating are: adjust the viscosity of the conformal coating accurately; control the PCBA lifting speed strictly; the lifting speed must not be more than 1 meter per second, so that bubbles do not form in the coating.
5.5.3 Manual Spray Coating
This method fits products with complex structures, many types, and small batch sizes, where mass production by automatic equipment is not possible. It can cover special corners and gap areas very well.
Work notes: spray mist can easily contaminate no-coating areas such as PCB plug-in parts, IC sockets, precision contacts, and grounding areas. Therefore, masking protection must be done before spraying. Operators must not touch printed plugs with bare hands, so that the contact surface will not become dirty.
5.5.4 Automatic Spray Coating
This method usually uses selective automatic coating equipment. It is suitable for large-scale standardized production. It has the advantages of good coating consistency, high precision, and less environmental pollution. As the industry upgrades, labor costs rise, and environmental rules become stricter, automatic spray equipment is slowly replacing traditional manual coating. It is becoming the main method in the industry.
