1. Pozadina procesa
Kako komponente PCBA postaju sve manje i gušće, udaljenost između dijelova i visina odstojnika dijelova, odnosno razmak između dijela i štampane pločice, također se smanjuju. Istovremeno, faktori okruženja imaju sve veći i veći utjecaj na PCBA. Zbog toga elektronički proizvodi sada trebaju viši nivo pouzdanosti.
PCBA dijelovi se mijenjaju iz velikih u male i iz rasprostranjenog rasporeda u gust raspored. U trendu miniaturizacije i visoke gustoće, kvarovi uzrokovani okolinom postaju sve ozbiljniji. Iz tog razloga, konformalno premazivanje postalo je ključni proces za zaštitu pouzdanosti PCBA pri upotrebi.
2. Utjecaj različitih faktora okruženja na PCBA
Uobičajeni okolišni faktori poput vlage, prašine, soli u spreju i plijesni mogu uzrokovati različite vrste kvarova na PCBA. Glavni učinci su sljedeći.
2.1 Utjecaj vlažnosti
Većina elektroničkih PCB sklopova koji se koriste u otvorenom okruženju suočava se s rizikom od korozije. Voda je glavni medij koji uzrokuje koroziju. Molekule vode su vrlo male, pa mogu proći kroz molekularne praznine nekih polimernih materijala i ući u unutrašnjost materijala. Također mogu proći kroz mikropore u prevlaci i dospjeti do metalnog sloja ispod, a zatim uzrokovati koroziju.
Kada zrak dostigne određeni nivo vlažnosti, može izazvati elektrohemijsku migraciju na štampanoj pločici, curenje struje i izobličenje signala u visokofrekventnim kolima.
Para ili vlaga + ionski zagađivači poput soli i aktivatora fluksa = provodni elektrolit + napon stresa = elektrohemijska migracija
Kada relativna vlažnost dostigne 80%, na površini uređaja može se formirati vodeni film debljine od 5 do 20 molekula. U tom trenutku mnoge molekule mogu se slobodno kretati. Ako je prisutan ugljik, mogu se dogoditi elektrohemijske reakcije. Kada relativna vlažnost dostigne 60%, na površini uređaja može se formirati vodeni film debljine 2 do 4 molekule. Ako se u njega otapaju zagađivači, mogu se dogoditi hemijske reakcije. Kada je relativna vlažnost niža od 20%, gotovo sva korozija prestaje.
Zbog toga je zaštita od vlage važan dio zaštite proizvoda.
Za elektroničku opremu vlaga postoji u tri oblika: kišnica, kondenzacija i vodena para. Voda je elektrolit. Može otopiti mnoge korozivne ione i potom korodirati metal. Kada je temperatura nekog dijela opreme niža od točke rose, na toj površini nastaje kondenzacija. To se može dogoditi na konstrukcijskim dijelovima ili na PCBAs.
2.2 Utjecaj prašine
Prašina postoji u zraku. Prašina može apsorbovati jonizovana zagađivača i potom se taložiti unutar elektronske opreme. To može uzrokovati kvar. Ovo je čest problem kod vanjske elektronske opreme.
Prašina se može podijeliti na dvije vrste. Gruba prašina su nepravilne čestice promjera od 2,5 do 15 mikrona. Obično ne uzrokuje kvarove niti iskrenje, ali može utjecati na kontakt konektora. Sitna prašina su nepravilne čestice promjera manjeg od 2,5 mikrona. Sitna prašina koja padne na PCB ploču ima određenu adheziju, pa se može ukloniti samo antistatičkom četkom.
Šteta od prašine je sljedeća:
a. Kada se prašina slegne na površinu PCBA, može uzrokovati elektrohemijsku koroziju i povećati stopu kvarova uređaja.
b. Kombinacija prašine, toplote i vlage te soli iz rasprskavanja uzrokuje najveću štetu na PCBA. Elektronički uređaji blizu obale, u pustinjskim područjima ili slano-alkalnim krajevima, tijekom kišne sezone južno od rijeke Huai te u blizini kemijskih postrojenja ili rudarskih područja imaju najvišu stopu kvarova.
Zbog toga je zaštita od prašine važan dio zaštite proizvoda.
2.3 Utjecaj slane maglice
Solni sprej nastaje djelovanjem valova, plima i oseke, atmosferskom cirkulacijom poput monsuna, zračnim pritiskom i sunčevom svjetlošću. Može se širiti u unutrašnjost uz pomoć vjetra. Koncentracija opada kako se udaljenost od obale povećava. Obično je na udaljenosti od 1 km od obale koncentracija samo 11 TP3T vrijednosti na obali. Tokom sezone tajfuna, slana maglica može se širiti dalje u unutrašnjost.
Šteta od soli u spreju je sljedeća:
a. Oštećuje presvučeni sloj na metalnim konstrukcijskim dijelovima.
b. Ubrzava elektrohemijsku koroziju, što može uzrokovati lom metalnih žica i otkazivanje dijelova.
Slični izvori korozije su također česti:
a. Ljudski znoj sadrži sol, ureu, mliječnu kiselinu i druge hemijske supstance. One mogu izazvati istu vrstu korozije kao i slani sprej na elektronskim uređajima. Iz tog razloga tokom montaže i upotrebe treba nositi rukavice, a gole ruke ne smiju dodirivati pozlaćene površine.
b. Fluk sadrži halogene i kisele supstance. PCBA se mora očistiti, a nivo ostataka fluka mora biti strogo kontrolisan.
Zbog toga je zaštita od soli važan dio zaštite proizvoda.
2.4 Utjecaj plijesni
Plijesan je uobičajeni naziv za nitičaste gljive. To znači “plijesnive gljive”. One često formiraju razgranati i gusti micelij, ali ne stvaraju velika plodna tijela poput gljiva. Na toplim i vlažnim mjestima mnogi predmeti razvijaju vidljive dlačaste, pamučne ili mrežaste kolonije. To je plijesan.
Šteta od plijesni je sljedeća:
Plijesan jede i raste na organskim materijalima. To može smanjiti izolacione performanse materijala i uzrokovati oštećenja i propadanje.
b. Metabolički proizvodi plijesni su organske kiseline. One mogu utjecati na izolaciju i dielektričku čvrstoću te mogu uzrokovati probleme s iskrenjem.
Zbog toga je zaštita od plijesni važan dio zaštite proizvoda.
3. Pregled procesa konformalnog premazivanja
S obzirom na puni utjecaj vlažnosti, prašine, soli u spreju, plijesni i drugih okolišnih faktora korozije, PCBA mora biti što je više moguće izolovan od vanjskog okruženja kako bi se poboljšala pouzdanost. Zbog toga je uveden proces konformalnog premazivanja.
Konformalni premaz se također naziva površinski premaz ili konformalni premaz. Njegovo englesko ime je coating ili conformal coating. To je sada najčešća metoda zaštite površine nakon lemljenja za PCB. Ovaj proces nanosi tanki izolirajući zaštitni sloj na površinu PCB-a. Odvaja osjetljive elektroničke komponente od agresivnih okruženja, značajno poboljšava sigurnost i pouzdanost elektroničkih proizvoda i produžuje njihov vijek trajanja.
Konformalni premaz može zaštititi sklopove i dijelove od vlage, zagađivača, korozije, naprezanja, udaraca, mehaničkih vibracija i toplinskih ciklusa. Također može poboljšati mehaničku čvrstoću i izolacione performanse. Nakon nanošenja premaza na površini tiskane pločice formira se prozirni zaštitni sloj. Taj sloj može spriječiti prodiranje kapljica vode i vlage te spriječiti curenje i kratke spojeve.
4. Ključne tačke procesa konformalnog premazivanja zasnovanog na IPC-A-610E
4.1 Klasifikacija površine premaza
4.1.1 Područja gdje premaz nije dozvoljen
To uključuje područja koja zahtijevaju električnu vezu, kao što su zlatne podloge, zlatni prstići, prevučene prolazne rupe i testne rupe; baterije i držače baterija; konektore; osigurače i kućišta; hladnjake; kratkospojnike; objektive kamera u optičkim uređajima; potenciometre; senzore; prekidače bez zapečaćenih struktura; i sva područja gdje će premaz utjecati na performanse ili normalno funkcionisanje.
4.1.2 Površine koje se moraju premazati
Svi lemni spojevi, pinovi i provodni dijelovi komponenti moraju biti premazani.
4.1.3 Opcionalna područja za premazivanje
Za ova područja ne postoji jasno obavezno zahtjev za premazivanje. Mogu se premazati u skladu s potrebama proizvoda i standardima kupaca.
4.2 Standard i metoda ispitivanja debljine prevlake
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.
