1. Souvislosti procesu
Vzhledem k tomu, že součástky na desce plošných spojů (PCBA) jsou stále menší a hustěji rozmístěné, zmenšuje se také vzdálenost mezi součástkami a jejich výška nad deskou, tedy mezera mezi součástkou a deskou plošných spojů. Zároveň mají faktory okolního prostředí stále větší vliv na PCBA. Z tohoto důvodu se dnes od elektronických výrobků vyžaduje vyšší úroveň spolehlivosti.
Součástky na deskách plošných spojů (PCBA) se mění z velkých na malé a z volného uspořádání na husté. V souvislosti s trendem miniaturizace a vysoké hustoty se problémy s poruchami způsobené vnějšími vlivy stávají stále závažnějšími. Z tohoto důvodu se konformní povlak stal klíčovým procesem pro zajištění spolehlivosti desek PCBA při provozu.
2. Vliv různých environmentálních faktorů na PCBA
Běžné faktory prostředí, jako je vlhkost, prach, solná mlha a plíseň, mohou způsobit různé druhy poruch desek s plošnými spoji (PCBA). Hlavní dopady jsou následující.
2.1 Vliv vlhkosti
Většina elektronických desek plošných spojů používaných v otevřeném prostředí je vystavena riziku koroze. Hlavním činitelem způsobujícím korozi je voda. Molekuly vody jsou velmi malé, a proto mohou pronikat skrz mezery mezi molekulami některých polymerních materiálů a dostat se do vnitřku materiálu. Mohou také pronikat skrz drobné dírky v povlaku a dostat se k kovové vrstvě pod ním, kde pak způsobují korozi.
Jakmile vlhkost vzduchu dosáhne určité úrovně, může to na desce s plošnými spoji způsobit elektrochemickou migraci, svodový proud a zkreslení signálu ve vysokofrekvenčních obvodech.
Pára nebo vlhkost + iontové znečišťující látky, jako jsou soli a aktivátory tavidel = vodivý elektrolyt + napětí způsobené namáháním = elektrochemická migrace
Když relativní vlhkost dosáhne 80%, může se na povrchu zařízení vytvořit vodní film o tloušťce 5 až 20 molekul. V tomto okamžiku se mnoho molekul může volně pohybovat. Je-li v prostředí přítomen uhlík, mohou docházet k elektrochemickým reakcím. Když relativní vlhkost dosáhne 60%, může se na povrchu zařízení vytvořit vodní film o tloušťce 2 až 4 molekuly. Pokud se v něm rozpustí znečišťující látky, mohou nastat chemické reakce. Při relativní vlhkosti nižší než 20% téměř veškerá koroze ustane.
Z tohoto důvodu je ochrana před vlhkostí důležitou součástí ochrany výrobku.
U elektronických zařízení se vlhkost vyskytuje ve třech formách: dešťová voda, kondenzace a vodní pára. Voda je elektrolyt. Dokáže rozpouštět mnoho korozivních iontů a následně způsobovat korozi kovů. Pokud je teplota určité části zařízení nižší než rosný bod, dojde na tomto povrchu ke kondenzaci. K tomu může dojít na konstrukčních částech nebo na desce s plošnými spoji (PCBA).
2.2 Vliv prachu
Ve vzduchu se vyskytuje prach. Prach může pohlcovat iontové znečišťující látky a následně se usazovat uvnitř elektronických zařízení. To může vést k poruchám. Jedná se o běžný problém u elektronických zařízení umístěných venku.
Prach lze rozdělit do dvou typů. Hrubý prach tvoří nepravidelné částice o průměru 2,5 až 15 mikronů. Obvykle nezpůsobuje poruchy ani jiskření, může však ovlivnit kontakt v konektorech. Jemný prach tvoří nepravidelné částice o průměru menším než 2,5 mikronu. Jemný prach, který se usadí na desce PCBA, má určitou přilnavost, a proto jej lze odstranit pouze antistatickým kartáčem.
Škodlivé účinky prachu jsou následující:
a. Pokud se na povrchu desky s plošnými spoji (PCBA) usadí prach, může to způsobit elektrochemickou korozi a zvýšit poruchovost zařízení.
b. Kombinace prachu, tepla, vlhkosti a solné mlhy způsobuje na desce s plošnými spoji (PCBA) největší škody. Elektronická zařízení v pobřežních oblastech, v pouštních oblastech nebo na slaně-alkalických půdách, v období dešťů jižně od řeky Huai a v blízkosti chemických závodů či těžebních oblastí vykazují nejvyšší míru poruchovosti.
Z tohoto důvodu je ochrana před prachem důležitou součástí ochrany výrobku.
2.3 Vliv solné mlhy
Slaná mlha vzniká působením vln, přílivu a odlivu, atmosférické cirkulace (např. monzunů), atmosférického tlaku a slunečního záření. Vítr ji může unášet do vnitrozemí. Její koncentrace klesá s rostoucí vzdáleností od pobřeží. Obvykle je koncentrace ve vzdálenosti 1 km od pobřeží pouze 1% hodnoty naměřené na pobřeží. Během období tajfunů se slaná mlha může šířit dále do vnitrozemí.
Škodlivé účinky solné mlhy jsou následující:
a. Poškozuje povrchovou vrstvu na kovových konstrukčních prvcích.
b. Urychluje elektrochemickou korozi, což může vést k přetržení kovových vodičů a selhání součástí.
Často se vyskytují i podobné zdroje koroze:
a. Lidský pot obsahuje sůl, močovinu, kyselinu mléčnou a další chemické látky. Ty mohou na elektronických zařízeních způsobit stejný druh koroze jako solná mlha. Z tohoto důvodu je třeba při montáži a používání nosit rukavice a holé ruce se nesmí dotýkat pokovených povrchů.
b. Tavidlo obsahuje halogeny a kyselé látky. Desku s osazenými součástkami (PCBA) je nutné vyčistit a množství zbytků tavidla je nutné přísně kontrolovat.
Z tohoto důvodu je ochrana proti solné mlze důležitou součástí ochrany výrobků.
2.4 Vliv plísní
Plíseň je obecný název pro vláknité houby. Znamená to “houby tvořící plíseň”. Často tvoří rozvětvené a husté mycelium, ale nevytvářejí velká plodnice jako houby. Na teplých a vlhkých místech se na mnoha předmětech objevují viditelné chlupaté, bavlně podobné nebo pavučinovité kolonie. To je plíseň.
Škodlivé účinky plísní jsou následující:
a. Plíseň se živí organickými materiály a roste na nich. To může snížit izolační vlastnosti materiálu a způsobit jeho poškození či selhání.
b. Metabolickými produkty plísní jsou organické kyseliny. Ty mohou ovlivnit izolační vlastnosti a dielektrickou pevnost a mohou způsobit problémy s jiskřením.
Z tohoto důvodu je ochrana před plísní důležitou součástí ochrany výrobků.
3. Přehled procesu nanášení konformního povlaku
Vzhledem k celkovému vlivu vlhkosti, prachu, solné mlhy, plísní a dalších faktorů způsobujících korozi v prostředí je nutné desku s povrchově montovanými součástkami (PCBA) co nejvíce izolovat od vnějšího prostředí, aby se zvýšila její spolehlivost. Právě proto byl zaveden proces nanášení konformního povlaku.
Konformní povlak se také nazývá povrchový povlak nebo konformní povlak. Jeho anglický název je „coating“ nebo „conformal coating“. V současné době se jedná o nejběžnější metodu ochrany povrchu desek plošných spojů po pájení. Při tomto procesu se na povrch desky plošných spojů nanáší tenká izolační ochranná vrstva. Odděluje citlivé elektronické součástky od drsných podmínek prostředí, výrazně zvyšuje bezpečnost a spolehlivost elektronických výrobků a prodlužuje jejich životnost.
Konformní povlak chrání obvody a součástky před vlhkostí, znečišťujícími látkami, korozí, namáháním, nárazy, mechanickými vibracemi a teplotními cykly. Může také zlepšit mechanickou pevnost a izolační vlastnosti. Po nanesení povlaku se na povrchu desky plošných spojů vytvoří průhledný ochranný film. Tento film zabraňuje vniknutí kapek vody a vlhkosti a může tak předejít poruchám způsobeným únikem proudu a zkratům.
4. Klíčové body procesu nanášení konformního povlaku na základě IPC-A-610E
4.1 Klasifikace povrchů
4.1.1 Oblasti, kde není povoleno nanášení nátěru
Mezi ně patří oblasti, které vyžadují elektrické propojení, jako jsou zlaté plošky, zlaté kontakty, průchozí otvory s pokovením a testovací otvory; baterie a držáky baterií; konektory; pojistky a jejich pouzdra; chladiče; propojky; objektivy kamer v optických zařízeních; potenciometry; senzory; spínače bez utěsněné konstrukce; a všechny oblasti, kde by povrchová úprava mohla ovlivnit výkon nebo běžný provoz.
4.1.2 Plochy, které je nutné natřít
Všechny pájené spoje, vývody a vodivé části součástek musí být opatřeny povrchovou úpravou.
4.1.3 Oblasti s volitelným povlakem
Pro tyto oblasti neexistují žádné jasné závazné požadavky na povrchovou úpravu. Povrchová úprava se může provádět podle potřeb výrobku a požadavků zákazníka.
4.2 Norma pro tloušťku povlaku a zkušební metoda
Tloušťka povlaku by se měla měřit na rovném, nekrytém a vytvrzeném povrchu sestavy tištěného obvodu. Lze ji také měřit na doprovodné desce vyrobené stejným procesem jako sestava. Doprovodná deska může být vyrobena ze stejného materiálu jako deska s plošnými spoji (PCB), nebo může být z neporézního materiálu, jako je kov či sklo. Jako alternativní způsob kontroly tloušťky povlaku lze rovněž použít měření tloušťky mokrého filmu. V tomto případě musí být předem znám převodní poměr mezi suchým a mokrým filmem a musí být vedeny příslušné záznamy.
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.
