1. Hintergrund des Prozesses
Da die Bauteile auf Leiterplatten immer kleiner und dichter angeordnet werden, verringern sich auch der Abstand zwischen den Bauteilen und die Abstandshöhe der Bauteile, also der Abstand zwischen dem Bauteil und der Leiterplatte. Gleichzeitig haben Umweltfaktoren einen immer größeren Einfluss auf PCBA. Aus diesem Grund müssen elektronische Produkte heute ein höheres Maß an Zuverlässigkeit aufweisen.
PCBA-Bauteile werden immer kleiner, und die Anordnung wird immer dichter. Angesichts des Trends zur Miniaturisierung und hohen Packungsdichte nehmen durch die Umgebung bedingte Ausfallprobleme immer mehr zu. Aus diesem Grund ist die Schutzbeschichtung zu einem Schlüsselprozess geworden, um die Zuverlässigkeit von PCBA im Einsatz zu gewährleisten.
2. Einfluss verschiedener Umweltfaktoren auf die Leiterplattenbestückung (PCBA)
Häufige Umwelteinflüsse wie Feuchtigkeit, Staub, Salznebel und Schimmel können verschiedene Arten von Ausfällen an Leiterplattenbaugruppen verursachen. Die wichtigsten Auswirkungen sind folgende.
2.1 Einfluss der Luftfeuchtigkeit
Die meisten elektronischen Leiterplattenbaugruppen, die in einer offenen Umgebung eingesetzt werden, sind der Gefahr von Korrosion ausgesetzt. Wasser ist der Hauptfaktor, der Korrosion verursacht. Wassermoleküle sind sehr klein, sodass sie durch die Moleküllücken einiger Polymerwerkstoffe dringen und in das Innere des Materials gelangen können. Sie können auch durch winzige Löcher in der Beschichtung in die darunterliegende Metallschicht eindringen und dort Korrosion verursachen.
Wenn die Luftfeuchtigkeit einen bestimmten Wert erreicht, kann dies zu elektrochemischer Migration auf der Leiterplatte, Leckstrom und Signalverzerrungen in Hochfrequenzschaltungen führen.
Dampf oder Feuchtigkeit + ionische Schadstoffe wie Salze und Flussmittelaktivatoren = leitfähiger Elektrolyt + Spannungsbeanspruchung = elektrochemische Migration
Wenn die relative Luftfeuchtigkeit 80% erreicht, kann sich ein Wasserfilm mit einer Dicke von 5 bis 20 Molekülen bilden. Zu diesem Zeitpunkt können sich viele Moleküle frei bewegen. Ist Kohlenstoff vorhanden, können elektrochemische Reaktionen stattfinden. Wenn die relative Luftfeuchtigkeit 60% erreicht, kann sich auf der Oberfläche des Geräts ein Wasserfilm mit einer Dicke von 2 bis 4 Molekülen bilden. Lösen sich Schadstoffe darin auf, können chemische Reaktionen stattfinden. Liegt die relative Luftfeuchtigkeit unter 20%, kommt die Korrosion fast vollständig zum Stillstand.
Aus diesem Grund ist der Feuchtigkeitsschutz ein wichtiger Bestandteil des Produktschutzes.
Bei elektronischen Geräten tritt Feuchtigkeit in drei Formen auf: Regenwasser, Kondenswasser und Wasserdampf. Wasser ist ein Elektrolyt. Es kann viele korrosive Ionen lösen und dadurch Metall angreifen. Wenn die Temperatur an einer Stelle des Geräts unter dem Taupunkt liegt, bildet sich an dieser Oberfläche Kondenswasser. Dies kann an Bauteilen oder auf der Leiterplatte (PCBA) geschehen.
2.2 Auswirkungen von Staub
In der Luft befindet sich Staub. Staub kann ionische Schadstoffe aufnehmen und sich anschließend in elektronischen Geräten ablagern. Dies kann zu Ausfällen führen. Dies ist ein häufiges Problem bei elektronischen Geräten im Außenbereich.
Staub lässt sich in zwei Arten unterteilen. Grobstaub besteht aus unregelmäßigen Partikeln mit einem Durchmesser von 2,5 bis 15 Mikrometer. Er verursacht in der Regel keine Ausfälle oder Lichtbögen, kann jedoch den Kontakt an Steckverbindern beeinträchtigen. Feinststaub besteht aus unregelmäßigen Partikeln mit einem Durchmesser von weniger als 2,5 Mikrometer. Feinststaub, der auf eine PCBA-Platine fällt, haftet etwas an dieser, sodass er nur mit einer antistatischen Bürste entfernt werden kann.
Staub hat folgende schädliche Auswirkungen:
a. Wenn sich Staub auf der Oberfläche der Leiterplatte absetzt, kann dies zu elektrochemischer Korrosion führen und die Ausfallrate des Bauteils erhöhen.
b. Die Kombination aus Staub, Hitze, Feuchtigkeit und Salznebel verursacht die größten Schäden an Leiterplattenbaugruppen (PCBA). Elektronische Geräte in Küstennähe, in Wüstengebieten oder auf salz- und alkalihaltigen Böden, während der Regenzeit südlich des Huai-Flusses sowie in der Nähe von Chemiewerken oder Bergbaugebieten weisen die höchste Ausfallrate auf.
Aus diesem Grund ist der Staubschutz ein wichtiger Bestandteil des Produktschutzes.
2.3 Auswirkungen von Salznebel
Salznebel entsteht durch Wellenbewegung, Gezeiten, atmosphärische Zirkulation wie den Monsun, Luftdruck und Sonneneinstrahlung. Er kann mit dem Wind landeinwärts getragen werden. Die Konzentration nimmt mit zunehmender Entfernung von der Küste ab. In der Regel beträgt die Konzentration in 1 km Entfernung von der Küste nur noch 1% des Wertes an der Küste. Während der Taifun-Saison kann Salznebel weiter ins Landesinnere gelangen.
Die schädlichen Auswirkungen von Salznebel sind wie folgt:
a. Es beschädigt die Beschichtung auf metallischen Bauteilen.
b. Es beschleunigt die elektrochemische Korrosion, was zum Bruch von Metalldrähten und zum Ausfall von Bauteilen führen kann.
Ähnliche Korrosionsursachen sind ebenfalls häufig anzutreffen:
a. Menschlicher Schweiß enthält Salz, Harnstoff, Milchsäure und andere chemische Substanzen. Diese können an elektronischen Geräten die gleiche Art von Korrosion verursachen wie Salznebel. Aus diesem Grund sollten bei der Montage und beim Gebrauch Handschuhe getragen werden, und beschichtete Oberflächen dürfen nicht mit bloßen Händen berührt werden.
b. Das Flussmittel enthält Halogene und saure Substanzen. Die Leiterplatte muss gereinigt werden, und der Gehalt an Flussmittelrückständen muss streng kontrolliert werden.
Aus diesem Grund ist der Schutz vor Salznebel ein wichtiger Bestandteil des Produktschutzes.
2.4 Auswirkungen von Schimmel
“Schimmel” ist eine umgangssprachliche Bezeichnung für Fadenpilze. Der Begriff bedeutet „schimmelbildende Pilze“. Sie bilden oft verzweigte und dichte Myzelien, jedoch keine großen Fruchtkörper wie Pilze. An warmen und feuchten Orten bilden sich auf vielen Gegenständen sichtbare, flaumige, baumwollartige oder netzartige Kolonien. Das ist Schimmel.
Schimmelpilze haben folgende schädliche Auswirkungen:
a. Schimmel ernährt sich von organischen Materialien und wächst auf diesen. Dies kann die Dämmleistung des Materials beeinträchtigen und zu Schäden und Versagen führen.
b. Die Stoffwechselprodukte von Schimmelpilzen sind organische Säuren. Diese können die Isolierung und die Durchschlagfestigkeit beeinträchtigen und zu Lichtbogenproblemen führen.
Aus diesem Grund ist der Schutz vor Schimmelbefall ein wichtiger Bestandteil des Produktschutzes.
3. Überblick über den Prozess der konformen Beschichtung
Angesichts der umfassenden Auswirkungen von Feuchtigkeit, Staub, Salznebel, Schimmel und anderen umgebungsbedingten Korrosionsfaktoren muss die PCBA so weit wie möglich von der Außenumgebung isoliert werden, um die Zuverlässigkeit zu verbessern. Aus diesem Grund wurde das Verfahren der Schutzbeschichtung eingeführt.
Die konforme Beschichtung wird auch als Oberflächenbeschichtung oder Conformal Coating bezeichnet. Ihr englischer Name lautet „coating“ oder „conformal coating“. Sie ist mittlerweile die gängigste Methode zum Schutz der Oberfläche von Leiterplatten nach dem Löten. Bei diesem Verfahren wird eine dünne, isolierende Schutzschicht auf die Oberfläche der Leiterplatte aufgetragen. Sie schützt empfindliche elektronische Bauteile vor rauen Umgebungsbedingungen, verbessert die Sicherheit und Zuverlässigkeit elektronischer Produkte erheblich und verlängert deren Lebensdauer.
Eine konforme Beschichtung kann Schaltkreise und Bauteile vor Feuchtigkeit, Schadstoffen, Korrosion, Beanspruchung, Stößen, mechanischen Schwingungen und Temperaturwechselbeanspruchung schützen. Außerdem kann sie die mechanische Festigkeit und die Isolationsleistung verbessern. Nach dem Beschichten bildet sich auf der Oberfläche der Leiterplatte ein transparenter Schutzfilm. Dieser Film verhindert das Eindringen von Wassertropfen und Feuchtigkeit und beugt dadurch Leckagen und Kurzschlüssen vor.
4. Wesentliche Aspekte des Konformbeschichtungsprozesses auf der Grundlage von IPC-A-610E
4.1 Klassifizierung der Beschichtungsflächen
4.1.1 Bereiche, in denen eine Beschichtung nicht zulässig ist
Dazu gehören Bereiche, die einen elektrischen Anschluss erfordern, wie beispielsweise Goldpads, Goldfinger, durchkontaktierte Löcher und Testlöcher; Batterien und Batteriehalter; Steckverbinder; Sicherungen und Gehäuse; Kühlkörper; Jumper; Kameraobjektive in optischen Geräten; Potentiometer; Sensoren; Schalter ohne abgedichtete Bauweise; sowie alle Bereiche, in denen eine Beschichtung die Leistung oder den normalen Betrieb beeinträchtigen würde.
4.1.2 Zu beschichtende Bereiche
Alle Lötstellen, Stifte und leitfähigen Teile der Bauteile müssen beschichtet sein.
4.1.3 Optionale Beschichtungsbereiche
Für diese Bereiche gibt es keine eindeutigen verbindlichen Anforderungen an die Beschichtung. Sie können je nach Produktanforderungen und Kundenstandards beschichtet werden.
4.2 Norm für die Schichtdicke und Prüfverfahren
Die Schichtdicke sollte auf einer ebenen, unbedeckten und ausgehärteten Oberfläche der Leiterplattenbaugruppe gemessen werden. Sie kann auch auf einer Begleitplatine gemessen werden, die im gleichen Prozess wie die Baugruppe hergestellt wurde. Die Begleitplatine kann aus demselben Material wie die Leiterplatte bestehen oder aus einem nicht porösen Material wie Metall oder Glas. Die Messung der Nassschichtdicke kann ebenfalls als optionale Methode zur Überprüfung der Beschichtungsdicke verwendet werden. In diesem Fall muss das Umrechnungsverhältnis von Trocken- zu Nassschichtdicke im Voraus bekannt sein, und die entsprechenden Aufzeichnungen müssen aufbewahrt werden.
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.
