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.
Verfahren zur Dickenprüfung:
- Messung der Trockenfilmdicke: Gemäß der Norm IPC-CC-830B kann ein Mikrometer verwendet werden. Alternativ kann auch ein Messgerät für die Trockenfilmdicke auf Eisenbasis verwendet werden.
- Messung der Nassschichtdicke: Messen Sie die Nassschichtdicke mit einem Nassschichtdickenmessgerät und rechnen Sie den Wert anschließend anhand des Feststoffgehalts des Beschichtungsmaterials in die tatsächliche Trockenschichtdicke um.
4.3 Anforderungen an die Kantenauflösung
Definition: Die Kante einer durch ein normales Sprühventil aufgesprühten Linie kann nicht vollkommen gerade sein. Es entstehen kleine Grate. Die Breite dieser Grate wird als Kantenauflösung bezeichnet.
Prozessanforderung: Je kleiner der Wert für die Kantenauflösung ist, desto höher ist die Beschichtungsgenauigkeit. Es gibt keinen einheitlichen Standard. Es muss lediglich die individuelle Anforderung des Kunden erfüllt werden.
4.4 Anforderung an die Gleichmäßigkeit
Die konforme Beschichtung muss einen lückenlosen Film auf der Produktoberfläche bilden. Der Film muss eine gleichmäßige Dicke aufweisen, glatt und klar sein. Die Beschichtungsdeckung muss über das gesamte Produkt hinweg einheitlich sein. Nach der Beschichtung darf die Produktoberfläche keine Risse, Schichtablösungen, Orangenhaut, Verunreinigungen, Kapillareffekte, Blasen oder sonstige Prozessfehler aufweisen.
5. Der gesamte Prozess der konformen Beschichtung und die wichtigsten Verfahren
5.1 Frühzeitige Vorbereitung
Bereiten Sie das PCBA-Produkt, das Schutzlackmaterial und sonstige Hilfsmaterialien vor. Ermitteln Sie die Bereiche, die lokal abgeklebt werden müssen. Überprüfen und legen Sie alle wichtigen Prozessdetails fest.
5.2 Reinigungsprozess
Die Reinigung sollte so bald wie möglich nach Abschluss des Lötvorgangs an der Leiterplatte erfolgen. So lässt sich vermeiden, dass Lötrückstände nach dem Aushärten nur noch schwer zu entfernen sind. Stellen Sie zunächst fest, ob es sich um polare oder unpolare Verunreinigungen handelt, und wählen Sie dann das passende Reinigungsmittel aus.
Bei Verwendung eines Reinigungsmittels auf Alkoholbasis muss der Arbeitsbereich gut belüftet sein. Nach der Reinigung muss eine gründliche Trocknung erfolgen, damit beim Verdunsten keine Lösungsmittelrückstände eine Ofenexplosion verursachen. Bei einem Wasserwaschverfahren sollten Sie eine leicht alkalische, emulgierte Reinigungsflüssigkeit verwenden, um Flussmittelrückstände zu entfernen, und anschließend gründlich mit reinem Wasser spülen. Stellen Sie sicher, dass die Reinigungsqualitätsstandards eingehalten werden.
5.3 Verfahren zum Schutz durch Abdeckung
Wenn keine selektiven Beschichtungsanlagen verwendet werden, müssen die nicht zu beschichtenden Bereiche vor dem Beschichten abgeklebt werden. Verwenden Sie Klebeband, das keine Rückstände hinterlässt und keinen Klebstoff abgibt. Bei IC-Bauteilen sollte zunächst antistatisches Papierklebeband verwendet werden. Alle Bauteile müssen streng gemäß der Zeichnung abgeklebt und geschützt werden.
5.4 Entfeuchtungsprozess
Nach der Reinigung und dem Abkleben muss die Leiterplatte vor dem Beschichten vorgebacken und entfeuchtet werden. Wählen Sie die geeignete Vorbrenntemperatur und Haltezeit entsprechend der maximalen Temperatur aus, die die Leiterplatte verträgt. Dadurch wird die Feuchtigkeit vollständig aus der Leiterplatte und aus dem Inneren der Bauteile entfernt.
5.5 Wichtigste Beschichtungsverfahren
Das Verfahren zur konformen Beschichtung kann je nach Schutzgrad der Leiterplatte, der Produktionsausrüstung und den technischen Gegebenheiten flexibel gewählt werden. Die wichtigsten Verfahren sind die folgenden vier Arten.
5.5.1 Manuelles Auftragen mit dem Pinsel
Das Pinselbeschichten hat ein breites Anwendungsspektrum. Es eignet sich vor allem für die Kleinserienfertigung, für Produkte mit komplexen und dichten PCBA-Strukturen sowie für Produkte mit hohen Anforderungen an den Maskierungsschutz. Es ermöglicht eine gute manuelle Kontrolle und lässt sich sehr präzise auf Bereiche anwenden, die nicht beschichtet werden sollen, wodurch Verunreinigungen vermieden werden können.
Bei diesem Verfahren wird nur sehr wenig Beschichtungsmaterial verbraucht, weshalb es sich für kostspielige Zweikomponentenbeschichtungen eignet. Es erfordert ein hohes Maß an Fachkenntnis seitens des Bedieners. Vor Arbeitsbeginn muss der Bediener die in der Zeichnung festgelegten Beschichtungsanforderungen verstehen, die verschiedenen Bauteile identifizieren, die nicht zu beschichtenden Bereiche genau kennen und die Markierungen gut sichtbar anbringen. Während des gesamten Arbeitsprozesses dürfen die bedruckten Einbauteile nicht mit bloßen Händen berührt werden, um eine sekundäre Verunreinigung zu vermeiden.
5.5.2 Manuelles Tauchbeschichten
Durch das Tauchbeschichten lässt sich eine gleichmäßige, durchgehende und lückenlose Beschichtungsschicht aufbringen. Das Beschichtungsergebnis ist insgesamt sehr gut. Dieses Verfahren eignet sich jedoch nicht für PCBA-Produkte mit einstellbaren Kondensatoren, einstellbaren Magnetkernen, Potentiometern, becherförmigen Magnetkernen oder Bauteilen mit unzureichender Abdichtung.
Die wichtigsten Prozessparameter für das Tauchbeschichten sind: Die Viskosität der Schutzbeschichtung muss genau eingestellt werden; die Hubgeschwindigkeit der Leiterplatte muss streng kontrolliert werden; die Hubgeschwindigkeit darf nicht mehr als 1 Meter pro Sekunde betragen, damit sich keine Blasen in der Beschichtung bilden.
5.5.3 Manuelle Sprühbeschichtung
Dieses Verfahren eignet sich für Produkte mit komplexen Strukturen, vielen verschiedenen Ausführungen und kleinen Losgrößen, bei denen eine Massenproduktion mit automatisierten Anlagen nicht möglich ist. Es deckt spezielle Ecken und Spaltbereiche sehr gut ab.
Hinweise zur Arbeit: Sprühnebel kann Bereiche, die nicht beschichtet werden sollen, wie beispielsweise Steckverbinder auf Leiterplatten, IC-Sockel, Präzisionskontakte und Erdungsbereiche, leicht verunreinigen. Daher muss vor dem Sprühen ein Schutz durch Abkleben erfolgen. Das Bedienpersonal darf bedruckte Steckverbinder nicht mit bloßen Händen berühren, damit die Kontaktfläche nicht verschmutzt wird.
5.5.4 Automatische Sprühbeschichtung
Bei diesem Verfahren kommen in der Regel selektive automatische Beschichtungsanlagen zum Einsatz. Es eignet sich für die groß angelegte, standardisierte Produktion. Zu seinen Vorteilen zählen eine gleichmäßige Beschichtung, hohe Präzision und eine geringere Umweltbelastung. Im Zuge der Modernisierung der Branche, steigender Arbeitskosten und strengerer Umweltauflagen verdrängen automatische Sprühanlagen nach und nach die herkömmliche manuelle Beschichtung. Sie entwickeln sich zunehmend zum vorherrschenden Verfahren in der Branche.
