1. Ιστορικό της διαδικασίας
Καθώς τα εξαρτήματα των PCBA γίνονται μικρότερα και πιο πυκνά, η απόσταση μεταξύ των εξαρτημάτων και το ύψος απόστασης των εξαρτημάτων —δηλαδή το κενό μεταξύ του εξαρτήματος και της πλακέτας PCB— μειώνονται επίσης. Ταυτόχρονα, οι περιβαλλοντικοί παράγοντες ασκούν ολοένα και μεγαλύτερη επίδραση στο PCBA. Για τον λόγο αυτό, τα ηλεκτρονικά προϊόντα απαιτούν πλέον υψηλότερο επίπεδο αξιοπιστίας.
Τα εξαρτήματα των πλακετών PCBA μεταβάλλονται από μεγάλα σε μικρά και από αραιή διάταξη σε πυκνή διάταξη. Στο πλαίσιο της τάσης προς τη μικροποίηση και την υψηλή πυκνότητα, τα προβλήματα βλαβών που προκαλούνται από το περιβάλλον γίνονται όλο και πιο σοβαρά. Για τον λόγο αυτό, η επίστρωση προστασίας έχει καταστεί μια βασική διαδικασία για τη διασφάλιση της αξιοπιστίας των πλακετών PCBA κατά τη χρήση.
2. Επίδραση διαφόρων περιβαλλοντικών παραγόντων στο PCBA
Συνηθισμένοι περιβαλλοντικοί παράγοντες, όπως η υγρασία, η σκόνη, το αλατόνερο και η μούχλα, μπορούν να προκαλέσουν διάφορα είδη βλαβών στα PCBA. Οι κύριες επιπτώσεις είναι οι εξής.
2.1 Επίδραση της υγρασίας
Τα περισσότερα ηλεκτρονικά συγκροτήματα PCB που χρησιμοποιούνται σε ανοιχτό περιβάλλον διατρέχουν κίνδυνο διάβρωσης. Το νερό είναι το κύριο μέσο που προκαλεί διάβρωση. Τα μόρια του νερού είναι πολύ μικρά, οπότε μπορούν να διεισδύσουν μέσα από τα μοριακά κενά ορισμένων πολυμερών υλικών και να εισχωρήσουν στο εσωτερικό του υλικού. Μπορούν επίσης να περάσουν μέσα από μικροσκοπικές οπές στην επίστρωση και να φτάσουν στο μεταλλικό στρώμα που βρίσκεται από κάτω, προκαλώντας έτσι διάβρωση.
Όταν ο αέρας φτάσει σε ένα συγκεκριμένο επίπεδο υγρασίας, μπορεί να προκαλέσει ηλεκτροχημική μετανάστευση στο PCB, ρεύμα διαρροής και παραμόρφωση του σήματος στα κυκλώματα υψηλής συχνότητας.
Ατμός ή υγρασία + ιόντες ρύπων, όπως άλατα και ενεργοποιητές ροής = αγώγιμος ηλεκτρολύτης + τάση καταπόνησης = ηλεκτροχημική μετανάστευση
Όταν η σχετική υγρασία φτάσει το 80%, μπορεί να σχηματιστεί μια υδατική μεμβράνη πάχους 5 έως 20 μορίων. Σε αυτό το σημείο, πολλά μόρια μπορούν να κινούνται ελεύθερα. Εάν υπάρχει άνθρακας, ενδέχεται να προκύψουν ηλεκτροχημικές αντιδράσεις. Όταν η σχετική υγρασία φτάσει το 60%, μπορεί να σχηματιστεί μια μεμβράνη νερού πάχους 2 έως 4 μορίων στην επιφάνεια της συσκευής. Εάν διαλυθούν ρύποι σε αυτήν, ενδέχεται να συμβούν χημικές αντιδράσεις. Όταν η σχετική υγρασία είναι χαμηλότερη από 20%, η διάβρωση σταματά σχεδόν εντελώς.
Για τον λόγο αυτό, η προστασία από την υγρασία αποτελεί σημαντικό μέρος της προστασίας του προϊόντος.
Στον ηλεκτρονικό εξοπλισμό, η υγρασία εμφανίζεται σε τρεις μορφές: νερό βροχής, συμπύκνωση και υδρατμοί. Το νερό είναι ηλεκτρολύτης. Μπορεί να διαλύσει πολλά διαβρωτικά ιόντα και, στη συνέχεια, να προκαλέσει διάβρωση στο μέταλλο. Όταν η θερμοκρασία σε ένα σημείο του εξοπλισμού είναι χαμηλότερη από το σημείο δρόσου, σχηματίζεται συμπύκνωση στην εν λόγω επιφάνεια. Αυτό μπορεί να συμβεί σε δομικά μέρη ή στο PCBA.
2.2 Επίδραση της σκόνης
Στον αέρα υπάρχει σκόνη. Η σκόνη μπορεί να απορροφήσει ιόντες ρύπων και στη συνέχεια να κατακαθίσει στο εσωτερικό των ηλεκτρονικών συσκευών. Αυτό μπορεί να προκαλέσει βλάβη. Πρόκειται για ένα συνηθισμένο πρόβλημα για τις ηλεκτρονικές συσκευές που βρίσκονται σε εξωτερικούς χώρους.
Η σκόνη μπορεί να χωριστεί σε δύο τύπους. Η χονδροειδής σκόνη αποτελείται από ακανόνιστα σωματίδια με διάμετρο από 2,5 έως 15 μικρά. Συνήθως δεν προκαλεί βλάβες ή σχηματισμό τόξου, αλλά μπορεί να επηρεάσει την επαφή των συνδετήρων. Η λεπτή σκόνη αποτελείται από ακανόνιστα σωματίδια με διάμετρο μικρότερη από 2,5 μικρά. Η λεπτή σκόνη που κατακάθεται πάνω σε μια πλακέτα PCBA έχει κάποια πρόσφυση, οπότε μπορεί να αφαιρεθεί μόνο με μια αντιστατική βούρτσα.
Οι βλαβερές επιπτώσεις της σκόνης είναι οι εξής:
α. Όταν η σκόνη κατακαθίζει στην επιφάνεια του PCBA, μπορεί να προκαλέσει ηλεκτροχημική διάβρωση και να αυξήσει το ποσοστό αστοχίας της συσκευής.
β. Ο συνδυασμός σκόνης, θερμότητας και υγρασίας, καθώς και αλατούχου ψεκασμού, προκαλεί τις μεγαλύτερες ζημιές στα PCBA. Οι ηλεκτρονικές συσκευές που βρίσκονται κοντά στην ακτή, σε ερημικές περιοχές ή σε αλαλο-αλκαλικά εδάφη, κατά τη διάρκεια της περιόδου των βροχών νότια του ποταμού Χουάι, καθώς και κοντά σε χημικά εργοστάσια ή περιοχές εξόρυξης, παρουσιάζουν το υψηλότερο ποσοστό βλαβών.
Για τον λόγο αυτό, η προστασία από τη σκόνη αποτελεί σημαντικό μέρος της προστασίας του προϊόντος.
2.3 Επίδραση του ψεκασμού με αλατόνερο
Ο αλατούχος ψεκασμός σχηματίζεται από τη δράση των κυμάτων, τις παλίρροιες, την ατμοσφαιρική κυκλοφορία (όπως οι μουσώνες), την ατμοσφαιρική πίεση και την ηλιακή ακτινοβολία. Μπορεί να μεταφερθεί προς την ενδοχώρα με τον άνεμο. Η συγκέντρωσή του μειώνεται καθώς αυξάνεται η απόσταση από την ακτή. Συνήθως, σε απόσταση 1 χλμ. από την ακτή, η συγκέντρωση ανέρχεται μόνο στο 1% της τιμής που παρατηρείται στην ακτή. Κατά τη διάρκεια της περιόδου των τυφώνων, ο αλατούχος ομίχλης μπορεί να μεταφερθεί πιο βαθιά στην ενδοχώρα.
Οι βλαβερές επιπτώσεις του ψεκασμού με αλάτι είναι οι εξής:
α. Προκαλεί ζημιά στο στρώμα επιμετάλλωσης των μεταλλικών δομικών στοιχείων.
β. Επιταχύνει την ηλεκτροχημική διάβρωση, η οποία μπορεί να οδηγήσει σε θραύση των μεταλλικών καλωδίων και σε βλάβη των εξαρτημάτων.
Συχνές είναι επίσης παρόμοιες πηγές διάβρωσης:
α. Ο ανθρώπινος ιδρώτας περιέχει αλάτι, ουρία, γαλακτικό οξύ και άλλες χημικές ουσίες. Αυτές μπορούν να προκαλέσουν το ίδιο είδος διάβρωσης με το αλατόνερο στις ηλεκτρονικές συσκευές. Για τον λόγο αυτό, πρέπει να φοριούνται γάντια κατά τη συναρμολόγηση και τη χρήση, ενώ τα γυμνά χέρια δεν πρέπει να έρχονται σε επαφή με τις επιμεταλλωμένες επιφάνειες.
β. Το υλικό ροής περιέχει αλογόνο και όξινες ουσίες. Το PCBA πρέπει να καθαρίζεται, ενώ το επίπεδο των υπολειμμάτων του υλικού ροής πρέπει να ελέγχεται αυστηρά.
Για τον λόγο αυτό, η προστασία από το αλατόνερο αποτελεί σημαντικό μέρος της προστασίας των προϊόντων.
2.4 Επίδραση της μούχλας
Ο όρος “μούχλα” είναι μια κοινή ονομασία για τους νηματώδεις μύκητες. Σημαίνει «μύκητες που σχηματίζουν μούχλα». Συχνά σχηματίζουν διακλαδισμένο και πυκνό μυκήλιο, αλλά δεν αναπτύσσουν μεγάλα καρποφόρα σώματα όπως τα μανιτάρια. Σε ζεστά και υγρά μέρη, πολλά αντικείμενα αναπτύσσουν ορατές αποικίες που μοιάζουν με χνούδι, βαμβάκι ή ιστό. Αυτή είναι η μούχλα.
Οι βλαβερές επιπτώσεις της μούχλας είναι οι εξής:
α. Η μούχλα τρέφεται και αναπτύσσεται πάνω σε οργανικά υλικά. Αυτό μπορεί να μειώσει τις μονωτικές ιδιότητες του υλικού και να προκαλέσει ζημιά και βλάβη.
β. Τα προϊόντα του μεταβολισμού των μυκήτων είναι οργανικά οξέα. Αυτά μπορούν να επηρεάσουν τη μόνωση και τη διηλεκτρική αντοχή, καθώς και να προκαλέσουν προβλήματα σχηματισμού τόξου.
Για τον λόγο αυτό, η προστασία από τη μούχλα αποτελεί σημαντικό μέρος της προστασίας του προϊόντος.
3. Επισκόπηση της διαδικασίας εφαρμογής συμμορφικής επίστρωσης
Λαμβάνοντας υπόψη την πλήρη επίδραση της υγρασίας, της σκόνης, του αλατούχου ψεκασμού, της μούχλας και άλλων περιβαλλοντικών παραγόντων διάβρωσης, το PCBA πρέπει να απομονώνεται όσο το δυνατόν περισσότερο από το εξωτερικό περιβάλλον, προκειμένου να βελτιωθεί η αξιοπιστία του. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο εισήχθη η διαδικασία της προστατευτικής επίστρωσης.
Η επίστρωση προσαρμογής ονομάζεται επίσης επίστρωση επιφάνειας ή επίστρωση προσαρμογής. Η αγγλική ονομασία της είναι «coating» ή «conformal coating». Σήμερα αποτελεί την πιο συνηθισμένη μέθοδο προστασίας της επιφάνειας των πλακετών τυπωμένων κυκλωμάτων (PCB) μετά τη συγκόλληση. Η διαδικασία αυτή συνίσταται στην εφαρμογή ενός λεπτού μονωτικού προστατευτικού στρώματος στην επιφάνεια της πλακέτας. Απομονώνει τα ευαίσθητα ηλεκτρονικά εξαρτήματα από τις δυσμενείς συνθήκες περιβάλλοντος, βελτιώνει σημαντικά την ασφάλεια και την αξιοπιστία των ηλεκτρονικών προϊόντων και παρατείνει τη διάρκεια ζωής τους.
Η επίστρωση τύπου conformal μπορεί να προστατεύσει τα κυκλώματα και τα εξαρτήματα από την υγρασία, τους ρύπους, τη διάβρωση, τις καταπονήσεις, τους κραδασμούς, τις μηχανικές δονήσεις και τους θερμικούς κύκλους. Μπορεί επίσης να βελτιώσει τη μηχανική αντοχή και τις μονωτικές ιδιότητες. Μετά την επίστρωση, σχηματίζεται μια διαφανής προστατευτική μεμβράνη στην επιφάνεια της πλακέτας τυπωμένου κυκλώματος (PCB). Αυτή η μεμβράνη εμποδίζει την είσοδο σταγόνων νερού και υγρασίας, ενώ αποτρέπει τις διαρροές και τις βλάβες λόγω βραχυκυκλώματος.
4. Βασικά σημεία της διαδικασίας εφαρμογής συμμορφικής επίστρωσης με βάση IPC-A-610E
4.1 Ταξινόμηση των περιοχών επικάλυψης
4.1.1 Περιοχές όπου δεν επιτρέπεται η επίστρωση
Σε αυτές περιλαμβάνονται περιοχές που απαιτούν ηλεκτρική σύνδεση, όπως χρυσά σημεία επαφής, χρυσά δάκτυλα, οπές με επιμετάλλωση και οπές δοκιμής· μπαταρίες και υποδοχές μπαταριών· συνδετήρες· ασφάλειες και περιβλήματα· ψύκτρες· γέφυρες· φακοί καμερών σε οπτικές συσκευές· ποτενσιόμετρα· αισθητήρες· διακόπτες χωρίς σφραγισμένη κατασκευή· καθώς και όλες οι περιοχές όπου η επίστρωση θα επηρεάσει την απόδοση ή την κανονική λειτουργία.
4.1.2 Περιοχές που πρέπει να επικαλυφθούν
Όλες οι συγκολλήσεις, οι ακίδες και τα αγώγιμα μέρη των εξαρτημάτων πρέπει να είναι επικαλυμμένα.
4.1.3 Περιοχές προαιρετικής επίστρωσης
Για τις περιοχές αυτές δεν υπάρχει σαφής υποχρεωτική απαίτηση επίστρωσης. Η επίστρωσή τους μπορεί να πραγματοποιηθεί ανάλογα με τις ανάγκες του προϊόντος και τα πρότυπα του πελάτη.
4.2 Πρότυπο πάχους επικάλυψης και μέθοδος δοκιμής
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.
