1. Process Background
As PCBA components become smaller and more dense, the distance between parts and the stand-off height of parts, which is the gap between the part and the PCB, also become smaller. At the same time, environmental factors have a greater and greater effect on PCBA. Because of this, electronic products now need a higher level of reliability.
PCBA parts are changing from large to small, and from loose layout to dense layout. Under the trend of miniaturization and high density, failure problems caused by the environment are becoming more and more serious. For this reason, conformal coating has become a key process to protect PCBA reliability in use.
2. Effect of Different Environmental Factors on PCBA
Common environmental factors such as moisture, dust, salt spray, and mold can all cause different kinds of PCBA failure. The main effects are as follows.
2.1 Effect of Humidity
Most electronic PCB assemblies used in an open environment face a risk of corrosion. Water is the main medium that causes corrosion. Water molecules are very small, so they can pass through the molecular gaps of some polymer materials and enter the inside of the material. They can also go through pinholes in the coating and reach the metal layer below, and then cause corrosion.
When the air reaches a certain level of humidity, it can cause electrochemical migration on the PCB, leakage current, and signal distortion in high-frequency circuits.
Steam or moisture + ion pollutants such as salts and flux activators = conductive electrolyte + stress voltage = electrochemical migration
When relative humidity reaches 80%, a water film with a thickness of 5 to 20 molecules can form. At this point, many molecules can move freely. If carbon is present, electrochemical reactions may happen. When relative humidity reaches 60%, a water film with a thickness of 2 to 4 molecules can form on the surface of the device. If pollutants dissolve into it, chemical reactions may happen. When relative humidity is lower than 20%, almost all corrosion stops.
Because of this, moisture protection is an important part of product protection.
For electronic equipment, moisture exists in three forms: rainwater, condensation, and water vapor. Water is an electrolyte. It can dissolve many corrosive ions and then corrode metal. When the temperature of one area on the equipment is lower than the dew point, condensation will form on that surface. This can happen on structural parts or on the PCBA.
2.2 Effect of Dust
Dust exists in the air. Dust can absorb ion pollutants and then settle inside electronic equipment. This can cause failure. This is a common problem for outdoor electronic equipment.
Dust can be divided into two types. Coarse dust is irregular particles with a diameter of 2.5 to 15 microns. It usually does not cause failure or arcing, but it can affect the contact of connectors. Fine dust is irregular particles with a diameter smaller than 2.5 microns. Fine dust that falls on a PCBA board has some adhesion, so it can only be removed with an anti-static brush.
The harm of dust is as follows:
a. When dust settles on the surface of the PCBA, it can cause electrochemical corrosion and raise the failure rate of the device.
b. The combination of dust, heat and humidity, and salt spray causes the most damage to PCBA. Electronic devices near the coast, in desert areas or saline-alkali land, in the rainy season south of the Huai River, and near chemical plants or mining areas have the highest failure rate.
Because of this, dust protection is an important part of product protection.
2.3 Effect of Salt Spray
Salt spray is formed by wave action, tides, atmospheric circulation such as monsoon, air pressure, and sunlight. It can drift inland with the wind. The concentration becomes lower as the distance from the coast increases. Usually, at 1 km from the coast, the concentration is only 1% of the value at the shore. During typhoon seasons, salt spray can drift farther inland.
The harm of salt spray is as follows:
a. It damages the plating layer on metal structural parts.
b. It speeds up electrochemical corrosion, which can cause metal wires to break and parts to fail.
Similar corrosion sources are also common:
a. Human sweat contains salt, urea, lactic acid, and other chemical substances. These can cause the same kind of corrosion as salt spray on electronic devices. For this reason, gloves should be worn during assembly and use, and bare hands must not touch plated surfaces.
b. Flux contains halogen and acidic substances. PCBA must be cleaned, and the flux residue level must be strictly controlled.
Because of this, salt spray protection is an important part of product protection.
2.4 Effect of Mold
Mold is a common name for filamentous fungi. It means “mold-growing fungi.” They often form branched and dense mycelium, but they do not form large fruiting bodies like mushrooms. In warm and humid places, many items grow visible fuzzy, cotton-like, or web-like colonies. That is mold.
The harm of mold is as follows:
a. Mold eats and grows on organic materials. This can lower the insulation performance of the material and cause damage and failure.
b. The metabolic products of mold are organic acids. These can affect insulation and dielectric strength, and can cause arcing problems.
Because of this, mold protection is an important part of product protection.
3. Overview of Conformal Coating Process
Based on the full effect of humidity, dust, salt spray, mold, and other environmental corrosion factors, the PCBA must be isolated from the outside environment as much as possible in order to improve reliability. This is why the conformal coating process was introduced.
Conformal coating is also called surface coating or conformal coating. Its English name is coating or conformal coating. It is now the most common post-solder surface protection method for PCB. This process applies a thin insulating protective layer on the PCB surface. It separates sensitive electronic parts from harsh environments, greatly improves the safety and reliability of electronic products, and extends product life.
Conformal coating can protect circuits and parts from moisture, pollutants, corrosion, stress, shock, mechanical vibration, and thermal cycling. It can also improve mechanical strength and insulation performance. After coating, a transparent protective film forms on the PCB surface. This film can block water drops and moisture from entering, and it can prevent leakage and short-circuit failures.
4. Key Points of Conformal Coating Process Based on IPC-A-610E
4.1 Coating Area Classification
4.1.1 Areas Where Coating Is Not Allowed
These include areas that need electrical connection, such as gold pads, gold fingers, plated through holes, and test holes; batteries and battery holders; connectors; fuses and housings; heat sinks; jumpers; camera lenses in optical devices; potentiometers; sensors; switches without sealed structures; and all areas where coating will affect performance or normal operation.
4.1.2 Areas That Must Be Coated
All solder joints, pins, and conductive parts of components must be coated.
4.1.3 Optional Coating Areas
These areas have no clear mandatory coating requirement. They can be coated based on product needs and customer standards.
4.2 Coating Thickness Standard and Test Method
El espesor del recubrimiento debe medirse en una superficie plana, sin recubrimiento y curada del conjunto de circuito impreso. También puede medirse en una placa complementaria fabricada durante el mismo proceso que el conjunto. La placa complementaria puede estar fabricada con el mismo material que la PCB, o bien con un material no poroso, como metal o vidrio. La medición del espesor de la película húmeda también puede utilizarse como método opcional para comprobar el espesor del recubrimiento. En este caso, debe conocerse de antemano la relación de conversión entre la película seca y la húmeda, y deben conservarse los registros correspondientes.
Métodos de ensayo del espesor:
- Medición del espesor de la película seca: se puede utilizar un micrómetro, siguiendo la norma IPC-CC-830B. También se puede utilizar un medidor de espesor de película seca ferroso.
- Medición del espesor de la película húmeda: utilice un medidor de espesor de película húmeda para medir dicho espesor y, a continuación, conviértalo en el espesor real de la película seca basándose en la proporción de contenido en sólidos del material de recubrimiento.
4.3 Requisitos de resolución de los bordes
Definición: el borde de una línea pulverizada por una válvula de pulverización normal no puede ser perfectamente recto. Siempre habrá pequeñas irregularidades. La anchura de estas irregularidades se denomina «resolución del borde».
Requisito del proceso: cuanto menor sea el valor de la resolución de los bordes, mayor será la precisión del recubrimiento. No existe una norma fija única; solo es necesario que se cumpla con los requisitos específicos del cliente.
4.4 Requisito de uniformidad
El recubrimiento conformado debe formar una película completa sobre la superficie del producto. La película debe tener un espesor uniforme, ser lisa y transparente. La cobertura del recubrimiento debe ser uniforme en todo el producto. Tras el recubrimiento, la superficie del producto no debe presentar grietas, separación de capas, efecto piel de naranja, contaminación, efecto capilar, burbujas ni otros defectos de proceso.
5. Proceso completo de recubrimiento conformable y métodos principales
5.1 Preparación previa
Prepara el producto PCBA, el material de recubrimiento conformado y el resto de materiales auxiliares. Identifica las zonas que requieren protección mediante enmascaramiento local. Confirma y fija todos los detalles clave del proceso.
5.2 Proceso de limpieza
La limpieza debe realizarse lo antes posible una vez finalizada la soldadura de la placa de circuito impreso (PCBA). Esto ayuda a evitar que los residuos de soldadura se vuelvan difíciles de eliminar una vez que se hayan endurecido. En primer lugar, hay que determinar si el contaminante es polar o no polar y, a continuación, elegir el agente de limpieza adecuado.
Si se utiliza un producto de limpieza a base de alcohol, la zona de trabajo debe estar bien ventilada. Tras la limpieza, es imprescindible secar bien la pieza, para que los restos de disolvente no provoquen una explosión en el horno al evaporarse. Si se utiliza un proceso de lavado con agua, utilice un líquido de limpieza emulsionado ligeramente alcalino para eliminar los residuos de fundente y, a continuación, aclare bien con agua pura. Asegúrese de que se cumpla el estándar de calidad de limpieza.
5.3 Proceso de protección mediante enmascaramiento
Cuando no se utilicen equipos de recubrimiento selectivo, las zonas que no se vayan a recubrir deben enmascararse antes de aplicar el recubrimiento. Utilice cinta adhesiva que no deje residuos ni transfiera pegamento. En el caso de los componentes de circuitos integrados, se debe utilizar primero cinta de papel antiestática. Todos los componentes deben enmascararse y protegerse siguiendo estrictamente las indicaciones del plano.
5.4 Proceso de deshumidificación
Tras la limpieza y el enmascaramiento, la placa de circuito impreso ensamblada (PCBA) debe someterse a un precalentamiento y a un proceso de deshumidificación antes del recubrimiento. En función de la temperatura máxima que pueda soportar la PCBA, se debe elegir la temperatura de precalentamiento y el tiempo de mantenimiento adecuados. De este modo, se elimina por completo la humedad de la placa y del interior de los componentes.
5.5 Principales métodos de recubrimiento
El proceso de recubrimiento conformado puede elegirse de forma flexible en función del nivel de protección del PCBA, el equipo de producción y la configuración técnica. Los principales métodos son los cuatro siguientes.
5.5.1 Aplicación manual con brocha
El recubrimiento con pincel tiene un amplio abanico de aplicaciones. Es especialmente adecuado para la producción de lotes pequeños, productos con estructuras PCBA complejas y densas, y productos que requieren una protección de enmascaramiento rigurosa. Ofrece un gran control manual y permite evitar con gran precisión las zonas sin recubrimiento, lo que evita la contaminación.
Este proceso utiliza muy poco material de recubrimiento, por lo que resulta adecuado para recubrimientos de dos componentes de alto coste. Requiere un alto nivel de destreza por parte del operario. Antes de comenzar el trabajo, el operario debe comprender los requisitos de recubrimiento indicados en el plano, identificar los diferentes componentes, conocer claramente las zonas que no deben recubrirse y realizar marcas que sean fáciles de ver. Durante todo el proceso de trabajo, no se deben tocar con las manos desnudas las piezas impresas que se van a ensamblar, para evitar así la contaminación secundaria.
5.5.2 Recubrimiento manual por inmersión
El recubrimiento por inmersión permite formar una capa uniforme, continua y completa. El resultado general del recubrimiento es muy bueno. Sin embargo, no es adecuado para productos PCBA que contengan condensadores ajustables, núcleos magnéticos ajustables, potenciómetros, núcleos magnéticos en forma de copa o piezas con un sellado deficiente.
Los parámetros clave del proceso de recubrimiento por inmersión son: ajustar con precisión la viscosidad del recubrimiento conformado; controlar estrictamente la velocidad de elevación de la placa de circuito impreso ensamblada (PCBA); la velocidad de elevación no debe superar 1 metro por segundo, para evitar que se formen burbujas en el recubrimiento.
5.5.3 Recubrimiento por pulverización manual
Este método es adecuado para productos con estructuras complejas, gran variedad de tipos y lotes de pequeño tamaño, en los que no es posible la producción en serie mediante equipos automáticos. Permite cubrir muy bien las esquinas especiales y las zonas con huecos.
Notas de trabajo: la niebla de pulverización puede contaminar fácilmente las zonas sin recubrimiento, como las piezas enchufables de las placas de circuito impreso, los zócalos de circuitos integrados, los contactos de precisión y las zonas de puesta a tierra. Por lo tanto, es necesario aplicar una protección de enmascaramiento antes de la pulverización. Los operarios no deben tocar los conectores impresos con las manos desnudas, para evitar que se ensucie la superficie de contacto.
5.5.4 Recubrimiento por pulverización automática
Este método suele utilizar equipos de recubrimiento automático selectivo. Es adecuado para la producción estandarizada a gran escala. Presenta las ventajas de una buena uniformidad del recubrimiento, una alta precisión y una menor contaminación medioambiental. A medida que la industria se moderniza, los costes laborales aumentan y la normativa medioambiental se vuelve más estricta, los equipos de pulverización automática están sustituyendo poco a poco al recubrimiento manual tradicional. Se está convirtiendo en el método principal del sector.
