۱. پیشزمینه فرآیند
با کوچکتر و متراکمتر شدن قطعات PCBAs، فاصله بین قطعات و ارتفاع جداکنندهی قطعات، که فاصله بین قطعه و برد مدار چاپی است، نیز کاهش مییابد. در عین حال، عوامل محیطی تأثیر فزایندهای بر برد مدار چاپی مونتاژشده. به همین دلیل، محصولات الکترونیکی اکنون به سطح بالاتری از قابلیت اطمینان نیاز دارند.
قطعات PCB از اندازههای بزرگ به کوچک و از چیدمان پراکنده به چیدمان متراکم در حال تغییر هستند. در روند مینیاتوریسازی و افزایش چگالی، مشکلات خرابی ناشی از عوامل محیطی روزبهروز جدیتر میشوند. به همین دلیل، پوشش محافظ شکلگیر (conformal coating) به فرایندی کلیدی برای حفظ قابلیت اطمینان PCB در حین استفاده تبدیل شده است.
۲. تأثیر عوامل محیطی مختلف بر مونتاژ برد مدار چاپی (PCBA)
عوامل محیطی رایج مانند رطوبت، گرد و غبار، اسپری نمک و کپک میتوانند باعث انواع مختلف خرابیهای مونتاژ برد مدار چاپی (PCBA) شوند. اثرات اصلی به شرح زیر است.
۲.۱ اثر رطوبت
اکثر مونتاژهای برد مدار چاپی الکترونیکی که در محیط باز استفاده میشوند، در معرض خطر خوردگی قرار دارند. آب مهمترین عاملی است که باعث خوردگی میشود. مولکولهای آب بسیار کوچک هستند، بنابراین میتوانند از شکافهای مولکولی برخی مواد پلیمری عبور کرده و وارد درون ماده شوند. آنها همچنین میتوانند از سوراخهای ریز پوشش عبور کرده و به لایه فلزی زیرین برسند و سپس باعث خوردگی شوند.
وقتی رطوبت هوا به سطح معینی برسد، میتواند باعث مهاجرت الکتروشیمیایی روی برد مدار چاپی (PCB)، جریان نشت و اعوجاج سیگنال در مدارهای فرکانس بالا شود.
بخار یا رطوبت + آلایندههای یونی مانند نمکها و فعالکنندههای فلکس = الکترولیت رسانا + ولتاژ تنش = مهاجرت الکتروشیمیایی
وقتی رطوبت نسبی به ۸۰۱TP3T میرسد، لایهای از آب با ضخامت ۵ تا ۲۰ مولکول میتواند تشکیل شود. در این نقطه، بسیاری از مولکولها میتوانند آزادانه حرکت کنند. اگر کربن حضور داشته باشد، ممکن است واکنشهای الکتروشیمیایی رخ دهند. وقتی رطوبت نسبی به ۶۰٪ میرسد، لایهای از آب با ضخامت ۲ تا ۴ مولکول میتواند روی سطح دستگاه تشکیل شود. اگر آلایندهها در آن حل شوند، ممکن است واکنشهای شیمیایی رخ دهد. وقتی رطوبت نسبی کمتر از ۲۰٪ باشد، تقریباً تمام خوردگی متوقف میشود.
به همین دلیل، محافظت در برابر رطوبت بخش مهمی از محافظت از محصول است.
برای تجهیزات الکترونیکی، رطوبت به سه شکل وجود دارد: آب باران، تراکم و بخار آب. آب یک الکترولیت است. میتواند بسیاری از یونهای خورنده را حل کند و سپس فلز را زنگ بزند. وقتی دمای یک ناحیه از تجهیزات پایینتر از نقطه شبنم باشد، تراکم روی آن سطح تشکیل میشود. این میتواند روی قطعات سازهای یا روی برد مدار چاپی مونتاژشده (PCBA) رخ دهد.
۲.۲ اثر گرد و غبار
گرد و غبار در هوا وجود دارد. گرد و غبار میتواند آلایندههای یونی را جذب کرده و سپس در داخل تجهیزات الکترونیکی رسوب کند. این میتواند باعث خرابی شود. این یک مشکل رایج برای تجهیزات الکترونیکی فضای باز است.
گرد و غبار را میتوان به دو نوع تقسیم کرد. گرد و غبار درشت ذراتی نامنظم با قطر ۲.۵ تا ۱۵ میکرون است. این نوع معمولاً باعث خرابی یا قوس الکتریکی نمیشود، اما میتواند بر تماس کانکتورها تأثیر بگذارد. گرد و غبار ریز ذراتی نامنظم با قطر کمتر از ۲.۵ میکرون است. گرد و غبار ریز که روی برد PCB (برد مدار چاپی) مینشیند، دارای چسبندگی است، بنابراین تنها با برس ضدالکتریسیته ساکن قابل پاک شدن است.
ضرر گرد و غبار به شرح زیر است:
الف. وقتی گرد و غبار روی سطح برد مدار چاپی مونتاژشده (PCBA) مینشیند، میتواند باعث خوردگی الکتروشیمیایی شده و نرخ خرابی دستگاه را افزایش دهد.
ب. ترکیب گرد و غبار، گرما و رطوبت و اسپری نمک بیشترین آسیب را به بردهای مدار چاپی نصبشده (PCBA) وارد میکند. دستگاههای الکترونیکی نزدیک سواحل، در مناطق بیابانی یا زمینهای شور-قلیایی، در فصل بارندگی در جنوب رودخانه هوای و نزدیک کارخانههای شیمیایی یا مناطق معدنی بالاترین نرخ خرابی را دارند.
به همین دلیل، محافظت در برابر گرد و غبار بخش مهمی از محافظت از محصول است.
۲.۳ اثر اسپری نمک
مه نمکی توسط عمل موج، جزر و مد، گردش جوی مانند مونسون، فشار هوا و نور خورشید تشکیل میشود. این مه میتواند با باد به داخل خشکی رانده شود. با افزایش فاصله از ساحل، غلظت آن کاهش مییابد. معمولاً در فاصله یک کیلومتری از ساحل، غلظت تنها ۱۱ درصد از مقدار آن در ساحل است. در فصلهای توفان، اسپری نمک میتواند تا فواصل دورتری به داخل سرزمین نفوذ کند.
ضرر اسپری نمک به شرح زیر است:
الف. لایه آبکاری روی قطعات سازهای فلزی را آسیب میزند.
ب. این امر خوردگی الکتروشیمیایی را تسریع میکند که میتواند باعث پارگی سیمهای فلزی و خرابی قطعات شود.
منابع خوردگی مشابه نیز رایج هستند:
عرق بدن انسان حاوی نمک، اوره، اسید لاکتیک و سایر مواد شیمیایی است. این مواد میتوانند همان نوع خوردگی ناشی از اسپری نمک را در دستگاههای الکترونیکی ایجاد کنند. به همین دلیل، در حین مونتاژ و استفاده باید از دستکش استفاده شود و دستهای لخت نباید با سطوح آبکاریشده تماس پیدا کنند.
ب. فلکس حاوی مواد هالوژنه و اسیدی است. PCBAs باید تمیز شوند و سطح باقیمانده فلکس باید بهطور دقیق کنترل شود.
به همین دلیل، محافظت در برابر پاشش نمک بخش مهمی از محافظت از محصول است.
۲.۴ اثر کپک
کپک نام رایجی برای قارچهای رشتهای است. این واژه به معنای “قارچهای کپکزا” است. آنها اغلب میسیلیوم شاخهدار و متراکم تشکیل میدهند، اما بدنههای میوهای بزرگ مانند قارچها را ایجاد نمیکنند. در مکانهای گرم و مرطوب، روی بسیاری از اشیاء کلنیهای پشمالو، پنبهایمانند یا تارمانند قابل رؤیت رشد میکند. این همان کپک است.
ضرر کپک به شرح زیر است:
الف. کپک روی مواد آلی رشد میکند و آنها را میخورد. این میتواند عملکرد عایقکاری ماده را کاهش داده و باعث آسیب و خرابی شود.
ب. محصولات متابولیک کپک اسیدهای آلی هستند. این مواد میتوانند بر عایقکاری و مقاومت دیالکتریک تأثیر بگذارند و باعث مشکلات قوس الکتریکی شوند.
به همین دلیل، محافظت در برابر کپک بخش مهمی از محافظت از محصول است.
۳. مروری بر فرآیند پوشش تطبیقی
با توجه به تأثیر کامل رطوبت، گرد و غبار، پاشش نمک، کپک و سایر عوامل خوردگی محیطی، برد مدار چاپی مونتاژشده (PCBA) باید تا حد امکان از محیط بیرونی ایزوله شود تا قابلیت اطمینان آن افزایش یابد. به همین دلیل فرآیند پوشش تطبیقی معرفی شد.
پوشش تطبیقی همچنین به نام پوشش سطحی یا پوشش تطبیقی نیز شناخته میشود. نام انگلیسی آن coating یا conformal coating است. این روش در حال حاضر رایجترین روش محافظت سطحی پس از لحیمکاری برای PCB است. این فرآیند یک لایه نازک عایق محافظ را روی سطح PCB اعمال میکند. این پوشش قطعات الکترونیکی حساس را از محیطهای سخت جدا میکند، ایمنی و قابلیت اطمینان محصولات الکترونیکی را به طور قابل توجهی افزایش میدهد و عمر محصول را افزایش میدهد.
پوشش کنفورمال میتواند مدارها و قطعات را در برابر رطوبت، آلایندهها، خوردگی، تنش، ضربه، لرزش مکانیکی و تغییرات دمایی محافظت کند. همچنین میتواند استحکام مکانیکی و عملکرد عایق را بهبود بخشد. پس از اعمال پوشش، یک لایه محافظ شفاف روی سطح PCB تشکیل میشود. این لایه میتواند از ورود قطرات آب و رطوبت جلوگیری کرده و از نشت و خطاهای اتصال کوتاه جلوگیری کند.
۴. نکات کلیدی فرآیند پوشش کنفورمال بر اساس IPC-A-610E
۴.۱ طبقهبندی ناحیه پوشش
۴.۱.۱ مناطقی که پوشش مجاز نیست
این موارد شامل بخشهایی هستند که نیاز به اتصال الکتریکی دارند، مانند پدهای طلایی، انگشتان طلایی، سوراخهای آبکاریشده عبوری و سوراخهای تست؛ باتریها و نگهدارندههای باتری؛ کانکتورها؛ فیوزها و محفظههای آنها؛ هیتسینکها؛ جامپرها؛ لنزهای دوربین در دستگاههای اپتیکی؛ پتانسیومترها؛ حسگرها؛ کلیدهایی که فاقد ساختار آببندیشده هستند؛ و تمامی بخشهایی که پوشش آنها بر عملکرد یا کارکرد عادی تأثیر میگذارد.
۴.۱.۲ نواحی که باید پوشش داده شوند
تمام اتصالات لحیم، پینها و قطعات رسانای اجزا باید پوشانده شوند.
۴.۱.۳ نواحی پوشش اختیاری
این نواحی هیچ الزام پوششدهی مشخصی ندارند. میتوان آنها را بر اساس نیازهای محصول و استانداردهای مشتری پوششدهی کرد.
۴.۲ استاندارد ضخامت پوشش و روش آزمون
ضخامت پوشش باید روی سطح صاف، بدون پوشش و کاملاً پختهشده مونتاژ مدار چاپی اندازهگیری شود. همچنین میتوان آن را روی برد همراهی که در همان فرآیند مونتاژ ساخته شده است، اندازهگیری کرد. برد همراه میتواند از همان جنس PCB ساخته شود یا از مادهای غیرمتخلخل مانند فلز یا شیشه باشد. اندازهگیری ضخامت فیلم مرطوب نیز میتواند بهعنوان یک روش اختیاری برای بررسی ضخامت پوشش استفاده شود. در این صورت، نسبت تبدیل فیلم خشک به مرطوب باید از قبل مشخص باشد و سوابق آن نگهداری شود.
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.
