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.
روشهای آزمون ضخامت:
- اندازهگیری ضخامت فیلم خشک: میتوان از میکرومتر مطابق استاندارد IPC-CC-830B استفاده کرد. همچنین میتوان از گیج ضخامت فیلم خشک مغناطیسی نیز استفاده کرد.
- اندازهگیری ضخامت فیلم مرطوب: از گیج ضخامت فیلم مرطوب برای اندازهگیری ضخامت فیلم مرطوب استفاده کنید، سپس بر اساس نسبت محتوای جامد ماده پوشش آن را به ضخامت واقعی فیلم خشک تبدیل کنید.
۴.۳ الزام وضوح لبه
تعریف: لبهای که توسط یک شیر اسپری معمولی پاشیده میشود، نمیتواند کاملاً صاف باشد. برجستگیهای کوچکی وجود خواهند داشت. عرض این برجستگیها را وضوح لبه مینامند.
نیازمندی فرآیند: هرچه مقدار وضوح لبه کمتر باشد، دقت پوششدهی بالاتر است. هیچ استاندارد ثابت و یکنواختی وجود ندارد. تنها باید نیاز سفارشی مشتری را برآورده کند.
۴.۴ الزام یکنواختی
پوشش کونفورمال باید یک فیلم کامل روی سطح محصول ایجاد کند. این فیلم باید از نظر ضخامت یکنواخت، صاف و شفاف باشد. پوشش باید در سراسر محصول یکنواخت باشد. پس از پوششدهی، سطح محصول نباید ترکها، جدایش لایهها، پوست پرتقالی، آلودگی، اثر مویینی، حبابها یا سایر نواقص فرآیند را نشان دهد.
۵. فرآیند کامل پوشش کونفورمال و روشهای اصلی
۵.۱ آمادهسازی مقدماتی
محصول برد مدار چاپی مونتاژشده (PCBA)، ماده پوشش تطبیقی و سایر مواد کمکی را آماده کنید. نواحی نیازمند محافظت موضعی با ماسک را شناسایی کنید. تمام جزئیات کلیدی فرآیند را تأیید و تثبیت کنید.
۵.۲ فرآیند تمیزکاری
پاکسازی باید در اسرع وقت پس از پایان لحیمکاری PCB انجام شود. این کار کمک میکند تا پس از جامد شدن، باقیمانده لحیم سخت و غیرقابلحذف نشود. ابتدا تشخیص دهید آلودگی قطبی است یا غیرقطبی، و سپس عامل پاککننده مناسب را انتخاب کنید.
اگر از عامل تمیزکنندهٔ الکلی استفاده شود، محل کار باید تهویهٔ مناسبی داشته باشد. پس از تمیزکاری، خشککردن باید بهطور کامل انجام شود تا حلال باقیمانده هنگام تبخیر باعث انفجار کوره نشود. اگر از فرآیند شستوشوی آبی استفاده میشود، از مایع تمیزکنندهٔ امولسیونشدهٔ کمی قلیایی برای زدودن باقیماندهٔ فلوکس استفاده کرده و سپس با آب خالص بهطور کامل آبکشی کنید. اطمینان حاصل کنید که استاندارد کیفیت تمیزکاری رعایت شده است.
۵.۳ فرآیند محافظت با ماسک
وقتی از تجهیزات پوششدهی انتخابی استفاده نمیشود، نواحی بدون پوشش باید قبل از پوششدهی پوشانده شوند. از نوار چسبی استفاده کنید که هیچگونه باقیماندهای بر جای نگذارد و چسب منتقل نکند. برای قطعات IC ابتدا باید از نوار کاغذی ضدالکتریسیتهی ساکن استفاده شود. تمام قطعات باید دقیقاً مطابق نقشه پوشانده و محافظت شوند.
۵.۴ فرآیند رطوبتزدایی
پس از تمیزکاری و ماسکگذاری، برد مدار چاپی مونتاژشده (PCBA) باید پیش از پوششدهی، پخت اولیه شده و رطوبتزدایی شود. بر اساس حداکثر دمایی که PCBA میتواند تحمل کند، دمای مناسب پخت اولیه و زمان نگهداری را انتخاب کنید. این کار رطوبت را بهطور کامل از روی برد و داخل قطعات حذف میکند.
۵.۵ روشهای اصلی پوششدهی
فرآیند پوشش کونفورمال را میتوان بهطور انعطافپذیر بر اساس سطح محافظت برد مدار چاپی نصبشده (PCBA)، تجهیزات تولید و پیکربندی فنی انتخاب کرد. روشهای اصلی عبارتند از چهار نوع زیر.
۵.۵.۱ پوششدهی دستی با قلممو
پوشش با قلممو دامنهٔ کاربرد گستردهای دارد. این روش عمدتاً برای تولیدات دستهای کوچک، محصولاتی با ساختارهای پیچیده و متراکم PCB/BGA و محصولاتی با نیازهای سختگیرانهٔ محافظت با ماسکینگ مناسب است. این روش کنترل دستی قویای فراهم میکند و میتواند نواحی بدون پوشش را با دقت بسیار بالا اجتناب کند، بنابراین از آلودگی جلوگیری میکند.
این فرآیند از مقدار بسیار کمی پوشش استفاده میکند، بنابراین برای پوششهای دوجزئی با هزینه بالا مناسب است. این روش نیازمند مهارت بالایی از سوی اپراتور است. قبل از شروع کار، اپراتور باید الزامات پوشش را در نقشه درک کند، اجزای مختلف را شناسایی نماید، نواحی بدون پوشش را بهوضوح بشناسد و علائم را بهگونهای قرار دهد که بهراحتی قابل مشاهده باشند. در طول کل فرآیند کار، دستهای خالی نباید با قطعات پلاگین چاپشده تماس داشته باشند تا از آلودگی ثانویه جلوگیری شود.
۵.۵.۲ پوششدهی دستی با غوطهوری
پوشش غوطهوری میتواند یک لایه پوشش یکنواخت، پیوسته و کامل ایجاد کند. اثربخش کلی پوشش بسیار خوب است. با این حال، برای محصولات PCBA که دارای خازنهای قابل تنظیم، هستههای مغناطیسی قابل تنظیم، پتانسیومترها، هستههای مغناطیسی جامشکل یا قطعات با آببندی ضعیف هستند، مناسب نیست.
پارامترهای کلیدی فرآیند غوطهوری عبارتند از: تنظیم دقیق ویسکوزیته پوشش همسان؛ کنترل سختگیرانه سرعت بلند کردن برد مدار چاپی نصبشده (PCBA)؛ سرعت بلند کردن نباید از یک متر در ثانیه تجاوز کند تا حبابها در پوشش تشکیل نشوند.
۵.۵.۳ پوششدهی با اسپری دستی
این روش برای محصولاتی با ساختارهای پیچیده، انواع متعدد و اندازههای کوچک دستهای مناسب است که تولید انبوه آنها با تجهیزات خودکار امکانپذیر نیست. این روش میتواند گوشههای ویژه و نواحی دارای شکاف را بهخوبی پوشش دهد.
یادداشتهای کاری: پاشش مایع میتواند بهراحتی نواحی بدون پوشش مانند قطعات پلاگین PCB، سوکتهای IC، تماسهای دقیق و نواحی زمین را آلوده کند. بنابراین، قبل از پاشش باید محافظت با ماسک انجام شود. اپراتورها نباید با دستهای خالی به پینهای چاپشده تماس بگیرند تا سطح تماس کثیف نشود.
۵.۵.۴ پوششدهی اسپری خودکار
این روش معمولاً از تجهیزات پوششدهی خودکار انتخابی استفاده میکند. این روش برای تولید استاندارد در مقیاس بزرگ مناسب است. از مزایای آن میتوان به یکنواختی پوشش خوب، دقت بالا و آلودگی کمتر محیط زیست اشاره کرد. با ارتقای صنعت، افزایش هزینههای نیروی کار و سختگیرانهتر شدن مقررات زیستمحیطی، تجهیزات اسپری خودکار بهتدریج جایگزین پوششدهی دستی سنتی میشوند و در حال تبدیل شدن به روش اصلی در این صنعت هستند.
