1. Prosessin tausta
Kun PCBA-komponentit pienenevät ja tiivistyvät, myös osien välinen etäisyys ja osien erottelukorkeus – eli osan ja piirilevyn välinen rako – pienenevät. Samalla ympäristötekijöiden vaikutus kasvaa yhä enemmän PCBA. Tästä syystä elektroniikkatuotteilta vaaditaan nykyään entistä parempaa luotettavuutta.
PCBA-komponentit ovat muuttumassa suurista pieniksi ja harvasta tiheään sijoitukseen. Miniatyrisoinnin ja tiheän sijoittelun myötä ympäristön aiheuttamat vikaprobleemat ovat yhä vakavampia. Tästä syystä suojapinnoitus on noussut keskeiseksi prosessiksi, jolla varmistetaan PCBA:n luotettavuus käytön aikana.
2. Erilaisten ympäristötekijöiden vaikutus PCBA:han
Yleiset ympäristötekijät, kuten kosteus, pöly, suolasumu ja home, voivat kaikki aiheuttaa erilaisia PCBA-vikoja. Tärkeimmät vaikutukset ovat seuraavat.
2.1 Kosteuden vaikutus
Useimmat avoimessa ympäristössä käytettävät elektroniset piirilevykokoonpanot ovat alttiina korroosiolle. Vesi on tärkein korroosiota aiheuttava tekijä. Vesimolekyylit ovat hyvin pieniä, joten ne pääsevät tunkeutumaan joidenkin polymeerimateriaalien molekyyliväleihin ja pääsemään materiaalin sisään. Ne voivat myös tunkeutua pinnoitteen pienien reikien läpi alla olevaan metallikerrokseen ja aiheuttaa siellä korroosiota.
Kun ilman kosteus saavuttaa tietyn tason, se voi aiheuttaa sähkökemiallista migraatiota piirilevyllä, vuotovirtaa sekä signaalin vääristymiä suurtaajuuspiireissä.
Höyry tai kosteus + ioniset epäpuhtaudet, kuten suolat ja juotosaineiden aktivaattorit = johtava elektrolyytti + jännite = sähkökemiallinen migraatio
Kun suhteellinen kosteus nousee arvoon 80%, pinnalle voi muodostua 5–20 molekyylin paksuinen vesikalvo. Tässä vaiheessa monet molekyylit voivat liikkua vapaasti. Jos pinnalla on hiiltä, voi syntyä sähkökemiallisia reaktioita. Kun suhteellinen kosteus nousee arvoon 60%, laitteen pinnalle voi muodostua 2–4 molekyylin paksuinen vesikalvo. Jos siihen liukenee epäpuhtauksia, voi syntyä kemiallisia reaktioita. Kun suhteellinen kosteus on alle 20%, lähes kaikki korroosio lakkaa.
Tämän vuoksi kosteussuojaus on tärkeä osa tuotteen suojaamista.
Elektroniikkalaitteissa kosteutta esiintyy kolmessa muodossa: sadevesi, kondensaatio ja vesihöyry. Vesi on elektrolyytti. Se voi liuottaa monia syövyttäviä ioneja ja aiheuttaa siten metallin korroosiota. Kun laitteen jonkin alueen lämpötila on alhaisempi kuin kastepiste, kyseiselle pinnalle muodostuu kondensaatiota. Tämä voi tapahtua rakenneosissa tai piirilevyllä (PCBA).
2.2 Pölyn vaikutus
Ilmassa on pölyä. Pöly voi imeä itseensä ionisia epäpuhtauksia ja laskeutua sitten elektroniikkalaitteiden sisään. Tämä voi aiheuttaa toimintahäiriöitä. Tämä on yleinen ongelma ulkona sijaitsevissa elektroniikkalaitteissa.
Pöly voidaan jakaa kahteen tyyppiin. Karkea pöly koostuu epäsäännöllisistä hiukkasista, joiden halkaisija on 2,5–15 mikronia. Se ei yleensä aiheuta vikoja tai kipinöintiä, mutta se voi vaikuttaa liittimien kosketukseen. Hienopöly koostuu epäsäännöllisistä hiukkasista, joiden halkaisija on alle 2,5 mikronia. PCBA-levylle laskeutunut hienopöly tarttuu jonkin verran, joten se voidaan poistaa vain antistaattisella harjalla.
Pölyn haitat ovat seuraavat:
a. Kun pöly laskeutuu PCBA:n pinnalle, se voi aiheuttaa sähkökemiallista korroosiota ja lisätä laitteen vikaantumisastetta.
b. Pölyn, lämmön ja kosteuden sekä suolasumun yhdistelmä aiheuttaa eniten vaurioita PCBA-piirilevyille. Vikaantumisaste on korkein niissä elektroniikkalaitteissa, jotka sijaitsevat rannikolla, aavikkoalueilla tai suola-alkalimailla, Huai-joen eteläpuolella sadekauden aikana sekä kemiantehtaiden tai kaivosalueiden läheisyydessä.
Tämän vuoksi pölysuojaus on tärkeä osa tuotteen suojaamista.
2.3 Suolasumun vaikutus
Suolapilvi muodostuu aaltojen vaikutuksesta, vuoroveden liikkeistä, ilmakehän kiertoliikkeistä (kuten monsuuni), ilmanpaineesta ja auringonvalosta. Se voi kulkeutua tuulen mukana sisämaahan. Pitoisuus laskee, kun etäisyys rannikosta kasvaa. Yleensä 1 km:n päässä rannikosta pitoisuus on vain 1% rannikolla mitatusta arvosta. Taifuunikauden aikana suolapilvi voi kulkeutua kauemmas sisämaahan.
Suolasumun aiheuttamat haitat ovat seuraavat:
a. Se vahingoittaa metallisten rakenneosien pinnoitetta.
b. Se kiihdyttää sähkökemiallista korroosiota, mikä voi aiheuttaa metallilankojen katkeamisen ja osien vikaantumisen.
Myös vastaavat korroosiolähteet ovat yleisiä:
a. Ihmisen hiki sisältää suolaa, ureaa, maitohappoa ja muita kemiallisia aineita. Nämä voivat aiheuttaa elektroniikkalaitteille samanlaista korroosiota kuin suolasumu. Tästä syystä asennuksen ja käytön aikana on käytettävä suojakäsineitä, eikä pinnoitettuja pintoja saa koskettaa paljain käsin.
b. Fluxissa on halogeeneja ja happamia aineita. PCBA on puhdistettava, ja fluxin jäämien määrää on valvottava tarkasti.
Tämän vuoksi suolasumusuojaus on tärkeä osa tuotteiden suojaamista.
2.4 Homeen vaikutus
“Home” on yleisnimitys säikeisille sienille. Se tarkoittaa ”homeen kasvavia sieniä”. Ne muodostavat usein haarautuneen ja tiheän sienirihmaston, mutta eivät muodosta suuria hedelmäkappaleita kuten sienet. Lämpimissä ja kosteissa paikoissa monille esineille kasvaa näkyviä, nukkaisia, puuvillamaisia tai verkkomaisia pesäkkeitä. Se on hometta.
Homeen aiheuttamat haitat ovat seuraavat:
a. Home syö orgaanisia materiaaleja ja kasvaa niiden pinnalla. Tämä voi heikentää materiaalin eristyskykyä sekä aiheuttaa vaurioita ja vikoja.
b. Homeen aineenvaihduntatuotteita ovat orgaaniset hapot. Ne voivat vaikuttaa eristykseen ja läpilyöntilujuuteen sekä aiheuttaa kipinöintiongelmia.
Tämän vuoksi homeen torjunta on tärkeä osa tuotteiden suojaamista.
3. Katsaus konformaalipinnoitusprosessiin
Kun otetaan huomioon kosteuden, pölyn, suolasumun, homeen ja muiden ympäristöstä johtuvien korroosiotekijöiden kokonaisvaikutus, PCBA-piirilevy on eristettävä ulkoisesta ympäristöstä mahdollisimman tehokkaasti luotettavuuden parantamiseksi. Tästä syystä otettiin käyttöön suojapinnoitusprosessi.
Konformaalipinnoitetta kutsutaan myös pintapinnoitteeksi tai konformaalipinnoitteeksi. Sen englanninkielinen nimi on coating tai conformal coating. Se on nykyään yleisin piirilevyjen pinnan suojausmenetelmä juottamisen jälkeen. Tässä prosessissa piirilevyn pinnalle levitetään ohut eristävä suojakerros. Se suojaa herkkiä elektronisia komponentteja ankarilta ympäristöolosuhteilta, parantaa merkittävästi elektroniikkatuotteiden turvallisuutta ja luotettavuutta sekä pidentää tuotteen käyttöikää.
Konformaalipinnoite suojaa piirejä ja komponentteja kosteudelta, epäpuhtauksilta, korroosiolta, rasitukselta, iskuilta, mekaaniselta tärinältä ja lämpösykleistä. Se voi myös parantaa mekaanista lujuutta ja eristyskykyä. Pinnoituksen jälkeen piirilevyn pinnalle muodostuu läpinäkyvä suojakalvo. Tämä kalvo estää vesipisaroiden ja kosteuden tunkeutumisen ja ehkäisee vuotamista sekä oikosulkuvikoja.
4. Konformaalisen pinnoitusprosessin keskeiset kohdat, jotka perustuvat IPC-A-610E
4.1 Pinnoitusalueiden luokittelu
4.1.1 Alueet, joilla pinnoitus ei ole sallittua
Näihin kuuluvat alueet, jotka vaativat sähköliitännän, kuten kultapinnat, kultasormet, läpipinnoitetut reiät ja testireiät; paristot ja paristopidikkeet; liittimet; sulakkeet ja niiden kotelot; jäähdytyselementit; hyppyjohdot; optisten laitteiden kameran linssit; potentiometrit; anturit; kytkimet, joissa ei ole tiivistettyä rakennetta; sekä kaikki alueet, joilla pinnoite vaikuttaa laitteen suorituskykyyn tai normaaliin toimintaan.
4.1.2 Pinnoitettavat alueet
Kaikki juotosliitokset, nastat ja komponenttien johtavat osat on päällystettävä.
4.1.3 Valinnaiset pinnoitusalueet
Näille alueille ei ole asetettu selkeitä pakollisia pinnoitusvaatimuksia. Ne voidaan pinnoittaa tuotteen tarpeiden ja asiakkaan vaatimusten mukaisesti.
4.2 Pinnoitteen paksuuden standardi ja testausmenetelmä
Pinnoitteen paksuus tulisi mitata painetun piirilevykokoonpanon tasaiselta, paljaalta ja kovettuneelta pinnalta. Se voidaan mitata myös samassa prosessissa kuin kokoonpano valmistetulta vertailulevyltä. Vertailulevy voi olla valmistettu samasta materiaalista kuin piirilevy, tai se voi olla huokoamatonta materiaalia, kuten metallia tai lasia. Märkäkalvon paksuuden mittausta voidaan käyttää myös vaihtoehtoisena tapana tarkistaa pinnoitteen paksuus. Tällöin kuiva-märkä-kalvon muuntokerroin on tiedettävä etukäteen, ja mittaustulokset on kirjattava.
Paksuuden mittausmenetelmät:
- Kuivakalvon paksuuden mittaus: mittaukseen voidaan käyttää mikrometriä IPC-CC-830B-standardin mukaisesti. Myös rautapohjaista kuivakalvon paksuusmittaria voidaan käyttää.
- Märkäkalvon paksuuden mittaus: mittaa märkäkalvon paksuus märkäkalvon paksuusmittarilla ja muunna se sitten todelliseksi kuivakalvon paksuudeksi pinnoitemateriaalin kiintoainepitoisuuden perusteella.
4.3 Reunan erottelutarkkuusvaatimus
Määritelmä: Normaalilla sumutusventtiilillä sumutetun viivan reuna ei voi olla täysin suora. Siihen jää pieniä epätasaisuuksia. Näiden epätasaisuuksien leveyttä kutsutaan reunan erottelukyvyksi.
Prosessivaatimus: mitä pienempi reunan erottelukykyarvo on, sitä tarkempi pinnoitus on. Yhtä ainoaa vakiostandardia ei ole. Sen on vain täytettävä asiakkaan asettamat vaatimukset.
4.4 Yhdenmukaisuusvaatimus
Konformaalipinnoitteen on muodostettava yhtenäinen kalvo tuotteen pinnalle. Kalvon paksuuden on oltava tasainen, ja sen on oltava sileä ja kirkas. Pinnoitteen peittokyvyn on oltava tasainen koko tuotteen alueella. Pinnoituksen jälkeen tuotteen pinnalla ei saa näkyä halkeamia, kerrosten irtoamista, appelsiininkuorimaisuutta, epäpuhtauksia, kapillaarivaikutusta, kuplia tai muita valmistusvirheitä.
5. Täydellinen konformaalipinnoitusprosessi ja tärkeimmät menetelmät
5.1 Varhainen valmistautuminen
Valmistele PCBA-tuote, suojapinnoitemateriaali ja muut apumateriaalit. Määritä alueet, jotka on suojattava paikallisesti peittämällä. Varmista ja vahvista kaikki keskeiset prosessitiedot.
5.2 Puhdistusprosessi
Puhdistus tulisi suorittaa mahdollisimman pian PCBA-juottamisen päätyttyä. Näin vältetään se, että juotosjäämät kovettuvat ja niiden poistaminen vaikeutuu. Arvioi ensin, onko epäpuhtaus polaarinen vai ei-polaarinen, ja valitse sen jälkeen sopiva puhdistusaine.
Jos käytetään alkoholipohjaista puhdistusainetta, työalueen on oltava hyvin tuuletettu. Puhdistuksen jälkeen alue on kuivattava huolellisesti, jotta liuottimen jäännökset eivät aiheuta uunin räjähdystä haihtuessaan. Jos käytetään vesipesuprosessia, käytä hieman emäksistä emulgoitua puhdistusnestettä juotosjäämiä poistettaessa ja huuhtele sen jälkeen huolellisesti puhtaalla vedellä. Varmista, että puhdistuksen laatustandardi täyttyy.
5.3 Peittosuojausprosessi
Jos valikoivaa pinnoituslaitetta ei käytetä, pinnoittamattomat alueet on peitettävä ennen pinnoitusta. Käytä teippiä, joka ei jätä jälkiä eikä siirrä liimaa. Piirikomponenttien osalta on käytettävä ensin antistaattista paperiteippiä. Kaikki osat on peitettävä ja suojattava tarkasti piirustuksen mukaisesti.
5.4 Ilmankuivausprosessi
Puhdistuksen ja peittämisen jälkeen PCBA-levy on esikuumennettava ja kuivattava ennen pinnoitusta. Valitse sopiva esikuumennuslämpötila ja pitoaika sen mukaan, mikä on PCBA-levyn suurin sallittu lämpötila. Tämä poistaa kosteuden kokonaan piirilevystä ja komponenttien sisältä.
5.5 Tärkeimmät pinnoitusmenetelmät
Konformaalipinnoitusprosessi voidaan valita joustavasti PCBA:n suojausasteen, tuotantolaitteiden ja teknisen kokoonpanon perusteella. Tärkeimmät menetelmät ovat seuraavat neljä tyyppiä.
5.5.1 Manuaalinen sivellinpinnoitus
Harjapinnoitus soveltuu monenlaisiin käyttötarkoituksiin. Se sopii erityisesti pienerien tuotantoon, tuotteisiin, joissa on monimutkaisia ja tiheitä PCBA-rakenteita, sekä tuotteisiin, joissa peittosuojausvaatimukset ovat tiukat. Menetelmä mahdollistaa tarkan manuaalisen hallinnan ja antaa mahdollisuuden välttää pinnoittamattomat alueet erittäin tarkasti, mikä estää kontaminaatiota.
Tässä prosessissa käytetään hyvin vähän pinnoitemateriaalia, joten se sopii kalliille kaksikomponenttipinnoitteille. Se vaatii käyttäjältä korkeaa ammattitaitoa. Ennen työn aloittamista käyttäjän on ymmärrettävä piirustuksessa esitetyt pinnoitusvaatimukset, tunnistettava eri komponentit, tiedettävä selvästi alueet, joita ei saa pinnoittaa, ja tehtävä merkinnät selvästi näkyviksi. Koko työprosessin ajan paljaat kädet eivät saa koskettaa painettuja liitososia, jotta vältytään toissijaiselta likaantumiselta.
5.5.2 Manuaalinen kastelupinnoitus
Kastelupinnoituksella voidaan muodostaa tasainen, yhtenäinen ja kattava pinnoitekerros. Pinnoituksen kokonaisvaikutus on erittäin hyvä. Menetelmä ei kuitenkaan sovellu PCBA-tuotteille, joissa on säädettävät kondensaattorit, säädettävät magneettisydämet, potentiometrit, kupinmuotoiset magneettisydämet tai huonosti tiivistetyt osat.
Kastopäällystyksen keskeiset prosessiparametrit ovat seuraavat: suojapäällysteen viskositeetti on säädettävä tarkasti; PCBA:n nostonopeutta on valvottava tiukasti; nostonopeus ei saa ylittää yhtä metriä sekunnissa, jotta päällysteeseen ei muodostu ilmakuplia.
5.5.3 Manuaalinen ruiskumaalaus
Tämä menetelmä sopii tuotteille, joilla on monimutkainen rakenne, joita on monenlaisia ja joiden eräkoot ovat pieniä, ja joiden massatuotanto automaattisilla laitteilla ei ole mahdollista. Se pystyy käsittelemään erityiset kulmat ja raot erittäin hyvin.
Työohjeet: ruiskutus sumu voi helposti likaantua alueita, joihin pinnoitetta ei ole tarkoitus levittää, kuten piirilevyjen liitinkappaleita, IC-liittimiä, tarkkuuskoskettimia ja maadoitusalueita. Siksi suojaaminen on suoritettava ennen ruiskuttamista. Käyttäjien ei saa koskettaa painettuja liittimiä paljain käsin, jotta kosketuspinta ei likaannu.
5.5.4 Automaattinen ruiskumaalaus
Tässä menetelmässä käytetään yleensä valikoivia automaattisia pinnoituslaitteita. Se soveltuu laajamittaiseen standardoituun tuotantoon. Sen etuja ovat pinnoituksen tasaisuus, korkea tarkkuus ja vähäisempi ympäristön pilaantuminen. Teollisuuden kehittyessä, työvoimakustannusten noustessa ja ympäristömääräysten tiukentuessa automaattiset ruiskutuslaitteet ovat vähitellen korvaamassa perinteisen manuaalisen pinnoituksen. Siitä on tulossa alan pääasiallinen menetelmä.
