Efekt obróbki plazmą przed conformal coating

Wstęp

Korozję wyprowadzeń z wykończeniem niklowo-palladowo-złotym (Ni-Pd-Au) w wilgotnym środowisku można zmniejszyć dzięki zastosowaniu powłoki ochronnej, takiej jak przykładowo akryl. Korozja pojawia najczęściej wokół zagięcia ostatniego z wyprowadzeń. Obróbka plazmowa o częstotliwości radiowej (RF), poprzez oddziaływanie jonowe, poprawia przyleganie powłoki ochronnej do powierzchni, jednak wpływ tego procesu na funkcjonalność zmontowanych PCB nie jest tak dobrze znany. Celem eksperymentu, opisanego w artykule Nordson March, jest ocena, czy obróbka plazmą może poprawić właściwości adhezyjne i stopień pokrycia akrylowej powłoki ochronnej na płytkach PCB, w szczególności na wyprowadzeniach Ni-Pd-Au z kolankiem, oraz czy obróbka plazmowa ma wpływ na funkcjonalność elektryczną komponentów i w pełni zmontowanej płytki PCB. Do oceny stopnia pokrycia akrylem powierzchni kolanka po obróbce plazmowej wykorzystano metodę optyczną natomiast do określenia funkcjonalności elektrycznej obwodu wykorzystano testy elektryczne.

Powszechnie stosowane wykończenie wyprowadzeń niklowo-palladowo-złote (Ni-Pd-Au) są podatne na korozję. Wiadomo powszechnie, że powłoki ochronne - parylen, uretan, żywice epoksydowe lub akryl - zmniejszają prawdopodobieństwo wystąpienia korozji. Jednak w opisywanym artykule największą uwagę zwrócono na przyleganie powłoki ochronnej z płytką drukowaną. Bombardowanie jonami reaktywnymi przy użyciu plazmy argonowej o częstotliwości radiowej jest jedną ze znanych metod zwiększania przyczepności powierzchni za pomocą kinetycznego przenoszenia energii atomowej, padającej na powierzchnię bombardowaną, co tworzy wiązania nazywane dandling bonds. Ze względu na jego zdolność do usuwania topników i związków organicznych występujących w procesach opartych na przepływie lutowniczym, których nie można usunąć za pomocą konwencjonalnego przemywania wodą, badano również wpływ jednoczesnego stosowania tlenu z argonem. Do badania wpływu obróbki plazmowej przed nałożeniem powłoki konforemnej wybrano powłokę na bazie akrylu.

Jak wspomniano, szczególną uwagę zwrócono na jakość pokrycia ochronnego wokół wyprowadzeń Ni-Pd-Au i jego kolanka. Chociaż pod tym względem obróbka plazmowa ma niewątpliwe zalety, obawiano się, że proces plazmowy wpłynie na funkcjonalność użytych komponentów.

Badanie zostało przeprowadzone wspólnie przez przez Nordson ASYMTEK, Nordson MARCH, AirBorn Electronics i Desich SMART Center (DSC). W eksperymencie użyto powłoki Humiseal 1B31 Acrylic.

Ocenę przeprowadzono w trzech etapach:

• Etap 1: przetestowanie wpływu parametrów procesu oddziaływania plazmą argonową RF na elementy dyskretne w celu weryfikacji obaw, dotyczących wpływu podciśnienia i mocy plazmy na funkcjonalność elektryczną.
• Etap 2: ocena wpływu mocy plazmy i gazów procesowych na zmontowane PCB za pomocą metrologii optycznej i testów elektrycznych
• Etap 3: ocena wpływu takich parametrów procesu jak czasu oddziaływania plazmą i ciśnienia gazu procesowego na częściowo lub w pełni zmontowane PCB za pomocą testów elektrycznych i metrologii optycznej.

Na etapie 2 i 3 eksperymentu użyto czterech zestawów PCB. Zestaw A składał się z sześciu częściowo zmontowanych PCB, z których każda zawierała mikrokontroler i elementy SMT, których można było użyć do zasilania mikrokontrolera i włączenia diody LED. Zestaw B składał się z sześciu płytek tylko z mikrokontrolerem, który miał być używany wyłącznie do pomiarów optycznych. Zestaw C składał się z sześciu w pełni wypełnionych i funkcjonalnych płytek z komponentami dyskretnymi i komponentami SMT. Zestaw D składał się z pojedynczej, w pełni zmontowanej płytki, która pełniła rolę wzorca i nie była poddana obróbce plazmowej RF,

Wyniki

Testy na etapie 1 wykazały zmiany w parametrów elektrycznych wszystkich kondensatorów elektrolitycznych przed i po obróbce próżniowej i plazmowej mniejsze niż 2%, co mieściło się w akceptowalnych poziomach.

Ocena optyczna na etapie 2 wykazała łącznie 40 µm – 60 µm warstwy akrylu 1B31 na pinach płytek zestawu A. Niepowlekane wyprowadzenia mikrokontrolera Ni-Pd-Au miały  grubość kolana w zakresie od 220 µm do 230 µm. Pomiary optyczne wykonane po powlekaniu wstępnym i końcowym wykazały zwiększenie grubości osadzonego akrylu po użyciu plazmy o mocy RF na poziomie 225 watów, z mieszaniną argonu z tlenem odpowiednio 80-20%. W przypadku użycia Ar/O₂ nastąpił wzrost grubości warstwy ochronnej o 275 µm – 285 µm mierzonej w kolanku wyprowadzenia.

Warto podkreślić, iż wzrost grubości warstwy ochronnej był o 15% większy niż w przypadku obróbki plazmą tylko w atmosferze argonu. Obserwacje wizualne wykazały, że powłoka akrylowa miała lepsze pokrycie, szczególnie pod pinem i na dolnej części mikrokontrolera (Rysunek 1). Gdy proces obróbki plazmą przeprowadzano bez obecności O₂, między pinem o mikrokontrolerem często tworzyły się „podłużnice” i bąbelki (Rysunek 2). Grubość powłoki na pinach po użyciu mieszanki Ar/O₂ była taka sama dla plazmy o mocy 225 i 300 watów, natomiast w obu przypadkach grubość były o 5% większa niż przy aplikacji plazmy 150 wat, dlatego tez jako optymalną specyfikację wskazano plazmę o mocy 225 W z mieszaniną 80-20% gazu Ar i O₂. Płytki, które zostały przetestowane elektrycznie w etapie 2, okazały się w pełni funkcjonalne: każdy mikrokontroler miał zasilanie, wyprowadził zaprogramowaną oscylację i mógł zaakceptować nowy kod.

Rysunek 1: Zestaw płytek A przed obróbką Ar/O₂ (lewa strona) i zestaw płytek B po obróbce w mieszanej plazmie Ar/O₂ (prawa strona). Źródło: The Effects of Plasma Treatment Prior to Conformal Coating © Nordson March

Pomiary optyczne dla etapu 3 wykazały 40 µm – 60 µm powłoki akrylowej 1B31 na płytkach zestawu B. Kiedy ciśnienie procesu z obecnością  Ar/O₂ zostało zwiększone ze 150 mTorr do 500 mTorr, kolanko wyprowadzenia pozostawało dobrze pokryte, jednak pojawiały się dodatkowe podłużne formacje zalewy i pęcherzyki, utrudniające wykonanie bezpośredniego pomiaru grubości w kolanku: oszacowano jednak, że warstwa w tym miejscu wynosiła od 240 µm do 260 µm.

Rysunek 2: Wyprowadzenie przed (strona lewa) i po (strona prawa) obróbce płyty w optymalnych ustawieniach Źródło: The Effects of Plasma Treatment Prior to Conformal Coating © Nordson March

Wnioski

Obróbka plazmowa PCB za pomocą Nordson MARCH AP-300 zwiększyła jakość pokrycia zalewy akrylowej Humiseal® 1B31 obsadzonej płytki i jednocześnie nie wpłynęła na funkcjonalność elektryczną. W etapie 2 wykazano, że proces przeprowadzony przy 225 watów dał takie same rezultaty w odniesieniu do jakości powłoki ochronnej jak przy mocy 300 watów, tak więc rekomendowane jest stosowanie niższej mocy (niższa moc zmniejsza możliwe ryzyko uszkodzenia aktywnych elementów na płytce). Podobnie, niższe ciśnienie procesu wynoszące 150 mTorr zostało wybrane jako optymalne ustawienie, ponieważ uważa się, że wyższe ciśnienie ogranicza możliwości plazmy argonowej (przy wyższym ciśnieniu procesu średnia droga swobodna naładowanych cząstek jest zmniejszana przez wzrost obecności dodatkowych cząstek gazu, co zmniejsza efekt kinetyczny bombardowania). Autorzy wskazali również, iż optymalne ustawienie procesu powinno wykorzystywać mieszankę argonu i tlenu o stężeniu odpowiednio 80-20%.

Źródło: The Effects of Plasma Treatment Prior to Conformal Coating © Nordson March

Autorzy: John D. Vanderford, Ann E. Paxton i Dave Selestak