Warstwy zabezpieczające przez korozją wyprowadzeń: która jest najlepsza?

Wyprowadzenie komponentów wykończone niklem, palladem i złotem są podatne na korozję pełzającą, co może powodować uszkodzenie układu z powodu utraty rezystancji izolacyjnej pomiędzy sąsiednimi końcówkami. Powłoki zabezpieczające są często używane do ochrony PCB przed awarią spowodowaną występowaniem wilgoci i korozji. Jednak jak się wydaje, powłoka konforemna może nie być wystarczającym środkiem zabezpieczającym wyprowadzenia komponentów przed uszkodzeniem. W opisywanym badaniu zbadano powłoki akrylowe, silikonowe, uretanowe, parylenowe i warstwy osadu atomowego (atomic layer deposit, ALD) pod kątem ich skuteczności w zapobieganiu korozji wyprowadzeń wykończonych niklem, palladem i złotem, poddając je ośmiogodzinnemu testowi MFG (mixed flowing gas, czyli badanie oddziaływania agresywnych gazów: chloru, siarkowodoru, dwutlenku azotu, dwutlenku siarki) oraz cyklom temperaturowym.

Powłoki konforemne są szeroko stosowane do zapobiegania awarii spowodowanych kondensacją i wilgocią na PCB. Najczęściej stosowanymi normami w stosunku do aplikacji powłok ochronnych są IPC-A-610 i IPC-CC-830. Normy te wskazują na parametry decydujące o dobrym lub złym pokryciu wyprowadzeń oraz opisują różne mechanizmy uszkodzeń powłok, takich jak niedostateczne przyleganie czy skórka pomarańczowa. Nie ma jednak wytycznych dotyczących związku pokrycia konforemnego z ochroną przed korozją.

Jak piszą autorzy opisywanego przez nas opracowania, istnieje jedynie ograniczona ilość badań, analizujących związek powłok ochronnych i korozji. Artykuł z 2000 roku Effectiveness of Conformal Coatings on a PBGA Subjected to Unbiased High Humidity, High Temperature Tests bada zastosowanie uretanu i parylenu jako powłok konforemnych na BGA, poddając je testom w wysokiej wilgotności i wysokiej temperaturze. Wyniki tych testów wykazały, że powłoka parylenowa spowolniła wnikanie wilgoci do BGA, opóźniając w ten sposób uszkodzenie wywołane wilgocią. Jednak już powłoka uretanowa nie wykazała żadnych zalet jako bariera dla przenikania wilgoci. Badania przeprowadzone przez tych samych autorów sześć lat później wykazały, że powłoki konforemne zmniejszają ryzyko migracji elektrochemicznej, ponieważ PCB zabezpieczone powłokami ochronnymi są mniej podatne na pogorszenie rezystancji izolacji powierzchniowej niż płytki niepowlekane.

Badania z 2012 opisane w artykule Conformal Coating Protection Of Surface Mount Resistors In Harsh Environments wykazały, że zastosowanie powłoki konforemnej na rezystorach SMD znacząco wpływa na ich żywotność w środowisku korozyjnym. Inne opracowania dotyczyły zdolności zapobiegania przeciwkorozyjnemu akrylu i żywicy epoksydowej, wskazując iż oba te materiały hamują korozję. W artykule Testing of Conformal Coatings Using the Flowers-of-Sulfur Test znajdujemy ocenę siedmiu rodzajów powłok konforemnych pod kątem ich zdolności do ochrony srebra przed matowieniem i tworzeniem siarczku srebra w teście wykwitów siarki. Powłoki typu epoxy zapewniały najlepszą ochronę i skutecznie zapobiegały interakcji siarki ze znajdującymi się pod nią stopami srebra. Tylko podwójna warstwa akrylanu uretanowego zapewniała wydajność zbliżoną do żywicy epoksydowej a żadna z pozostałych powłok nie była w stanie zapewnić wystarczającej ochrony przed zasiarczeniem.

W obecnie omawianym dokumencie, Effectiveness of Conformal Coat to Prevent Corrosion of Nickel-palladium-goldfinished Terminals autorstwa Michaela Ostermana z Uniwersytetu w Maryland, badano skuteczność różnych powłok ochronnych zapobieganiu korozji w sprzęcie elektronicznym. W szczególności badana była korozja wyprowadzeń komponentów QFN, wykończonych niklem, palladem i złotem. W celu oceny skuteczności poszczególnych powłok, układy zostały poddane kilku testom: jak zwykle, pomijamy szczegółowy opis testów, który szczególnie zainteresowani tym tematem mogą znaleźć w oryginale tekstu, dostępnym pod tym linkiem.

Wyniki

Wstępna inspekcja układów, dokonana jeszcze przed sekwencją testów środowiskowych, wykazała, że wszystkie nakładane natryskowo powłoki zabezpieczające miały nierównomierne pokrycie krawędzi wyprowadzeń w porównaniu z tymi, które wytworzono za pomocą osadzania próżniowego (rysunek poniżej). Powłoka akrylowa typu 1 (oznaczona na rysunku AR1) pod i po bokach wyprowadzeń była słabsza. Jednak także inne nakładane natryskowo powłoki ochronne - AR2, UR i SR - nie pokrywały równomiernie krawędzi wyprowadzeń. W przypadku powlekania zabezpieczającego wykonywanego poprzez osadzanie próżniowe, a więc powłok Parylene C i ALD, powłoki była znacznie bardziej równomierne a dodatkowo, wszystkie powierzchnie, w tym krawędzie wyprowadzeń i pady, były całkowicie pokryte powłoką zabezpieczającą.

Rysunek: Warstwy zabezpieczające są cieńsze na krawędziach wyprowadzeń oraz na padach w przypadku warstw wykonywanych natryskowo. Warstwy wykonane próżniowo są znacznie bardziej równomierne.

Źródło: Effectiveness of Conformal Coat to Prevent Corrosion of Nickel-palladium-goldfinished Terminals. autor: Michael Osterman, © Uniwersytet Maryland

Po trzech kolejnych cyklach obciążeń środowiskowych i temperaturowych oznaki korozji zaobserwowano na wszystkich próbkach, jednak produkty korozji na próbkach pokrytych parylenem były obserwowane tylko w obszarach, w których powłoka została uszkodzona z powodu nieprawidłowego obchodzenia się z PCB. Z kolei największe nagromadzenie zjawisk korozyjnych zaobserwowano na próbce pokrytej silikonem (rysunek poniżej, lewa strona), natomiast drugie najgorsze wyniki wykazały próbki z powłoką ALD (prawa strona). W przypadku próbek pokrytych uretanem i akrylem korozja ograniczała się do obszarów o słabszym pokryciu. Kontrola optyczna próbek po trzech zakończonych cyklach ekspozycji nie wykazała korozji na próbkach, które nie zostały poddane testom MFG.

Rysunek: Największe nagromadzenie produktów korozyjnych występowało w przypadku powłok silikonowych (lewa strona) oraz ALD (prawa strona).

Źródło: Effectiveness of Conformal Coat to Prevent Corrosion of Nickel-palladium-goldfinished Terminals. autor: Michael Osterman, © Uniwersytet Maryland

Badania produktów korozji za pomocą elektronowej mikroskopii skaningowej ujawniły złożone struktury korozyjne. Poniższy rysunek przedstawia obrazy produktów korozyjnych w dużym powiększeniu ze wszystkich rodzajów próbek, podlegających ekspozycji agresywnych gazów MFG.

Rysunek: Produkty korozyjne na różnych rodzajach warstw zabezpieczających po poddaniu oddziaływaniu gazów agresywnych.

Źródło: Effectiveness of Conformal Coat to Prevent Corrosion of Nickel-palladium-goldfinished Terminals. autor: Michael Osterman, © Uniwersytet Maryland

Podsumowanie

Wyprowadzenia miedziane wykańczane niklem, palladem i złotem są podatne na korozję, gdy są poddawane działaniu siarki i chloru. Z wyjątkiem parylenu, powszechnie stosowane materiały powłok zabezpieczających i powłoka typu ALD nie zapobiegają korozji wyprowadzeń w środowiskach korozyjnych. Produkty korozji zaobserwowano w obszarach o zmniejszonej grubości powłoki, w szczególności na krawędziach wyprowadzeń.

Cykle temperaturowe mogą odgrywać negatywną rolę w degradacji powłok (zwłaszcza w przypadku ALD) i zwiększać ich podatności na korozję. Producenci układów wystawianych na środowisko korozyjne powinni rozważyć użycie parylenu. Jednolita grubość lub większa grubości powłok wzdłuż krawędzi wyprowadzeń mogą skutkować lepszym zabezpieczeniem w przypadku powłok akrylowych, poliuretanowych i silikonowych.