5 wskazówek dla projektantów: warstwy zabezpieczające

Layout PCB, czas przebiegu cyklu powlekania i charakterystyka przepływu chemii tworzącej powłokę ochronną mogą mieć wpływ na udany lub nie projekt układu pod kątem wymogów conformal coatingu. Jakie są więc kluczowe czynniki, o których należy pamiętać, aby osiągnąć najlepsze wyniki w procesie powlekania?

Artykuł przedstawia niektóre z kluczowych wyzwań i często zadawane pytania dotyczące powłok ochronnych, które każdy inżynier projektu powinien wziąć pod uwagę przy definiowaniu tego procesu. Ponieważ układy stają się coraz ciaśniej upakowane, a konstrukcje obudowy nierzadko są coraz bardziej przepuszczalne w celu zmniejszenia ich masy, stosowanie warstw ochronnych staje się niezbędne, aby chronić zespół przed środowiskiem roboczym i zapewnić akceptowalną niezawodność dla zamierzonego zastosowania, zwłaszcza podczas pracy w nieprzyjaznym otoczeniu. Przyjrzyjmy się niektórym kluczowym czynnikom, które pomogą postępować zgodnie z naszym pięciopunktowym formatem pytań i odpowiedzi.

1) Jak projekt PCB wpływa na proces powlekania?

Projekt płytki może mieć znaczący wpływ na powodzenie operacji powlekania, decydując o możliwych do zastosowania metodach zabezpieczania i określając, jaki stopień zabezpieczenia można osiągnąć w wymaganym czasie cyklu. Ogólnie rzecz biorąc, im mniej obszarów na płycie, które muszą być wolne od powłoki zabezpieczającej, tym krótszy będzie czas cyklu powlekania. Jeśli czas cyklu powlekania jest zbyt długi, można podjąć decyzję o określeniu najbardziej wrażliwych części zespołu i skoncentrowaniu się na tym obszarze w dostępnym czasie cyklu lub o podzieleniu procesu aplikacji powłoki na kilka stacji roboczych.

Projektanci powinni mieć świadomość, że w większości zastosowań, pokrycie krawędzi zespołu nie jest pożądane/wymagane. Większość standardów projektowych nie zezwala na to, aby ścieżki obwodów w warstwie wewnętrznej znajdowały się bliżej niż 0,63 mm od krawędzi płytki. Czynność frezowania krawędzi płytki powoduje rozprowadzenie żywicy epoksydowej na ciętych włóknach szklanych lub materiałach  wzmacniających, uszczelniając warstwy wewnętrzne. Projektant może wskazać konieczność powlekania krawędzi układu, w przypadkach w których opisane wyżej uszczelnienie nie występuje, na przykład w przypadku krawędzi V-rowkowanych, dziurkowanych lub rozcinanych.

Jednym z obszarów, w którym projektanci mogą naprawdę pomóc w procesie produkcji, jest określenie na rysunku technicznym, gdzie powłoki zabezpieczające są jedynie ‘opcją’ lub są ‘nieważne’. Aby proces powlekania przebiegał tak płynnie, jak to możliwe, najlepszą praktyką jest określenie obszarów, które wymagają powlekania i obszarów, które go nie wymagają, a także obszarów, w których nie ma to znaczenia,

Inną pomocną taktyką jest umieszczanie złączy i komponentów, których nie wolno powlekać, wzdłuż jednej krawędzi zespołu, co upraszcza proces nakładania powłoki zabezpieczającej. Pozwala to między innymi na rozważenie metody powlekania przez zanurzenie jako potencjalnej alternatywy, przyspieszającej czas aplikacji i zmniejszającej koszty.

Należy również unikać dużych zespołów komponentów dyskretnych, które mogą stanowić ogromne wyzwanie dla procesu powlekania ze względu na wysoki poziom sił kapilarnych. Rezultatem takiego nagromadzenie jest często występowanie obszarów bez warstwy ochronnej, a z drugiej strony obszarów o nadmiernej grubości warstwy, podatnej wówczas na pękanie naprężeniowe, rozwarstwienie i inne defekty. Kolejne wyzwanie stanowią wysokie komponenty, tworząc obszary zacienione lub trudno dostępne. Rozpryskiwanie to kolejny, powiązany problem. Aby uniknąć takiej ewentualności, należy unikać umieszczania wysokich elementów bezpośrednio obok komponentów, które bezwzględnie muszą zostać zabezpieczone.

2) Jak określić grubość powłoki?

Podczas określania grubości powłoki na rysunku technicznym praktyką branżową jest mierzenie powłoki na płaskim, nieobłożonym obszarze zespołu, a nie na elementach, takich jak wyprowadzenia komponentów. Ponieważ wiele nowoczesnych zespołów jest bardzo gęsto upakowanych, często trudno jest znaleźć płaski, nieobłożony obszar zespołu. W związku z tym powszechną i przyjętą praktyką jest wykorzystywanie do takiego pomiaru specjalnie przygotowanych płytek testowych.

Projektanci muszą zdawać sobie sprawę, że ‘grubość nominalna’, mierzona na płaskich, nieobłożonych obszarach lub na płytkach kontrolnych nie pokrywa się z grubością powłoki uzyskanej np. w rogu komponentów dyskretnych lub przy wyprowadzeniach układów scalonych, gdzie grubość może być w rzędu 1 mikrometra lub mniej, przy nominalnej grubości 25 lub 50 mikronów. W niedawnym badaniu przeprowadzonym przez IPC zatytułowanym ‘Conformal Coating – State of the Industry’, pojawiły się bardzo pouczające wyniki, przydatne dla wielu osób, zakładających że wszędzie uzyskują 25 mikronów.

Kluczowym wnioskiem jest to, że nominalna grubość powłoki jest tylko pierwotnym parametrem procesu, a rzeczywiste pokrycie wyprowadzeń i komponentów jest o wiele ważniejsze dla niezawodności zespołu i powinno być brane pod uwagę przez wszystkie strony. Celem jest osiągnięcie możliwie największego stopnia pokrycia i aby zrozumieć, w jaki sposób proces aplikacji zapewnia ten krytyczny dla końcowego sukcesu parametr, należy wykonać przekroje zespołu. Pomiar na płytce kontrolnej wskaże jedynie fakt, że Twój proces uległ znacznej zmianie.

3) Dlaczego czas cyklu powlekania jest ważny?

W koncepcji lean management, czas cyklu powlekania jest krytycznym wymogiem, zapewniającym zrównoważenie całej linii produkcyjnej. Korzystne jest więc, aby czas cyklu powlekania był w miarę możliwości krótki, zapewniając jak najszybsze usunięcie nagromadzonej produkcji, jeśli jakiekolwiek poprzednie operacje zostaną zatrzymane.

Spójrzmy na przykład na maszynę do powlekania selektywnego, nakładającą pasy materiału zabezpieczającego. Pasy powłoki zabezpieczającej można nakładać, tworząc zamierzony wzór i unikając obszarów, takich jak przełączniki, złącza i punkty testowe, których nie należy powlekać. Aplikowane pasy mają zwykle szerokość 8-15 mm, co zapewnia optymalną dokładność i minimalizuje rozpryskiwanie się materiału. Jeśli obszar, który ma zostać pokryty jest mniejszy od 8 mm, zapewne będzie musiał być zabezpieczony za pomocą punktowej aplikacji, co wydłuża czas cyklu.

Ze względu na dokładność pozycjonowania maszyny w osi X/Y, dynamikę płynów materiału i topografię komponentów, 2-3 mm jest zwykle wystarczającą odległością, jaką należy utrzymać od obszarów, które nie mają być zabezpieczone lub nie, aby ustanowić bezpieczny, powtarzalny proces. I odwrotnie, obszary które mają być zabezpieczane i których nie należy zabezpieczać, położone od siebie w odległości mniejszej niż 2-3 mm, stanowią wyzwanie i wymagają aplikacji punktowej, która ponownie negatywnie wpływa na czas cyklu.

4) Jak poprawić przepływ materiału powlekającego?

W przypadku wielu powłok trudno jest ograniczyć przepływ powłoki z miejsca aplikacji do sąsiednich miejsc, ponieważ powłoki mają pewien poziom przepływu kapilarnego (często określanego jako przesiąkanie, ang: wicking), przenoszącego chemię do nieplanowanych obszarów. To ponownie problem, związany z  umieszczaniem elementów, które nie mogą być powlekane w pobliżu elementów, które muszą być powlekane. Na przykład umieszczenie strefy, która nie może być zabezpieczana u podstawy wysokiego elementu, takiego jak kondensator elektrolityczny, spowoduje wiele problemów w produkcji, ponieważ powłoka będzie spływała w dół wysokiego komponentu do strefy ochronnej.

Płynność powłoki jest również ważna w przypadku komponentów o małym prześwicie, takich jak BGA lub CSP, pod którymi mogą znajdować się mikroprzelotki. Powłoka może przesiąkać pod komponenty i dalej przez przelotki na przeciwną stronę zespołu. Aby uniknąć tego problemu, przelotki pod komponentami o niskim prześwicie można zabezpieczyć maską lutowniczą czy też wypełnić przelotki lutowiem lub innym materiałem wypełniającym. Ponadto, obecność powłoki ochronnej na przykład pod BGA może znacznie zmniejszyć niezawodność połączeń lutowanych. Proces powlekania powinien być zaprojektowany tak, aby zminimalizować przepływ powłoki pod BGA lub powinien być poprzedzony użyciem materiału underfill w celu poprawy niezawodności mechanicznej połączeń.

5) Jakie inne procesy mogą wpływać na powłokę zabezpieczającą?

Pozostałości topnika z past lutowniczych no-clean oraz z etapów lutowania selektywnego lub lutowania na fali mogą znacząco wpłynąć na przyczepność powłoki i spełnianie jej funkcji zabezpieczania zespół. Przed nałożeniem powłoki w procesie ‘no-clean’ należy przeprowadzić badania zgodności i trzeba też zadbać o to, aby procesy lutowania pozostały pod ścisłą kontrolą.

Projektant powinien być świadomy, jakie operacje produkcyjne mogą być przeprowadzane po nałożeniu i utwardzeniu powłoki zabezpieczającej, ponieważ inne materiały, takie jak smary termiczne i chemikalia stosowane do napraw mogą mieć wpływ na integralność i ogólne właściwości powłoki. Również przy doborze klejów należy zawsze zwracać uwagę, aby były one kompatybilne z wybranymi materiałami zabezpieczającymi.

Aby zapewnić uzyskanie w pełni poprawnej powłoki zabezpieczającej, ważne jest podejmowanie rozsądnych decyzji projektowych na możliwie wczesnym etapie i zrozumienie, jaki wpływ na powierzchnię PCB ma każdy etap produkcji, Wdrożenie tych praktyk zapobiegnie potencjalnym katastrofom produkcyjnym, nie tylko w przypadku powłok ochronnych, ale także w innych obszarach produkcji.

Autor: Phil Kinner

Źródło: Electrolube

Artykuł został opublikowany dzięki uprzejmości firmy Semicon