Czym jest energia powierzchniowa i jak wpływa na conformal coating?

Co oznacza termin zwilżalność?

Mówiąc o conformal coating często stosuje się termin ‘zwilżalność’. Zamiast naukowej definicji, lepiej jest opisać, kiedy materiał ma dobrą zwilżalność, a kiedy nie. Conformal coating ma dobrą zwilżalność jest łatwo rozpływa się po powierzchni PCB, formując jednolitą, pozbawioną defektów warstwę o równej grubości. I na odwrót: materiał ma słabą zwilżalność, kiedy na jego powierzchni formują się charakterystyczne koraliki, pęcherzyki, pęknięcia czy też grubość pokrycia jest niejednolita.  

Przykład z życia

Przykładem z codziennego życia, pozwalającym łatwo zrozumieć działania energii powierzchniowej czy zwilżania, jest … woskowanie samochodu. Metalowe i lakierowane części samochodu mają dość wysoką energię powierzchniową i kiedy nie są niepokryte żadną warstwą, woda tworzy na nich jednolity, cienki film. Aby tego uniknąć, samochód pokrywa się warstwą materiałów o niskiej energii, jak wosk czy fluoropolimery. W rezultacie obniżenia energii powierzchniowej, wytwarzają się krople wody, które następnie łatwiej odpadają. Proces woskowania samochodu jest dokładną odwrotnością stanu, który chcielibyśmy osiągnąć w procesie conformal coatingu. 

Istnieje wiele czynników wpływających na energię powierzchniową, którymi jednak nie musimy się obecnie zajmować. Dla celów procesu conformal coatingu warto jedynie zapamiętać, iż aby osiągnąć odpowiednie nawilżenie i przyleganie, energia powierzchniowa ciała stałego (tj. PCB) musi być wyższa niż napięcie powierzchniowe płynnych związków stosowanych do powlekania.

Zasadę tę ilustruje poniższy rysunek. Po lewj widzimy solder maskę, której energia powierzchniowa przewyższa zalewę do conformal coatingu, co pozwala na utworzenie jednolitej warstwy. Po prawej stronie zamieszczono dwa przykłady w których energia powierzchniowa jest mniejsza niż napięcie powierzchniowe, co jest przyczyną słabej zwilżalności i powoduje powstawanie niejednolitej powierzchni. Im większa jest różnica pomiędzy poziomem energii, tym negatywne efekty będą bardziej widoczne. Stopień niedopasowania zwykle jest mierzony jako kąt nachylenia powstałej kropli do powierzchni.

Jak zmierzyć energię powierzchniową PCB?

Najpopularniejszą metodą pomiaru energii powierzchniowej jest użycie długopisów, dozujących płyny o zróżnicowanym, znanym wcześniej napięciu powierzchniowym. Energię powierzchniową w takim teście określa się poprzez porównanie zachowania się zaaplikowanych płynów na powierzchni. Jak zwykle, dobra zwilżalność zapewniona jest tylko jeśli energia powierzchniowa jest równa lub wyższa od napięcia powierzchniowego aplikowanego płynu. Na rysunku obok przedstawiono przykład takiego testu: zakłócona zwilżalność występuje gdzieś pomiędzy liniami o numerach 40 oraz 42, tak więc energię powierzchniową płytki można określić jako 40-41 dyn/cm.  

Rekomendacje

Generalnie, HumiSeal rekomenduje minimalną energię powierzchniową na poziomie 38 dyn lub większą na etapie bezpośrednio poprzedzającym powlekanie.

Niestety, istnieje wiele etapów poprzedzających conformal coating mogących redukować poziom energii powierzchniowej PCB. Energia obniża się w efekcie osadzania się lub migracji zanieczyszczeń o niskiej energii powierzchniowej, takich jak olej, wosk czy plastyfikatorów. Źródłami tych zanieczyszczeń mogą być między innymi:

- przemieszczanie płytki podczas inspekcji czy montażu

- migracja plastyfikatorów podczas lutowania rozpływowego lub innych procesów cieplnych

- nieprawidłowy profil reflow, pozostawiający pozostałości topnika

- zastosowanie nieprawidłowych płynów do czyszczenia

- zanieczyszczenia pochodzące od opakowań 

Każda operacja handling’u, transportu czy lutowania rozpływowego pozostawia na płytce jonowe lub niejonowe zanieczyszczenia. Dobrze jest zmierzyć energię powierzchniową przed każdym etapem procesu SMT i zobaczyć, które czynności wpływają na jej poziom. Po identyfikacji takich etapów, łatwo jest wprowadzić działania korekcyjne, redukując źródła zanieczyszczeń.   

Źródło: HumiSeal

Autor: Dan Griffin

Artykuł opublikowano we współpracy z firmą AmTest