Problemy nierównomiernego ułożenia warstw zabezpieczających

Spójrz na zdjęcie po prawej stronie. Czy powłoka widoczna w powiększeniu naprawdę równomiernie dopasowuje się do powierzchni? A jeśli nie, jaki wpływ - jeśli w ogóle jakikolwiek - może to mieć na ochronę PCB?

Przede wszystkim - nie panikuj. To, co widać na zdjęciu, nie jest niczym niezwykłym i niekoniecznie stanowi problem. Ważne jest jednak, aby zajmując się nakładaniem powłok ochronnych, dokładnie zrozumieć niektóre z wyjątkowych wyzwań, jakie stwarzają.

Definicja

Podstawową definicję powłoki ochronnej można sformułować jako ‘warstwa o równej i stałej grubości, nakładana na powierzchnię PCB i dopasowująca się do różnych nieregularności i konturów elementów’. Oznacza to oczywiście, że na przykład powłoka o grubości 50 mikronów powinna mieć owe 50 mikronów na płaskich odcinkach, na pionowych ściankach i w narożnikach elementów. Ponieważ prawie wszystkie dostępne w handlu powłoki konforemne są aplikowane w postaci cieczy, w rzeczywistości nałożenie powłoki o dokładnie jednakowej grubości na wszystkich obszarach jest dość trudne, jeśli w ogóle możliwe.

Wyzwania związane z jednolitością grubością

Powłoki konformalne są nakładane wieloma metodami, w tym

• nakładanie pędzlem

• zanurzanie

• manualne sprejowanie dyszą atomizującą 

• szeroki natrysk kurtynowy (‘fan’) dyszą nieatomizującą (non-atomized) 

• sprejowanie selektywne dyszą atomizującą 

Każde z tych podejść wiąże się z określonymi wyzwaniami związanymi z uzyskaniem jednolitej grubości, ale ogólnie następujące czynniki mogą i będą wpływać na jednorodność utworzonej warstwy:

Cząstki stałe i lepkość

Powłoki o niższej zawartości cząstek stałych i powłoki o niższej lepkości będą miały tendencję do łatwiejszego spływania z pionowych powierzchni i wolniejszego zestalania. Może to prowadzić do powstawania warstw o bardzo jednolitej grubości na obszarach poziomych, ale też bardzo cienkich na obszarach pionowych lub nachylonych. Z kolei lakiery o wysokiej zawartości części stałych i wysokiej lepkości mogą sprawiać odmienne kłopoty: mają lepszą przyczepność do obszarów ustawionych pod kątem, ale trudno i nierówno rozprowadzają się na płaskich obszarach.

Ulatnianie się nośników

Większość powłok ochronnych jako nośniki wykorzystuje rozpuszczalniki przemysłowe lub wodę. Szybkość ulatniania się nośnika może wpływać na grubość i jednorodność tworzonej warstwy. Wolniej parujące płyny spowalniają wysychanie i krzepnięcie i prowadzą do większego spływania z elementów pionowych. Szybko odparowujące rozpuszczalniki mogą z jednej strony pomóc w uniknięciu nadmiernego spływu, ale mogą też prowadzić do tworzenia się skórki na powierzchni z nieutwardzoną warstwą pod spodem lub też tworzenia się efektu ‘skórki pomarańczowej’ na płaskich powierzchniach.

Pożądana / wymagana grubość powłoki

Zwykle oczekuje się utworzenia powłoki zabezpieczającej o grubości od 25 do 75 mikronów (po wyschnięciu). Próby utworzenia warstw przekraczającej 75 mikronów mogą prowadzić do powstawania ‘kałuż’ w rogach lub między elementami. Z kolei bardzo cienkie powłoki, o grubości poniżej 25 mikronów, mają tendencję do spływania i tworzenia warstwy poniżej minimalnej grubości na górnych rogach elementów.

Napięcie powierzchniowe powłoki

Napięcie powierzchniowe powłoki jest wartością pozwalającą porównać energię wymaganą do umożliwienia równomiernego rozpływu cieczy po powierzchni. Im niższe napięcie powierzchniowe cieczy, tym większe prawdopodobieństwo, że rozpłynie się ona równomiernie. W porównaniu z wodą, rozpuszczalniki organiczne mają zwykle znacznie niższe napięcie powierzchniowe; w ten sposób produkty rozpuszczalnikowe mają większą zdolność do uzyskania powierzchni o równomiernym stopniu zwilżenia i jednolitej grubości.

Energia powierzchniowa PCB i komponentów

Energia powierzchniowa jest miarą zdolności dowolnej powierzchni lub materiału do przyciągnięcia cieczy w celu utworzenia równej warstwy. W pewnym sensie działa to jak przeciwieństwo napięcia powierzchniowego samej cieczy, ponieważ wyższe wartości energii powierzchniowej [materiału, na którym ma zostać utworzona warstwa ochronna przyp.tłum.] stwarzają lepsze warunki do utworzenia równomiernie zwilżonej warstwy. Idealną sytuacją dla jednorodności powłoki jest wysoka energia powierzchniowa ciała stałego i niskie napięcie powierzchniowe lakieru. Powszechnym zjawiskiem jest, że ze względu na stosowanie środków antyadhezyjnych lub plastyfikatorów, pokrywających powierzchnię komponentów, energia powierzchniowa plastikowych powierzchni elementów układu jest niska lub niewystarczająca. Często prowadzi to do słabego zwilżania górnych powierzchni i narożników elementów.

Strategie uzyskiwania jednolitej grubości

Jak omówiono wcześniej, zasadniczo niemożliwe jest osiągnięcie całkowicie jednolitej grubości powłoki przy użyciu ciekłej powłoki konforemnej. Jednak w większości przypadków nie stanowi to problemu pod warunkiem, że najcieńszy obszar powłoki wciąż jest grubszy niż minimum wymagane dla danego zastosowania.

W skrajnych przypadkach brak jednolitości może prowadzić do awarii. Zbyt cienka warstwa na pionowych powierzchniach i górnych narożnikach komponentów może prowadzić do braku ochrony przed cieczami i gazami. Zbyt grube fragmenty i kałuże na wewnętrznych rogach, a także nadmierna lepkość, mogą być przyczynami niewystarczającego wysuszenia i utwardzenia, co z kolei prowadzi do pękania powłoki w efekcie kolejnych cykli szoków termicznych lub mechanicznych.

Poniżej znajduje się kilka praktycznych sugestii, które należy wziąć pod uwagę, zajmując się problemem jednorodności powłoki ochronnej:

Problemy na powierzchniach poziomych

Rozwiązanie problemu nierównej powłoki na powierzchniach poziomych może polegać albo na stosowaniu większej ilości rozcieńczalników lub rozcieńczalników wolniej odparowujących, albo na oczyszczeniu i aktywowaniu powierzchni w celu zwiększenia energii powierzchniowej.

Problemy na pochyłych lub pionowych powierzchniach

Rozwiązaniem problemów występujących na pochyłych powierzchniach może być albo zastosowanie powłok o większej zawartości cząstek stałych i/lub wyższej lepkości, albo aplikowanie rozpylonej cieczy w celu skrócenia czasu krzepnięcia, albo nakładanie wielu cieńszych warstw powłoki. W najbardziej ekstremalnych przypadkach możliwe jest również miejscowe pokrycie problematycznych obszarów za pomocą lakieru w formie żelu, który przylega do pochyłych powierzchni.

Problemy na wewnętrznych rogach i między ciasno rozmieszczonymi komponentami

Jak wspomniano wcześniej, powłoki często spływają do narożników wewnętrznych i pomiędzy ciasno rozmieszczone elementy, co powoduje powstanie obszarów o nadmiernej grubości. Pomocne mogą być działania minimalizujące przepływ, takie jak wyższa zawartość części stałych i wyższa lepkość. Skuteczne może być również nałożenie wielu cieńszych warstw powłoki, aby każda warstwa mogła wyschnąć, przylegać szybciej i bez spływania.

Artykuł opublikowany dzięki uprzejmości firmy HumiSeal

Autor: Dan Griffin

Korekta polskiej wersji językowej: Monika Dybalska

MDybalska@chasecorp.com