Test dwuskładnikowych lakierów do conformal coatingu

Jako że elektronika wystawiana jest na coraz bardziej surowe warunki funkcjonowania, również wymagania wobec powłok zabezpieczających są coraz wyższe. Jednocześnie, zmieniają się też regulacje ochrony środowiska, redukując możliwości zastosowania rozpuszczalników oraz lotnych związków organicznych (VOC). Dobrze znanym rozwiązaniem jest zastosowanie zawierających mniej rozpuszczalników lakierów wytworzonych na bazie silikonu, jednak możliwość ich zastosowania jest często ograniczona poprzez ryzyko zanieczyszczenia silikonem lub po prostu brak możliwości zapewnienia efektywnej ochrony w wymagającym otoczeniu, w szczególności w warunkach wysokiej wilgotności oraz obecności gazów korozyjnych.

Zastosowanie jednoskładnikowych, utwardzalnych światłem UV lakierów znacznie wzrosło w ostatniej dekadzie, między innymi ze względu na zwiększenie szybkości utwardzania, co wpływa z kolei na produktywność procesu. Jednak, w przypadku stosowania lakierów jednoskładnikowych często występują problemy z ich utwardzaniem: jeśli płytka zawiera wysokie komponenty, zasłaniające możliwość dotarcia światła UV, zmniejsza się jakość samego utwardzenia. W efekcie, w procesie należy wprowadzać dodatkowy mechanizm utwardzania, zwykle aktywowany poprzez obecność wilgoci lub ciepła.  

Obecnie na rynku pojawiła się nowa generacja, niezawierających VOC oraz szybkoutwardzalnych lakierów dwuskładnikowych. Same związki chemiczne, będące podstawą nowej generacji lakierów Electrolube nie są nowe, jednak nowością jest możliwość ich łatwego stosowania w conformal coatingu, co zapewnia zupełnie nowe możliwości technologiczne.

Lakiery dwuskładnikowe zapewniają wolną od szkodliwych rozpuszczalników alternatywę wobec lakierów UV oraz silikonów, wymagając jednocześnie mniejszych niż w przypadku UV nakładów na sprzęt oraz lepsze właściwości w wymagającym otoczeniu w porównaniu do silikonów. Electrolube poddało lakiery dwuskładnikowe, materiały UV oraz silikony szczegółowym testom – badano odporność na szok temperaturowy, występowanie aerozolu solnego, kondensacji oraz obecności gazów korozyjnych.

Rozwój technologii lakierów

Trudności wynikające z konieczności utrzymywania tempa dozowania na odpowiednio niskim poziomie, przy jednoczesnej konieczności zachowania właściwych proporcji obu składników zostały w ostatnim czasie przezwyciężone poprzez opracowanie dedykowanych pomp mimośrodkowych (Rysunek 1).

© Electrolube

Rysunek 1: Przykłady zaworów do conformal coatingu do aplikacji lakierów dwuskładnikowych. 

Pompy dokładnie kontrolują przepływ każdego z komponentów z 1-procentową dokładnością, zapewniając tym samym odpowiednie proporcje obu składników, a co za tym idzie, właściwe warunki utwardzania substancji. Co więcej, szybkość głowicy natryskowej może być nawet 3 razy większa niż w przypadku tradycyjnych materiałów, co redukuje czas dozowania. Zalewy dwuskładnikowe mogą z jednej strony tworzyć cienkie warstwy (50-75µm), jednak generalnie zostały stworzone i przetestowane do tworzenia znacznie grubszych powłok (250-300µm), zapewniając doskonałe zabezpieczenie komponentów i ich wyprowadzeń.

Specjalnie dla potrzeb testu odporności izolacji powierzchniowej (Surface Insulation Resistance, SIR), opracowano nowy moduł symulujący realne warunki użytkowania,  zawierający rzędy niefunkcjonalnych komponentów, jak na Rysunku 2.

© Electrolube

Rysunek 2: Moduł testów SIR, zastosowany przez Electrolube

Szok termiczny

Test szoku termicznego jest często stosowany w przemyśle motoryzacyjnym, a jego celem jest oszacowanie prawdopodobieństwa pękania warstwy zabezpieczeń w efekcie gwałtownych zmian temperatury. Wiele ze stosowanych obecnie lakierów UV nie jest w stanie przejść pomyślnie 1.000 powtórzeń tego testu bez pęknięć.

Testowi poddano lakiery wymienione w Tabeli 1, a do ich aplikacji posłużył sprzęt Asymtek SelectCoat SL-940E. Wszystkie zostały zaaplikowane tworząc zarówno minimalną, jak i maksymalną grubość powłoki, zgodnie ze standardami. Następnie lakiery zostały utwardzone zgodnie z zaleceniami producentów oraz pozostawione na kolejne 4 tygodnie, do pełnego utwardzenia. Następnie poddano je 1.000 cyklów testu szoku temperaturowego od -40°C do +130°C w komorze ESPEC TSA-102EL. Płytki były sprawdzane pod 50-krotnym powiększeniem co 100 cykli, aż do pełnego 1000 powtórzeń.

Rezultaty testu jasno wskazują na bardzo dobre zachowanie się w teście szoku termicznego lakierów dwuskładnikowych w porównaniu do konkurencyjnych lakierów UV czy lakierów na bazie rozpuszczalników (Tabela 1). Co interesujące, mimo utworzenia nawet 2.5-krotnie grubszej powłoki niż lakiery UV, ich zdolność do przejścia testów szoku termicznego była porównywalna do lakierów powstałych na bazie silikonu, które uważane są za bardzo odporne na ten właśnie test.

© Electrolube

Tabela1: Testowane zalewy© Electrolube

Test w komorze solnej

Po zakończeniu testu szoku temperaturowego oraz inspekcji wizualnej, płytki zostały poddane testowi w komorze solnej (5% NaCl(aq)) przez 96 godzin. Podsumowanie testu pokazane jest na poniższym wykresie

© Electrolube

Rysunek 4: Podsumowanie testu aerozolu solnego. 

Lakiery dwuskładnikowe wykazały bardzo dobre właściwości podczas testu w komorze solnej, podobne do właściwości lakierów opartych na silikonie, zarówno w fazie mokrej testu, jak i po wyschnięciu. Z kolei materiały UV oraz uretanowe zalewy zawierające rozpuszczalniki, które pękały podczas testu szoku temperaturowego, wykazywały niski stopień ochrony podczas testu oraz niewielką poprawę po jego ukończeniu. 

Testy na obecność gazów korozyjnych

W następnym kroku, płytki zostały poddane działaniu gazów korozyjnych przez 28 dni (Mixed Flowing Gas, MFG), zgodnie ze standardem IEC 68-2-60, klasa 3, jak opisano w poniższej Tabeli 2.

© Electrolube

Tabela 2: Warunki testu na obecność gazów korozyjnych

Pomiary odporności izolacji powierzchniowej odbyły się w warunkach naturalnego otoczenia (tj. 25°C, 50%RH) przed rozpoczęciem testu, każdego tygodnia w czasie jego trwania oraz 24 godziny po jego zakończeniu. Wyniki pokazane są na poniższym rysunku. 

© Electrolube

Rysunek 5: Podsumowanie testu gazów korozyjnych.

Jak zakładano, materiały które nie uległy pękaniu na poprzednich etapach testów, lepiej zniosły również test MFG. Materiały na bazie silikonu wykazały podobne właściwości do materiałów UV (na których wcześniej wykryto pęknięcia), co sugeruje, że posiadają one pory, przez które przedostają się gazy korozyjne. Grubsze powłoki wykonane z materiałów dwuskładnikowych oraz akryli (nie pękały one na wcześniejszych etapach testu) posiadają bardzo dobre właściwości ochronne, jeśli chodzi o gazy korozyjne.

Test na kondensację

Testy na kondensację stają się coraz bardziej popularne, zwłaszcza w przypadku aplikacji motoryzacyjnych. Ze względu na pewną niekonsekwencję tradycyjnych metod, UK National Physical Laboratory opracowało alternatywny test na kondensację, w którym panują stabilne warunki otoczenia w komorze laboratoryjnej, natomiast temperatura jest obniżana poniżej punktu rosy, powodując osadzanie się wilgoci na chłodniejszej powierzchni testowanego modułu.

Biorąc pod uwagę dwa typy powszechnie stosowanych komponentów czy modułów – testowano BGA oraz Small Outline Integrated Circuit (SOIC), pokazane na Rysunku 6 - można prześledzić poziom ochrony przed kondensacją na rysunkach 8 oraz 9. 

© Electrolube

Rysunek 6: Moduły zastosowane podczas testu kondensacji

© Electrolube

Rysunek 7: Poziom odporności izolacji powierzchniowej na zabezpieczonych i niezabezpieczonych modułach SOIC podczas testu kondensacji.

© Electrolube

Rysunek 7: Poziom odporności izolacji powierzchniowej na zabezpieczonych i niezabezpieczonych BGA podczas testu kondensacji.

Generalnie, w obu przypadkach, poziom ochrony powierzchniowej podczas testu kondensacji i po nim w przypadku materiałów dwuskładnikowych nie różni się, co świadczy o wysokim poziomie ochrony przeciw skraplaniu się pary wodnej. Materiały akrylowe udowodniły swoją dużą odporność w przypadku SOIC, jednak w przypadku BGA odkryto pewne ilości wilgoci pod komponentem, które co prawda później wyparowały, jednak podczas ich występowania odczyty się pogorszyły. Natomiast komponenty niezabezpieczone wykazały silne pogorszenie odporności izolacji powierzchniowej. W przypadku BGA występowały warunki sprzyjające zwarciom, potencjalnej korozji oraz wzrostowi dendrytów.

Wnioski

W efekcie przeprowadzonych testów, poliuretanowe lakiery dwuskładnikowe wykazały bardzo dobre właściwości w porównaniu do innych typów lakierów. Fakt, iż mogą one tworzyć grubsze powłoki bez ryzyka pęknięć, jest przyczyną lepszej odporności podczas testów szoku termicznego, aerozolu solnego, gazów korozyjnych oraz kondensacji. Tym samym, spełniają one wymagania stawiane przez przemysł motoryzacyjny. 

Źródło: Electrolube

Artykuł opublikowano we współpracy z firmą Semicon

Korekta polskiej wersji językowej: Piotr Ratuszny, Semicon