Lakierowanie ochronne płytek drukowanych

Lakierowanie ochronne (conformal coating) jest zazwyczaj wykonywane techniką zanurzania lub natrysku, zwykle warstwą lakieru o grubości 20...50 μm, choć silikony i niektóre specjalistyczne pokrycia osiągają grubość do 100 μm. W przypadku produkcji prototypowej i małoseryjnej pokrywanie może odbywać się przy użyciu pędzla.

Ochrona przed zanieczyszczeniem powierzchni PCB zmniejsza ryzyko korozji ścieżek i połączeń lutowniczych, a także redukuje wzrost dendrytów pomiędzy ścieżkami. Stosowanie powłok jest istotne szczególnie w zastosowaniach motoryzacyjnych, militarnych, lotniczych i przemysłowych, zwłaszcza w obszarach krytycznych pod względem bezpieczeństwa.

Należy jednak wspomnieć o ograniczeniach lakierowania ochronnego. Wszelkie zanieczyszczenia występujące na powierzchni przed lakierowaniem (odciski palców, pozostałości topnika i wilgoci oraz inne zanieczyszczenia chemiczne) zostaną uwięzione w wyniku tej operacji i mogą powodować długotrwałe problemy. Płytki przed lakierowaniem zawsze powinny być umyte i wysuszone, aby osiągnąć optymalne efekty. Mycie płytek przed lakierowaniem poprawi parametry i niezawodność ich działania nawet w przypadku używania topników typu „no-clean”.

Lakierowanie ochronne nie jest zbyt efektywne przy zabezpieczaniu aplikacji narażonych na znaczny kontakt z wodą w stanie ciekłym (w odróżnieniu od pary wodnej), w szczególności gdy zawiera ona cząstki zjonizowane. W takich przypadkach wystąpi konieczność zabezpieczania płytek przez zalewanie i hermetyzację – takie operacje zawsze oferują dużo wyższy stopień zabezpieczenia niż w przypadku lakierowania. Zalewanie jest jednak zazwyczaj droższe od lakierowania i wiąże się ze zwiększeniem ciężaru PCBA.

Idealne pokrycie ochronne charakteryzuje się dobrymi własnościami elektrycznymi, małą przenikalnością wilgoci, dobrą odpornością chemiczną i wytrzymałością mechaniczną, a także wysoką przyczepnością do wszystkich materiałów używanych przy montażu płytek (tj. laminatu, maski lutowniczej, miedzi, lutowia i in.). W wielu aplikacjach istotne są własności termiczne, elastyczność zachowana w niskich temperaturach oraz utrzymanie parametrów mechanicznych w podwyższonych temperaturach.

Typowymi testami przeprowadzonymi na pokrytych lakierami płytkach są długoterminowe obciążenia termiczne w obecności wilgoci, odporność w komorze solnej i test na zachowanie przy cyklicznych zmianach termicznych oraz przy szoku termicznym. Tam, gdzie istnieje taka konieczność, mogą być również wykonane testy na odporność chemiczną i palność.

Idealny lakier ochronny pod względem technologicznym powinien być jednoskładnikowy (systemy dwuskładnikowe są niewygodne w użyciu), mieć długi czas przydatności, niską temperaturę utwardzania i krótki czas suszenia.

Można mówić o różnych czasach suszenia:

• czas suchości dotykowej, kiedy pokrycie nie pozostawia śladów przy dotyku,
• czas suchości całkowitej, kiedy rozpuszczalnik wyparował całkowicie na całej powierzchni pokrycia,
• czas utwardzania, kiedy pokrycie jest w pełni usieciowane.

Lepkość powinna być ponadto łatwo regulowalna. W systemach rozpuszczalnikowych duża zawartość suchej masy zmniejsza emisję rozpuszczalników i tym samym przyczynia się do poprawy ochrony środowiska.

Jednym z mankamentów powszechnie stosowanych płynnych lakierów ochronnych jest niedostateczne pokrywanie ostrych zakończeń lub krawędzi elementów – pokrycie w takich miejscach jest znacznie cieńsze lub nawet nie występuje wcale. Zjawisko to (powodowane niskim napięciem powierzchniowym lakieru) jest nazywane kolokwialnie łuszczeniem krawędziowym. Można je zminimalizować przez odpowiednie dobranie lepkości lakieru – także wielokrotne pokrywanie cienką warstwą daje lepsze efekty niż próba pokrycia jedną grubszą. Firma Electrolube opracowała specjalnie wypełniony lakier ochronny (DCRT) przeznaczony do pokryć o grubości około 100 μm, który lepiej pokrywa krawędzie w stosunku do płynnych lakierów powszechnie stosowanych.

Lakiery ochronne pod względem chemicznym można podzielić na kilka różnych typów.

• Lakiery akrylowe (np. Electrolube HPA i APL), składają się z akrylowych polimerów termoplastycznych rozpuszczonych w mieszaninie rozpuszczalników organicznych. Takie lakiery schną przez zwykłe odparowanie rozpuszczalnika (bez procesu sieciowania), miękną w podwyższonej temperaturze, ale także są łatwo usuwalne przez rozpuszczenie, co umożliwia naprawę płytek. Zwykle stosuje się szybkoschnące, niskowrzące rozpuszczalniki. Okres przydatności jest zazwyczaj bardzo długi, ponieważ odparowane rozpuszczalniki można łatwo uzupełnić do wymaganej lepkości. Niestety, rozpuszczalniki są palne, a dodatkowo tego rodzaju lakiery są pod ostrzałem krytyki z uwagi na coraz większe restrykcje legislacyjne odnośnie do emisji rozpuszczalników do atmosfery. Lakiery akrylowe wykazują odporność na wilgoć.
• Lakiery epoksydowe są bardzo twarde, najczęściej nieprzezroczyste i charakteryzują się doskonałą odpornością na wilgoć i chemikalia. Występują zazwyczaj jako systemy dwuskładnikowe, co czyni je mniej wygodnymi w stosowaniu w porównaniu do innych typów lakierów. Z uwagi na występujący proces sieciowania preparaty te są odporne na ścieranie i wytrzymałe mechanicznie, ale usunięcie ich z płytki po utwardzeniu jest prawie niemożliwe. Tym samym naprawa uszkodzonej płytki staje się sporym problemem.
• Lakiery poliuretanowe mają podobne własności do epoksydowych, ale są jeszcze bardziej odporne na ścieranie. Tu również wytrzymałość mechaniczna, odporność na wilgoć i rozpuszczalniki jest bardzo dobra, ale usieciowana natura tych pokryć utrudnia ich usunięcie w celu naprawy płytek.
• Lakiery silikonowe obejmują szeroką gamę produktów o zróżnicowanych własnościach. Tradycyjne odmiany stanowią materiały zarówno bardzo odporne na ścieranie, jak i bardzo elastyczne, co wiąże się z niskimi naprężeniami występującymi na płytce i jej elementach. Utwardzanie tych lakierów następuje albo pod wpływem podwyższonej temperatury, albo w temperaturze pokojowej przy udziale wilgoci atmosferycznej.

Materiały silikonowo-alkidowe (np. Electrolube DCA) charakteryzują się doskonałymi własnościami mechanicznymi, elektrycznymi i chemicznymi, gdyż stopień usieciowania jest zwiększony przez ogrzewanie. Wszystkie materiały silikonowe mogą zwykle pracować w wyższych temperaturach niż inne rodzaje pokryć.

Istnieją też inne specjalistyczne rodzaje powłok PCBA. Lakiery UV mogą być utwardzane błyskawicznie poprzez ekspozycję na nadfiolet – tego rodzaju pokrycia są szeroko stosowane przy masowej produkcji płytek. Miejsca pod elementami zasłonięte od promieniowania UV utwardzają się wolniej, dając tak zwany „efekt cienia”. Można go zminimalizować poprzez zmiany chemiczne umożliwiające także proces sieciowania termicznego lub pod wpływem wilgoci. Wtórne utwardzanie następuje wolniej w miejscach zacienionych. Własności materiałów utwardzanych światłem UV są jednak gorsze niż w przypadku materiałów rozpuszczalnikowych.

Pod wpływem protestów związanych z negatywnym wpływem rozpuszczalników na środowisko zostały opracowane i wdrożone lakiery na bazie wodnej. Mają one jednak tendencję do zbyt wolnego schnięcia, a pokrycia osiągają zbyt dużą grubość. Poza tym cechy chemiczne pokryć tego typu ograniczają ich zastosowanie.

W tym miejscu nie można nie wspomnieć o produkcie firmy 3M – Novec Electronic Coating EGC-1700, stanowiącym 2% roztwór fluoroakrylowego polimeru rozpuszczonego we fluorowodoroeterze. Jest on niepalny, niskotoksyczny i spełnia wysokie wymagania przemysłu elektronicznego w zakresie ochrony środowiska. Grubość powłoki przy powlekaniu przez zanurzenie wynosi tylko 1 μm. Lakier ten, tworząc powłokę o małej energii powierzchniowej, zapewnia doskonałą barierę wobec olejów węglowodorowych, silikonowych, płynów syntetycznych oraz roztworów wodnych i chroni skuteczniej niż powłoki polietylenowe i teflonowe.

Istnieje jeden bardzo specyficzny sposób lakierowania płytek, całkowicie różny od opisanych dotychczas. Jest to proces „parylenowy” opracowany przez firmę Union Carbide.

Związek di-p-ksylylen jest poddawany pirolizie w temperaturze około 650°C pod wysoką próżnią. Powstały monomer polimeryzuje na wszystkich powierzchniach obecnych w środowisku próżni, wytwarzając bardzo równomierną powłokę, pozbawioną jakichkolwiek miniporów. W ten sposób płytki zawierające ostre krawędzie są równo pokrywane, w przeciwieństwie do wszystkich innych wspomnianych wcześniej lakierów. Proces ten jest także bardzo efektywny przy pokrywaniu spodnich stron elementów na płytce, gdy występuje szczelina pomiędzy płytką i elementem. Lakierowanie „parylenowe” jest jednak bardzo drogie w porównaniu do metod konwencjonalnych. Możliwe są także chemiczne modyfikacje tego procesu, prowadzące do poprawy własności dielektrycznych albo – alternatywnie – do lepszej stabilności termicznej pokryć.

Ocena pokryć ochronnych podlega różnorodnym normom. Najważniejsze z nich to IEC 61086-1/2/3, IPC-CC-830 i UL 746 E. Norma IPC-CC-830 wywodzi się z MIL-I-46058 i obecnie ją zastępuje.

W tym miejscu należałoby przedyskutować niektóre z najważniejszych własności pokryć ochronnych, znajdujące się zazwyczaj w kartach technicznych. Norma IEC 61086 rozróżnia trzy klasy pokryć ochronnych ze wzrastającymi wymogami oceny przydatności. Klasa I obejmuje pokrycia płytek ogólnego użytku, klasa II wysokiej niezawodności i klasa III – przeznaczone dla lotnictwa.

Napięcie przebicia to różnica potencjałów, przy której następuje przebicie elektryczne pomiędzy równoległymi ścieżkami przy znormalizowanej odległości na testowym wzorcu Y.

Opór izolacyjny to rezystancja pomiędzy dwiema elektrodami na znormalizowanym wzorcu testowym – elektrody stanowią przeplatany wzór grzebieniowy, którego zęby są podłączone naprzemiennie do elektrody dodatniej lub ujemnej. Wzór Y i wzór grzebieniowy występują zwykle łącznie na jednej płytce testowej.

Testy elastyczności pokryć przeprowadza się na polakierowanej blaszce miedzianej zaginanej wokół trzpienia 3 lub 6 mm i obserwacji pęknięć i rys pokrycia. Testy podatności na pleśń można przeprowadzać na polakierowanym panelu szklanym. Testy palności wykonuje się na polakierowanych, próbnych pałeczkach z materiału płytki, których końce wprowadza się do znormalizowanego płomienia. Czas palności po usunięciu płomienia stanowi kryterium dopuszczalności – w ten sposób określa się także maksymalną dopuszczalną odległość wędrówki płomienia.

Przy użyciu pokrytych płytek z wzorami Y i grzebieniowymi można wykonać jeszcze wiele innych testów, mających znaczenie dla ochrony środowiska. Obejmuje to np. cykliczne obciążenia termiczne i testy na szok termiczny pomiędzy wyspecyfikowanymi temperaturami – kolejno po każdym teście stwierdza się, czy wystąpiły złuszczenia lub rozwarstwienia pokrycia lakierowego. Przeprowadza się także testy cieplno-wilgotnościowe: kolejne opory izolacyjne muszą być większe niż 10⁹ Ω, a napięcie przebicia jest także rejestrowane.

W przypadku klasy II przeprowadza się test we mgle solnej, a dla klasy III – testy na mróz, niskie ciśnienie atmosferyczne i badania cieplno-wilgotnościowe.

W kartach technicznych dla lakierów ochronnych występują także inne własności elektryczne.

Wytrzymałość dielektryczna to napięcie, przy którym następuje przebicie elektryczne powłoki lakierniczej. W katalogach podaje się także oporność objętościową i powierzchniową, stałą dielektryczną i współczynnik stratności dielektrycznej. Niska stała dielektryczna materiału lakierniczego jest istotna przy lakierowaniu układów RF, bowiem zbyt wysoka jej wartość może powodować efekt pasożytniczej pojemności pomiędzy ścieżkami powierzchniowymi, które biegną równolegle i blisko siebie – to zaś prowadzi do zmiany charakterystyki częstotliwościowej obwodu. Odporność na prądy pełzające (CTI) to przybliżona miara podatności powłoki na uszkodzenia w wyniku korozji elektrycznej występującej wtedy, gdy wysokie napięcie powoduje rozkład powłoki i wytworzenie ścieżki przewodzącego węgla.

Metody i urządzenia do aplikacji lakierów ochronnych

W metodzie pokrywania lakierem poprzez zanurzanie istotna jest szybkość wyjmowania elementów z kąpieli, wpływająca na grubość powłoki – im wolniejsze wyjmowanie, tym cieńsza jest warstwa pokrycia. Grubość pokrycia jest także regulowana innymi czynnikami – lepkością, zawartością suchej masy i temperaturą roztworu lakieru. Płytki zanurza się zwykle pionowo, ale istnieją zaawansowane urządzenia odchylające płytki w różnym stopniu od pionu celem osiągnięcia wymaganej grubości pokrycia. Zazwyczaj na płytce znajdują się miejsca (np. punkty kontaktowe czy złącza), które nie powinny być lakierowane – jeżeli umiejscowione są one poniżej poziomu zanurzenia, konieczne okazuje się maskowanie płytki taśmą albo zrywalną maską – jest to jednak kosztowna i czasochłonna operacja.

W ostatnich latach nastąpił szybki rozwój zrobotyzowanych urządzeń natryskowych, umożliwiających lakierowanie selektywne płytek bez konieczności maskowania. Kombinacja stosowania takich urządzeń z liniami UV i IR zapewnia dużą szybkość produkcji.

Jak wygląda przyszłość techniki lakierowania ochronnego? Obecnie trudno jest porównywać stosowanie tradycyjnych lakierów rozpuszczalnikowych z nowymi technologiami. Oczekuje się zwiększonych nacisków ze strony obrońców środowiska naturalnego w celu redukcji uwalniania rozpuszczalników organicznych do atmosfery, mających negatywny wpływ na globalne ocieplenie i zanieczyszczenie atmosfery. Naciski takie wymuszą zwiększenie środków na odzysk i zagospodarowanie uwalnianych rozpuszczalników, ale także dalszy rozwój lakierów UV i na bazie wodnej – tak, aby dorównywały one jakością tradycyjnym lakierom rozpuszczalnikowym. Konieczne jest także podjęcie dalszych kroków w kierunku rozwoju lakierów o wysokiej zawartości substancji stałych, a nawet całkowicie bezrozpuszczalnikowych.

Wybrane powłoki stosowane w produkcji elektroniki

Kontakt 60 to podstawowy preparat do czyszczenia styków, dostępny w postaci aerozolu. Można używać go z preparatami konserwującymi.

Kontakt PCC – najpopularniejszy środek do ręcznego, selektywnego mycia płytek, dostępny w puszce ze specjalnym aplikatorem.

Electrolube DCA – lakier do płytek oparty na alkydach silikonowych. Oferuje wysoką odporność na przebicia, a zróżnicowane sposoby utwardzania powodują, że nadaje się do aplikacji obwarowanych rozmaitymi normami branżowymi.

Electrolube AFA – bardzo popularny (także w Polsce) lakier akrylowy do płytek PCB. Stanowi stabilny zamiennik powłoki Plastik 70.

EMI 35 – metaliczna powłoka chroniąca przed zakłóceniami elektromagnetycznymi, dostępna w aerozolu oraz w postaci ciekłej (w puszkach 1-litrowych).