Vítejte, dnes je
sobota 23.
listopad
2024
Odborný časopis a portál zaměřený na vývoj a výrobu elektroniky Pro spolehlivé fungování elektronické sestavy pod vlivem klimatu je nutné užití ochranného nátěru. Obecně se rozlišují následující kategorie:
Procesy, reakce a transformace spojené s přechodem použitého tekutého laku na pevný film je to, co je známé jako vytvrzování. Termín sušení má stejný význam. S ohledem na užívané výrazy, jako je sušící pec, doba sušení, sušení vzduchem atd., by mělo být v této souvislosti preferováno použití termínu sušení, ačkoli je zde tendence upřednostňovat termín vytvrzování. Mělo by se mluvit o „vytvrzování“, když je důraz na chemické postupy, a „vysoušení“ tam, kde je více kladen důraz na příslušné procesní otázky.
Sušení laků v průmyslu se liší rychlostí, tj. časem potřebným ke změně z kapalné formy na pevnou. Zdaleka nejrychlejší proces sušení je vytvrzování UV zářením. Následující článek se zabývá vytvrzováním laků za pomoci UV záření elektronovým svazkem.
Manipulace s UV zářením není tak jednoduchá jako například sušení pomocí cirkulace vzduchu. UV záření je elektromagnetické povahy jako viditelné světlo, tepelné záření (IR záření) nebo radiové/x-ray záření (obr. 1). Každý z těchto typů má charakteristický energetický obsah záření. Fyzikové mluví o energetických fotonech nebo svazcích. Každý chemický proces, který je iniciován tímto zářením, vyžaduje určitou energii. Proces funguje na principu „zámku a klíče“: Pokud energetický balíček nesedí, intenzita může být zvýšena bez jakéhokoli efektu. Chcete-li se opálit, musíte vystavit pokožku záření o určité vlnové délce – slunečnímu nebo UV záření. Není možné se opálit zářením z viditelné části spektra nebo radiovým/mikrovlnným zářením. „Klíč“ k opálení chemie je UV záření.
Obr. 1 Spektrální rozsah elektromagnetického záření
Nicméně podobné barvy v rozsahu viditelného světla a ultrafialového záření musí být rozděleny do různé vlnové délky, tj. různé energie. Jednotlivé části jsou označovány jako UVA, UVB a UVC rozpětí (obr. 1). Tyto hodnoty jsou důležité pro UV vytvrzování. Měnící se vlnová délka znamená, že tyto rozsahy také vykazují různé vlastnosti. Například hloubka průniku UV záření závisí na jeho vlnové délce. Krátkovlnné UVC záření proniká nejméně a nesmí se používat při tloušťce filmu více než 100 μm. Naopak záření UVA proniká dokonce i přes extrémně vysokou tloušťku filmu a je schopno vytvrdit lak přes další vrstvy (obr. 2).
Obr. 2 Schéma penetrační hloubky spektrálních rozsahů UV záření
UV barvy obsahují tzv. fotoiniciátory, které mohou reagovat pouze se specifickou energií (fotony). Pokud nejsou tyto energetické svazky k dispozici, nebudou probíhat žádné chemické reakce. UV laky často obsahují kombinace fotoiniciátorů, které vykonávají různé úkoly.
Krátkovlnné UVC záření hraje roli zejména v povrchovém vytvrzování, jeho hloubka průniku je omezena. Nízkovlnné UVB záření proniká hlouběji do vrstvy a je zodpovědné za přiměřené vytvrzení, a to i ve vyšších vrstvách. UVA paprsky pronikají nejhlouběji a jsou používány zejména při vytvrzování barevných UV laků.
Obr. 3 Schéma vytvrzování průnikem vrstvy barvy
Je důležité obzvláště zajistit, aby v oblastech exponovatelných UV vytvrzováním došlo k vytvrzení až do základu a aby bylo dosaženo optimální vazby na substrát (obr. 3). Použití méně zářivé energie, než je vyžadováno, vede k nedostatečnému vytvrzení, což může způsobit vznik vloček nebo vést k tzv. „efektu šampaňského vína“. Dopadne-li však na desku naopak příliš energie, vytváří se napětí v laku, a výsledkem je vznik tzv. „lasturových zlomenin“.
Klíčovým prvkem UV záření je intenzita UV energie, která se nanáší na povrch nátěru. Měřicí jednotkou je mW/cm², také známý jako zářivý výkon. Nicméně hodnota mW/cm² lampy sama nemá smysl, protože neurčuje energii, která dopadá na exponované místo, což je rozhodující. V UV vytvrzování záleží na následujících faktorech:
Zářivý výkon je základním faktorem pro dobré (průchozí) vytvrzování. Jestliže zářivý výkon je příliš nízký, UV vytvrzení nemůže řádně proběhnout bez ohledu na to, jak často sestava prochází UV vytvrzovací jednotkou. To může být srovnáno s procesem pečení (kuchyňský termín pro vaření s použitím vysoké teploty, suchého tepla): hovězí vyžaduje minimální teploty (minimální intenzita) 150 až 200 °C pro upečení nebo zhnědnutí. I když je dlouho vystavováno nižší teplotě, např. 80 °C, požadovaného výsledku nebude dosaženo!
Důležitá je v tomto ohledu vzdálenost mezi zdrojem UV a povrchem. Jestliže se vzdálenost zvětší, radiační síla – intenzita nebo dávkování záření vyjádřená v mJ/cm² – klesá exponenciálně. V matematických termínech to znamená, že hustota energie klesá nepřímo úměrně čtverci vzdálenosti.
Typ reflektoru hraje stejně důležitou roli. Pro UV vytvrzování konformních nátěrů jsou doporučená tzv. „parabolická zrcadla“. Umožňují ozáření větších prostorů při použití stejné síly lampy a geometrie. Intenzita je relativně konzistentní v celém výkonovém rozsahu UV zdroje. Zároveň však maximální dosažitelná intenzita je výrazně nižší než u eliptických reflektorů.
Tyto zvláštnosti je třeba vzít v úvahu například při přechodu z jednoho testu na druhý nebo při stavbě zpracovací linky.
Pokud intenzita UV záření pro vytvrzení je neznámá, pak centrální část vytvrzování je nekontrolována. Jediný způsob, jak kontrolovat stav UV zdroje nebo UV jednotky, je měření UV výstupu zdroje (v procesu). Výhradně pravidelným shromažďováním těchto údajů na základní bázi může koncový uživatel zajistit, že UV zdroj pracuje správně, tj. důsledně.
Tyto měřicí přístroje obsahují UV citlivou fotodiodu za filtrem a kolimovanou čočku. Elektronický integrátor/zesilovač zvedne výsledný signál. Displej pak ukazuje maximální integrované záření v rozsahu vlnových délek. Určuje šířku pásma filtru a vlnové délky v závislosti na citlivosti fotodiody. DPS procházejí pod UV lampou tak, aby mohly integrovat zářivý výkon. Zachytí tak celkovou dávku kalibrovanou v mJ/cm². Proto se tato měřidla nazývají integrační radiometry. Je možné kombinovat více integračních radiometrů v jednom balíčku, kde je každý radiometr vybaven jiným pásmem filtru. Tímto způsobem lze měřit ve stejnou dobu tři nebo čtyři rozsahy v rámci UV spektra.
Obr. 4 Champagne poté, co bylo nedostatečné vytvrzení (vlevo) a Clam-shell štěpení po použití nadměrné energie záření (vpravo)
Hlavní nevýhodou filtru na bázi radiometrů je, že není možné měřit vlnovou délku rozložení UV lamp. Jsou kalibrovány na určitý typ světelného zdroje. Měření lampy s hodně odlišným spektrem mohou dát nesprávné, nesourodé výsledky. Nicméně tyto radioměřicí přístroje jsou jistě vhodné pro sledování stálosti UV záření (UV dávky) a jeho reálné distribuce v existujících jednotkách. Příkladem takového zařízení je UV integrátor Beltron. Zařízení od jiných výrobců mohou ukázat odchýlení hodnoty.
Na základě popsaných vlnových rozsahů UV spektra můžeme rozlišovat mezi třemi typy žárovek, které se obvykle liší ve svém spektru záření:
Diagramy na obr. 5 znázorňují spektrum různých dostupných UV lamp. Je nutné použít střední nebo vysokotlaké výbojky. Nízkotlaké výbojky, jako např. antibakteriální lampy, nejsou vůbec vhodné vzhledem k jejich nedostatečnému výkonu. Některé ruční lampy mají před žárovkami štít. Tento štít musí být vyroben z čistého křemenného skla, který jako jiné druhy skla pohlcuje velkou část UV záření. UV žárovky musí být měněny pravidelně podle pokynů výrobce, protože emise mění jejich životnost (zde je posun k dlouhovlnnému rozsahu, více k infračervenému záření). Stárnutí je také urychleno častějším rozsvěcováním lamp.
Obr. 5 Spektra různých UV lamp, které jsou k dispozici (Zdroj: arccure Technologies GmbH, Lippstadt, Německo)
Pro kontrolu provozních hodin musí být instalován čítač. UV záření není vidět a ani není viditelné pouhým okem. Naopak UV záření může způsobit nevratné poškození očí. UVA lampy nelze odlišit od UVC lampy a ani nemůžeme staré lampy vizuálně rozlišit. To, co můžeme vidět, je jen vyzařované „zbytkové záření“.
UV lampy vydávají záření axiálně ve všech směrech. Tudíž pro získání lepšího výsledku musí být v UV jednotkách použito reflektorů. Tato zrcadla mohou odrážet také selektivně. Charakteristika energetického rozložení typické UV lampy je následující:
Cílem selektivně odrážejících reflektorů
– („studených zrcadel“) – je snížit zahřívání, aby se usnadnilo mírnější vytvrzování při nižší teplotě.
Je-li energie záření rozdělena nerovnoměrně, může dojít k napětí mezi různými oblastmi.
Pro dosažení jeho rovnoměrného rozložení je nejlepší použít konvejerové UV jednotky. Reflektory na podporu dobrého rozložení UV záření jsou přidanou hodnotou proti zastínění součástek a k zajištění adekvátního vytvrzení i ze stran součástek.
Vytvrzovací systémy UV jsou zvláště efektivní technologie pro povrchové úpravy. Vytvrzovací časy méně než 30 sekund znamenají, že DPS může zůstat na pásovém dopravníku, a tak držet krok s vysokorychlostními zařízeními, jako jsou montážní stroje, vlnové pájecí linky a automatická čisticí zařízení. Navíc lze desky s plošnými spoji okamžitě přemístit a okamžitě odstranit kryty.
V případě vytvrzovacích systémů se sekundárním vytvrzením je UV záření (v kombinaci s jinými mechanismy, jako je vytvrzování vzdušnou vlhkostí) vhodné pro dosažení míst mimo rozsah UV záření (vytvrzení „ve stínu“).
Hlavní technologické výhody UV coating vrstvy jsou:
UV technologie lze snadno automatizovat pro in-line zpracování. Pomáhají snížit náklady, zejména ve srovnání s požadovanými investicemi do vhodných prostor. Čas věnovaný ke snížení emisí pro starší způsoby sušení s rozpouštědly je již neefektivní. Investice do nových systémů jsou často vratné již po jednom roce.
Konvenční UV laky se skládají z UV vytvrditelných monomerů/polymerů, např. z nenasycených polyesterových pryskyřic, rozpuštěných ve styrenových nebo akrylátových monomerech/polymerech, a neobsahují žádná rozpouštědla. Základní vlastnosti „akrylátu“ tak, jak jsou pojmenovány v souvislosti s UV inkousty, nejsou srovnatelné s těmi, které ředidla obsahují. Základní páteř polymeru je často specifikována samostatně jako akryl/polyuretan nebo akryl/silikon. Nicméně UV laky na čistě akrylátové bázi jsou v tomto případě také použitelné, základem je akrylová pryskyřice v kombinaci s UV reaktivní akryl-skupinou. Akrylové barvy jsou modifikované, radikálně vytvrditelné laky, které jsou spuštěny pomocí fotoiniciátoru a vytvrzují se během několika vteřin. Tato akrylová funkce se spouští pouze s pomocí UV záření. Obrovskou nevýhodou těchto systémů je různá polymerace různých částí na sestavené desce plošných spojů po UV vytvrzení v důsledku zastínění některých komponentů, která znamená, že pod těmito zastíněnými komponenty nedojde k vytvrzení. Nevzniká žádná chemická reakce v zastíněných oblastech, a proto také nemůže být zahájeno tepelné vytvrzení (obr. 6).
Obr. 6 Shadow efekt u konvenčního UV vytvrzování
Této obecné nevýhodě čistých UV systémů se lze vyhnout, pokud molekuly polymeru mají sekundární vlastnost prosíťování, která je nezávislá na působení UV. Z tohoto důvodu musí být veškeré UV laky používané na soustavách vybaveny „sekundárním vytvrzovacím mechanismem“, který zajišťuje kompletní vytvrzení v zastíněných místech. Zajištění kompletního protvrzení je nezbytně nutné pro funkční bezpečnost montáže podle očekávaných podmínek prostředí.
Tzv. TWIN-CURE® systém je založen na principu, že při sušení probíhají dva různé, synchronizované mechanismy chemického vytvrzování.
V první fázi, TWIN-CURE ®, je vytvrzeno UV a následně je dostatečně suchý, aby s ním mohlo být ve velmi krátké době manipulováno bez omezení.
Fotospouštěče, formulované v tlustovrstvém laku TWIN-CURE®, vykazují nejvyšší reaktivitu na následujících vlnových délkách UV lamp, kterých musí být použito pro optimální výsledek zrání:
Ve druhé, pomalejší fázi sušení dochází k chemickému prosíťování, zejména v zastíněných částech, tedy v oblastech, kde zahájení UV prosíťování není možné, a to prostřednictvím všudypřítomné vlhkosti vzduchu (obr. 7). Tímto zesítěním, tzv. polyuretanovým (PUR) vytvrzováním, je zachycena vlhkost vzduchu rozptýlená do polymeru a je užita pro polymeraci a další vytvrzování laku ve stínech. Je třeba zvláště zdůraznit, že TWIN-CURE® systém není fyzická směs dvou různých funkčních pryskyřic. UV funkční skupina a funkční izokyanát, odpovědné za stínové vytvrzování, jsou připojeny ke stejným polymerním molekulám. Tato dvojí funkce zaručuje nejvyšší odolnost a resistenci, protože žádná neprosíťovaná pojiva nezůstanou ve vrstvě jako měkká pryskyřice. Tento mechanismus zesítění rovněž umožňuje použití silných vrstev konformních nátěrů. Na neosazených oblastech lze dosáhnout nátěru tloušťky až 400 μm, i když optimální výška vrstvy by měla být zacílena na cca 200 μm. Takové kombinované vytvrzování je také evidentní v silikonových lacích, kde je spojeno typické vytvrzení vlhkostí s UV vytvrzením.
Obr. 7 Vytvrzení stínů na desce pomocí vlhkosti vzduchu TWIN-CURE®
Tlustovrstvé laky TWIN-CURE®, jako „friendly process“ versus UV technologie, nabízejí rozhodující výhody oproti konvenčním ochranným lakům. Spojují výhody rychlého vytvrzení UV se schopností prosíťování v zastíněných místech pomocí další reakce při jednoduchém použití 1složkového výrobku s odolností 2složkového systému. Tlustovrstvé aplikace lze dosáhnout při minimální době zpracování. Jako bezrozpouštědlová nátěrová hmota je ideálním řešením s ohledem na požadavky směrnice upravující množství VOC (VOC = těkavé organické sloučeniny) a zároveň nabízí vylepšenou ochranu DPS. Tento tlustovrstvý lak může také v závislosti na tloušťce vrstvy ochránit komponenty před vibracemi. Jeho fluorescenční úprava umožňuje jeho snadnou a spolehlivou kontrolu pod UV světlem. Systém tohoto druhu nabízí nejen ekologické a ekonomické výhody procesů, ale také zajišťuje vzhled výrobku s ohledem na jeho potenciální klimatické, chemické a mechanické namáhání.
Překlad: Ing. Tomáš Bravený
