Selektivní konformní povlaky elektrických sestav

Úvod

Konformní povlaky elektronických sestav všech typů slouží k ochraně elektronických obvodů v nepříznivých podmínkách. Ovlivňují izolační odpor povrchů a zajišťují ochranu proti vlhkosti a vlivu chemikálií. Zároveň zvyšují mechanickou odolnost proti nárazům a pomáhají udržovat dendritické růsty v přijatelných mezích. Smyslem jejich vytváření je učinit elektronickou sestavu bezpečnou před vnějšími vlivy a potlačit sekundární projevy „stárnutí materiálů“ vedoucí ke ztrátě nebo omezení funkčnosti. Nikdy sice dendritický růst a tvorbu whiskerů nezastaví zcela, ale výrazně je omezí, čímž se snižuje riziko zkratů.

Existuje celá řada aplikací, kde se konformní povlaky díky těmto vlastnostem staly dokonce normou. Typicky mezi ně patří letectví, automobilový průmysl, vojenství a zdravotnictví. Běžně se používá šest druhů materiálu: akryl, polyuretan, epoxid, silikon, parylen a ARUR, což je směs akrylu a polyuretanu. Všechny splňují požadované nároky na použití, opravy, ochranu, průmyslové nasazení atd. a neexistuje žádný univerzální návod směřující k jejich výběru pro konkrétní aplikaci. Účelem tohoto článku není detailně popisovat používané materiály, ale seznámit se s běžnými postupy jejich nanášení a naznačit současné možnosti zvládnutí tohoto procesu, jehož význam pro zajištění spolehlivosti elektronické sestavy nabývá na důležitosti. Proto se zaměříme na techniky, pro které jsou vhodné všechny uvedené materiály, s výjimkou parylenu, který se musí nanášet ve vakuu a nedá se postřikovat.

Způsob nanášení materiálu

Neexistuje žádné spolehlivé pravidlo, podle něhož by se dal některý materiál pro lakování označit jako nejvhodnější. Všechny povlakové materiály v úvodu zmíněné uvedené požadavky splňují, ale každý z nich má některé specifické vlastnosti, které je nutné posoudit ve vztahu k zamýšlené ochraně, potřebám aplikace nebo následnému přístupu k sestavám. U konkrétních aplikací jde pouze o posouzení významu těchto kritérií. Například silikony jsou pružné materiály s dostatečnou mírou přilnavosti k povrchu. Díky těmto vlastnostem se v hojné míře používají tam, kde se požaduje pružnost nebo kde hrozí např. vibrace – u ohebných elektronických obvodů a podložek. Jejich nevýhodou je, že se velmi obtížně čistí aplikačními prostředky, nástroje je třeba čistit a udržovat pravidelně, a obtížně se odstraňují z elektronické sestavy, je-li to nutné. Jiné materiály zase vyžadují specifické postupy, takže výběr materiálu se do značné míry řídí posouzením požadavků na ochrannou funkci i snadné použití v nastaveném procesu.

Konformní povlaky nanášíme na elektronické sestavy buďto celoplošně nebo lokálně, manuálně nebo automaticky. Každý způsob má svoje opodstatnění v návaznosti na potřeby krytí elektronické sestavy, produktivitu a spolehlivost metody.

Zpracovávají-li se malé počty a požadavky na opakovatelnost a kvalitu nejsou vysoké, lze použít ruční nanášení nátěrem, ponorem nebo postřikem. Provedení je silně závislé na přístupu operátora. Obtížně se dosahuje jak rovnoměrnosti tlouštěk vrstev, tak přesnosti provedení, pokud povrchy jsou členité nebo lakování lokální. Problematické může být i zajištění hygieny a ochrany zdraví operátora při práci s materiály chemické povahy, obsahujícími velké množství těkavých látek. Tyto techniky se obvykle používají ve spojení s materiálem, který se vytvrzuje v běžných podmínkách při pokojové teplotě. Zajištění dostatečných hygienických podmínek u nanášení laku např. postřikem pomocí stříkací pistole, abychom dosáhli vyšší produktivity procesu, vede z uvedených důvodů i k práci ve zcela oddělených prostorách a neúměrně se tím zvyšují nároky na podlahovou plochu.

Plně automatické systémy jsou relativně samostatné a lidský zásah je zapotřebí pouze z hlediska výrobního inženýrství. Pokud se lakuje celá plocha sestavy, lze s výhodou použít systémy lakování ponorem, kdy je celá sestava přesně definovaným způsobem zanořena a vytažena z laku v definovaných časových sekvencích. Jinými celoplošnými způsoby může být postřik nebo depozice materiálu z plynné fáze. S rostoucí komplexností elektronických sestav je v těchto případech stále častěji vyžadováno maskování některých prvků sestavy a celý proces se tak nepříjemně komplikuje. Jednotlivé metody si lépe nebo hůře poradí s členitostí sestavy nebo produktivitou procesu.

Obr. 1 Nenalakované DPS

Obr. 2 Lakované DPS

Rozumným kompromisem z pohledu většiny potřeb pro průmyslové využití se v posledním období stále častěji ukazuje selektivní automatické lakování postřikem. Jde o plně programovatelné, počítačem řízené robotické hlavy, které umožňují nanášení povlaku jen na určená místa. Maskování není potřeba, protože selektivní programování dovoluje „ošetřit“ vynechané plochy tak, že v případě potřeby mohou součástky zůstat čisté. Nanášecí hlava zaručuje velmi přesné nanášení a dávkování materiálu rychlostí, která se vyrovná vysokorychlostním osazovacím automatům. Délka taktu 30 sekund a méně pro desky velikosti A4 je běžná. Selektivita a programovatelnost zařízení zaručuje optimalizaci spotřeby materiálu a omezuje lidský zásah pouze na údržbu a programování. Zařízení dovoluje nejenom plošně omezené nanášení, ale i změnu tlouštěk vrstvy po ploše, kombinované nanášení různých materiálů, individuální lokální přístup i aplikace, kdy je požadována velmi malá viskozita materiálu. Poradí si např. s viskozitami od 10–100 cps, ale postřikové hlavy jsou schopny pracovat i s materiály s vyšší viskozitou, typicky až 3 000 cps. Tloušťky vrstev se pohybují standardně mezi 0,0127 až 0,127 mm.

Selektivní postřikové nanášení poskytuje velmi přesné a konzistentní povlaky. Vyspělost těchto zařízení významně redukuje také výskyt běžných vad této technologie. Zabránit výskytu pórů a bublin se zdá být téměř nemožné, ale při správné volbě selektivního zařízení a kombinaci s vhodným způsobem vytvrzování se jejich výskyt sníží na zanedbatelné množství, případně se vyloučí úplně. Předpokladem je samozřejmě důkladné předčištění sestavy.

Whiskery

Samostatnou kapitolou v éře bezolovnatého pájení je redukce whiskerů souvisejících se změnou pájecího materiálu. Vydání předpisu RoHS znamenalo, že z důvodu zákazu olova došlo k nárůstu používání cínu na deskách plošných spojů a součástkách. Cín má tendenci vytvářet whiskery, ale v tomto článku se jimi nebudeme zabývat podrobněji. Zjištění, zda konformní povlak snižuje nebo pomáhá zvládat tvorbu whiskerů, stálo hodně úsilí a velký počet výsledků již byl zveřejněn. Z nich je zřejmé, že dobře očištěné a lakované DPS tvorbu whiskerů výrazně potlačují, jak dokumentují i následující grafy. Příklad ukazuje rozdíl mezi sadou DPS vyčištěnou ultrazvukem v alkoholové lázni a sadou stejných DPS ponechaných ve stavu, v jakém opustily montáž. I když u povlakovaných desek došlo k tvorbě whiskerů, jejich výskyt byl zanedbatelný.

Na lakovaných DPS bylo zjištěno pouze 5 whiskerů a nejdelší byl dlouhý 30 μm. Množství whiskerů na nepotažených DPS bylo mnohokrát větší a nejdelší byl dlouhý 104 μm. K vytváření whiskerů zásadním způsobem přispívají zbytky tavidla a vlhkost. Konformní povlak velkou mírou pomáhá tyto faktory potlačit.

Závěr

Abychom dosáhli požadované efektivity lakování, musíme vzít do úvahy nejenom dostupné technologie a jejich faktory, jako je produktivita, čištění a údržba, maskování, flexibilita použití, nástrojové vybavení a opakovatelnost. Takřka nedílnou součástí spolehlivého a funkčního procesu nanesení konformního povlaku na elektronickou sestavu je i příprava povrchu před vlastním lakováním, v tomto případě dokonalé očištění a vysušení DPS, a následné vytvrzení povlaku po jeho nanesení. Obojí významně přispívá ke kvalitě celého procesu. O významu mytí DPS pro lakování jsme diskutovali v předchozím článku. Jde nejenom o potlačení výskytu nežádoucích objektů na desce, které jsou potenciálním zdrojem budoucích vad, ale i o přípravu povrchu pro nanášení povlaku, který tak lépe přilne. Souvislosti s vytvrzením bychom rádi komentovali v některém z následujících článků.

www.pbt.cz