Защитные покрытия для печатных плат

Тефлоновая сковорода хорошо известна и горячо любима любой домохозяйке. Тонкое, практически незаметное покрытие обладает уникальными отталкивающими свойствами, благодаря которым пища на сковороде не пригорает. Единственное условие долгой эксплуатации этой кухонной утвари – избегать царапин на поверхности, ведь слой покрытия чрезвычайно тонкий.

Мы все сегодня привыкли называть это покрытие тефлоновым, хотя это такая же калька с названием торговой марки, как скотч или ксерокс. Правильное название такого покрытия – фторполимерное. Мало кому известно, что технология фторполимерных материалов пришла на нашу кухню из военной техники. Полвека назад военно-морской флот США поставил задачу разработки специального покрытия, стойкого к суровым условиям влажности и морской соли. В 1968 году лабораторией The Naval Research Laboratory была проведена масштабная исследовательская программа по изучению различных материалов и технологий. Единственным материалом, который с честью выдержал все испытания, стал фторполимер. Первый его выход в гражданскую жизнь, безусловно, связан с антипригарным покрытием. Расширение сферы его применения долгое время сдерживалось высокой стоимостью на сырье. Цена сильно зависела от стоимости и доступности таких мономеров как гексафторацетон. Кроме того, материал требует закупки специального дорогостоящего оборудования. Однако использование фторполимеров в самых разных областях промышленности и быта привело к тому, что за последнее десятилетие стоимость материалов снизилась, и он открывает свои возможности в пищевой промышленности, типографиях, на конвейерах по упаковке грузов, в авиастроении и т.д. Спрос на фторполимеры во всем мире растет непрерывно, в 2011 году он составил 7.25 млрд.дол. Не последнее место в его экспансии занимает электронная промышленность.

Фторполимеры являются идеальным материалом для покрытия печатных плат. Как и в примере со сковородой, они образуют тончайший защитный слой, который выдерживает температуры до 200 градусов, наносится на плату обычным окунанием в жидкость, не требует цикла отверждения, и, что самое главное, надежно защищает компоненты от любых агрессивных воздействий попадания влаги или химических веществ.

Чтобы разобраться, правда ли возможно получить покрытие со всеми перечисленными свойствами, давайте рассмотрим что такое фторполимер. Это специальный класс защитных жидкостей – Novec Electronic Grade Coatings производства компании 3М – представляет собой прозрачные жидкости малой вязкости и с низким поверхностным натяжением. Активным веществом таких жидкостей являются фторированные полимеры в сегрегированных гидрофторэфирных растворителях. Самым распространенным типом такого покрытия является 1700 Electronic Grade Coating торговой марки Novec (3М).
Фторполимеры отличаются сильными фторуглеродистыми связями. Фтор здесь электрически отрицателен и отталкивает любые элементы, кроме себя самого. При объединении с полимерной цепью атомы фтора значительно укрепляют ее, поскольку расстояние углеродофторных связей очень мало и достаточно сильно (477 кДж/моль). Так образуется его главное уникальное свойство отталкивания. Поэтому при попадании капли на такое покрытие она собирается в полусферу и легко скатится вниз, если поверхность наклонить. Для сравнения, капля на любой другой поверхности растекается в виде лужицы и при наклоне поверхности просто увеличивает свою площадь.
Способность фторполимеров отталкивать нежелательные химические воздействия тестировалась на многомолекулярном спирте, хлорфениле и соли себациновой кислоты. Тест проводился методом погружения в течение 19 часов при температуре 100С. После этого поверхность покрытия изучалась под электронным микроскопом. Другой тест определял способность покрытия к миграции металлов (в результате которой образуются дендриты), для этого его погрузили в загрязненную среду 1014Na+/кв.см. при влажности 95% и термоциклировании от 100 до -10С. Следов миграции после 100 циклов продолжительностью 4 часа на цикл обнаружено не было. Для сравнения кремнийорганические покрытия (типа силиконовых) показали следы миграции уже после 8 циклов.
Фторполимерное покрытие отталкивает не только влагу, но и любые другие нежелательные последствия контакта с окружающей средой: на них не осаждается пыль, они надежно защищают плату от химических реагентов, они не пропускают тепло, поэтому внешний нагрев никак не отражается на нагреве комплектующих. Отметим, что функция влагозащиты включает как прямое попадание воды на поверхность платы, так и образование конденсата в результате резких перепадов температур.
Фторполимерные покрытия выгодно отличаются от своих конкурентов низким поверхностным натяжением. Эта характеристика указывает на степень смачиваемости поверхности. Хорошая смачиваемость поверхности указывает на то, что минимальный объем вещества займет максимальную площадь поверхности. Без хорошей смачиваемости не обойтись в клеевых или теплопроводящих материалах. Однако в конформных покрытиях этот параметр должен быть минимальным, т.е. попадание влаги на защищенную плату не должно приводить к ее распространению по всей поверхности.
Смачиваемость измеряется по углу капли жидкости, нанесенную на тестируемую поверхность. Чем больше угол, тем меньше смачиваемость. Поэтому водоотталкивающие поверхности должны иметь максимально больший угол контакта. Для фторполимерных жидкостей он составляет 105 градусов для воды и 65 градусов для гексадекана.

Следующий вопрос, который волнует любого технолога на производстве печатных плат, - это совместимость конформного покрытия с материалами комплектующих. Особое внимание всегда уделяется пластиковым корпусам разъемов, кварцам, золоченым ламелям и др. Жидкость 1700 Novec предназначена для нанесения практически на любые поверхности: это могут быть печатные платы, металл, стекло, подложки из меди или алюминия, гибкие полиимидные пленки и др.
В этом вопросе фторполимерные покрытия обладают еще одним уникальным свойством: при контакте с покрывным материалом (особенно после 15-минутной температурной выдержки при 100С) определенные фторполимеры перестраивают свою микроструктуру для минимизации разницы в поверхностной энергии между покрытием и подложкой. Это обеспечивает хорошую адгезию покрытия к практически любым материалам, включая медь, эпоксидку, стеклоткань.
Помимо хорошей адгезии к широкому спектру материалов покрытие 1700 3М не требует маскирования для таких компонентов, как разъемы, позолоченные ламели, элементы управления и контроля. Если контакты разъемы являются ножевыми, то в результате сочленения ответной части слой пленки будет легко удален и контакт восстановлен. Материал имеет малую механическую прочность, поэтому легко удаляется простым трением, что устраняет необходимость в маскировании, а также делает покрытие ремонтопригодным.
Любые конформные покрытия, помимо защиты от внешних факторов среды обеспечивают диэлектрическую защиту различной степени. Наиболее надежными считаются полиуретановые покрытия. Фторполимерные покрытия уступают по пробивным характеристикам своему конкуренты, но, тем не менее, их изоляционные и диэлектрические способности достаточно высоки, 40кВ/мм.

Основные характеристики фторполимерных покрытий приведены в таблице.

Покрытие 1700 допускает самые различные методы нанесения: погружение, распыление, капельный метод, капиллярный метод, нанесение кистью. Производитель рекомендует использовать погружной метод, при которой достигает максимальная эффективность нанесения при минимальном расходе жидкости. Также скорость погружения позволяет контролировать толщину покрытия, которая может варьироваться от 1 до 6 микрон (стандартная толщина других покрытий начинается от 25 микрон).

Конформные защитные покрытия 3М Novec Electronic Grade Coatings

Фторполимерные покрытия являются высоконадежной заменой полиуретановых покрытий нового поколения для изделий, требующих высокой надежности в эксплуатации.
В отличие от полиуретана, фторполимерные покрытия обладают рядом преимуществ, ускоряющих и облегчающих процесс нанесения и ремонта покрытия:

• возможность использования любого типа нанесения: погружение, напыление, селективное распыление, кисть
• не требуют времени на отверждение, высыхают за несколько секунд
• применение покрытия не требует маскирования разъемов или ламелей
• покрытие ремонтопригодно для последующей пайки без удаления
• возможность усиления свойств покрытия увеличением слоев
• специальные покрытия для УФ-инспекции и контроля качества