Защита печатных плат от коррозии

Новая эра защитных покрытий

Современная электроника становится более портативной и чрезвычайно сложной, чем когда либо. Плотность монтажа повышается, прочность компонентов снижается по причине их малогабаритности. В связи с этим остро встает вопрос по защите печатных узлов от таких загрязнений, как влага, сульфаты (сера), наслоения пыли и грязи. Без должной защиты чувствительные компоненты быстро коррозируют, что приводит к коротким замыканиям, ухудшениям рабочих параметров и поломке устройств.
Для защиты поверхности монтажного основания и компонентов от внешних факторов окружающей среды, таких как влага, повышенная температура, пыль, отпечатки пальцев, загрязнения, химические и механические воздействия, электромиграция используются различные типы покрытий (некоторые из них называют конформными покрытиями). Такая защита помогает предотвратить коррозию, утечку тока или появление плесени и, следовательно, позволяет увеличить срок службы оборудования и повысить его надежность. Конформные покрытия обладают отличной адгезией, практически незаметны и повторяют форму печатного узла.
При выборе защитного покрытия учитывается множество факторов: условия эксплуатации конечного прибора, особенности топология платы и используемых комплектующих, диэлектрическая прочность покрытия, ремонтопригодность и возможность модификации платы после нанесения покрытия.

Существующие покрытия

Конформные покрытия производятся на основе акрила, парилена, силикона, уретана и имеют различные методы нанесения, такие как погружение, распыление, нанесение кистью, струйный облив. Дальнейшее отверждение может происходить под воздействием УФ-облучения, сушки в шкафу или другими методами.

Сравнение защитных покрытий

Традиционные методы покрытий хорошо себя зарекомендовали, однако они были созданы для элементной базы прошлого поколения. Современные печатные узлы характеризуются малым шагом выводов, использованием сложных корпусов, высокой плотностью расположения компонентов. Для элементов с миниатюрным форм-фактором покрытия типа эпоксидных или силиконовых могут оказаться слишком тяжелыми и создавать неблагоприятные механические напряжения. Полиуретановые покрытия являются более универсальными, но их неремонтопригодность и необходимость маскирования создают излишние технологические проблемы.

Для решения вышеперечисленных проблем компания 3М предлагает покрытие нового поколения на основе фторполимеров. Этот специальный класс защитных жидкостей – Novec Electronic Grade Coatings – представляет собой прозрачные жидкости малой вязкости и с низким поверхностным натяжением. Активным веществом таких жидкостей являются фторированные полимеры в сегрегированных гидрофторэфирных растворителях.

Свойства фторполимеров

Фторполимер – это полимер на основе фторированного углеводорода с сильными фторуглеродистыми связями. Фтор во фторполимере электрически отрицателен и практически не связывается с другими материалами. Это и придает фторполимеру уникальные свойства отталкивания, поэтому первое популярное применение фторполимеров – это антипригарные покрытия. 

Масштабная исследовательская программа по изучению фторполимеров была проведена в 1968 году лабораторией The Naval Research Laboratory. Ее главной задачей было определить потенциал материала для использования в военно-морском флоте. Никакой другой материал не мог соответствовать их требованиям.

Основные характеристики фторполимерных покрытий приведены в таблице.

Коммерческое применение фторполимерных покрытий долгое время было ограничено высокой стоимостью материала по сравнению с другими конформными покрытиями. Цена сильно зависела от стоимости и доступности таких мономеров как гексафторацетон. Кроме того, материал требует закупки специального дорогостоящего оборудования.

Однако постепенно фторполимерные покрытия проникали в различные области промышленности. Спрос на фторполимеры во всем мире растет непрерывно, в 2011 году он составил 7.25 млрд.дол.  Приведем некоторые примеры использования фторполимерных покрытий в различных областях промышленности:
—покрытие изоляции проводников в авиастроении: здесь фторполимер защищает проводники и снижает риск возгорания воздушного судна.
—покрытие конвейерных участков: типографии и предприятия по производству упаковки используют фторполимеры для покрытия поддонов с чернилами и роликов конвейеров; покрытие способствует тому, что перемещаемые по конвейеру предметы не цепляются за конструктивные элементы оборудования, также покрытые фторполимером участки легко мыть и очищать от краски.
—автомобильная промышленность: фторполимер позволяет предотвратить трение и коррозию запчастей, он незаменим при работе с шариковыми подшипниками и зубчатыми механизмами, которые претерпевают значительный износ в процессе эксплуатации.

Фторполимерные покрытия для электроники

Для электронной промышленности фторполимеры также обладают набором привлекательных свойств. Во-первых, они вообще не имеют свойств липкости, во-вторых, они сильно уменьшают трение и противодействуют коррозии.  Также, фторполимеры выдерживают воздействие очень высоких температур, являются отличными изоляторами (не проводят электричество), не поглощают влагу. В результате, применение фторполимерных покрытий значительно увеличивает срок эксплуатации электронных изделий.
Такие покрытия предназначены для оборудования, требующего очень высокой надежности, где необходима стойкость к водомасляным жидкостям и силикону, стойкость к микробиологическим атакам, сверхнизкая диэлектрическая константа, сверхнизкий коэффициент миграции ионов и способность выдерживать атмосферные воздействия.

Разберем основные свойства защитных покрытий для печатных плат на основе фторполимеров.
1. Фтор имеет самую высокую электроотрицательность среди всех химических элементов. При объединении с полимерной цепью атомы фтора значительно укрепляют ее, поскольку расстояние углеродофторных связей очень мало и достаточно сильно (477 кДж/моль). Это химическое свойство обеспечивает стойкость покрытия к химическим воздействиям и отличную термостабильность фтормолимеров.
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 100°С. 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 -10°С. 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.

2. Фторполимеры обладают самым низким поверхностным натяжением среди всех существующих конформных покрытий. Именно это свойство придают поверхности отталкивающие свойства.

Поверхностное натяжение определяет степень смачиваемости поверхности. Если на поверхность нанести каплю жидкости, то угол образовавшейся капли-сферы будет характеризовать степень смачиваемости. Чем меньше угол, тем лучше растекание жидкости. Поэтому водоотталкивающие поверхности должны иметь максимально больший угол контакта. Для фторполимерных жидкостей он составляет 105 градусов для воды и 65 градусов для гексадекана.
При контакте с покрывным материалом (особенно после 15-минутной температурной выдержки при 100°С)  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.

3. Растворимость фторполимеров составляет 11,4 Дж/см.куб. Максимально приближенный к этому значению растворитель серии 7100 производства 3М пока достигает 11,6 Дж/см.куб. при условии сохранения следующей пропорции: 2% фторполимера и 98% растворителя 7100. Поэтому некоторые производители фторполимерных покрытий (например, Nordson) использует именно растворитель производства 3М 7100.
4. Отличная долгосрочная стабильность фторполимерного покрытия объясняется силой связи C-F. Благодаря этому материал обладает высокой диэлектрической способностью и изоляционными свойствами (40кВ/мм), а также сохраняет стабильные влагозащитные свойства при многократных долговременных циклах изменения температуры и влажности. Этим обеспечивается долгосрочная защита печатных плат.

Фторполимерное покрытие 1700 3М

Сегодня на российском рынке представлен один образец фторполимерного защитного покрытия - 1700 Electronic Grade Coating торговой марки Novec (3M). Это прозрачный низковязкий раствор фторсодержащего акрилового полимера в гидрофторэфирном растворителе. Этот растворитель не относится к легколетучим (VOC) веществам, благодаря чему отвечает международным экологическим нормам.
Жидкость предназначена для нанесения практически на любые поверхности: это могут быть печатные платы, металл, стекло, подложки из меди или алюминия, гибкие полиимидные пленки и др. После нанесения она образует тончайшую прозрачную пленку не более 1 мкм (для сравнения толщина лаковых покрытий составляет 25-50 мкм).
Покрытие 1700 обеспечивает следующие защитные функции печатного узла: защита от влаги, защита от химических воздействий и защита от коррозии. Отметим, что функция влагозащиты включает как прямое попадание воды на поверхность платы, так и образование конденсата в результате резких перепадов температур. Фторполимер имеет широчайший температурный диапазон, от -100 до 500°F (-73…260°С). Защитная пленка фторполимерного покрытия обеспечивает защиту печатной платы и ее компонентов от нагрева до 175С в течение продолжительного периода времени, сохраняя при этом свои водоотталкивающие способности. Такой высокотемпературный рабочий режим покрытия принципиально важен для электроники, эксплуатирующейся при резких перепадах температуры.

Выделим некоторые моменты в технологии использования защитных покрытий 1700.

Топология печатной платы
На плате могут располагаться компоненты, которые не подлежат обработке защитными покрытиями, это могут быть соединители, контактные ламели, потенциометры или другие элементы управления. Обычно такие компоненты располагаются по краям платы и требуют использовать маскирующих материалов.
Однако жидкость 1700 можно использовать и для печатных плат с предустановленными на них разъемами. 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 таких компонентов, как переключатели, разъемы, пьезоэлектрические излучатели.
Кроме того, жидкость 1700 можно удалить с помощью растворителя (7100).

Ремонтопригодность
Если узел требует ремонта, то критичным вопросом является простота удаления покрытия. Важное преимущество покрытия 1700 – это возможность доработки платы даже после нанесения защитного слоя. Слой пленки очень тонкий и без дополнительной очистки можно проводить пайку и выпайку компонентов с нанесенным покрытием Novec 1700.

Методы нанесения
Нанести жидкость 1700 можно различным способом. При этом любой способ обеспечит точность нанесения, повторяемость и селективность. Она не требует высокотемпературной обработки, при необходимости ее можно легко удалить. Способы нанесения:
—погружение
—распыление
—капельный метод
—капиллярный метод
—нанесение кистью

Традиционно разный метод нанесения предполагает разную толщину покрытия, однако такой проблемы с 1700 не существует. Жидкость имеет низкую вязкость и поверхностное натяжение, поэтому любой метод нанесения обеспечивает оптимальное управление потоком раствора.
Нанесение методом погружения позволяет покрыть самые узкие места платы и компоненты нестандартной формы. При разной скорости подачи платы образуется разная толщина покрытия. Для уменьшения испарения рекомендуется использовать узкие резервуары с высокими бортами. Отметим, что это является самым предпочтительным методом нанесения покрытия.
Нанесение методом распыления может выполняться вручную или селективно при помощи роботизированного оборудования. Автоматизированный способ позволит экономней использовать жидкость и наносить ее более равномерно с учетом геометрии поверхности.
Капельный метод позволяет точно контролировать расход материала при сохранении ручного метода нанесения.
Нанесение кистью использовать не рекомендуется по причине перекрестного загрязнения раствора. На волоски кисти могут попадать частицы с печатной платы. Также, будет сложно контролировать количество наносимого раствора.

Контроль нанесения покрытия
Добавим несколько слов о технологическом процессе и контроле качества. Первый вопрос, с которым придется столкнуться технологу и мастерам – это отличие обработанных плат от необработанных. Решение задачи заключается в использовании различного типа маркировки. На черные корпуса микросхем можно наносить точечные пятна раствора, которые будут видны невооруженным глазом.

Если покрытие наносится на светлые участки и такая маркировка не очевидна, то покрытие можно увидеть под микроскопом или методом сравнения двух плат.
Тем не менее, такие визуальные и экспериментальные методы дают возможность увидеть просто факт наличия покрытия, но качество его нанесения не контролируется. Поэтому в качестве основного метода контроля рекомендуется использовать спектрометр (для моделей без УФ-добавок).

Еще один способ определить наличие нанесения – это тест на несмачиваемость масла. Высохшее покрытие будет отталкивать жидкости, минеральные масла, парафиновое масло и гексадекан. Такой тест можно также проводить при приемке печатных плат.

Контроль расхода
Другой вопрос – это интенсивность расхода жидкости. Ее можно контролировать с помощью электронных весов, взвешивая массу жидкости каждые четыре часа (при автоматизированном процессе нанесения).

УФ-тестирование
Важным преимуществом является и то, что жидкости могут содержать содержит добавки для возможности контроля качества нанесения покрытия при помощи УФ лучей.
Серия защитных покрытий 2700 (жидкости серий 27002, 2701, 2704 и 2708) имеют желто-оранжевый наполнитель, который флуоресцирует под воздействием УФ лучей, облегчая инспекцию и контроль качества нанесения покрытий.

Толщина покрытия
Традиционные конформные покрытия имеют толщину слоя в 25 микрон и выше. Покрытия 3М значительно тоньше. При нанесении методом погружения толщина покрытия может варьироваться от 0.1 до 1.3 микрон или от 1 до 6 микрон. При однократном покрытии распылением толщина слоя составит 1-6 микрон. Можно наносить несколько слоев для увеличения толщины защитного покрытия.
Тонкость покрытия имеет несколько преимуществ:
—электрический контакт можно осуществлять непосредственно через покрытие, устраняя необходимость в маскировании,
—превосходное покрытие сложных геометрических рельефов,
—улучшение термопрофиля при эксплуатации платы – тонкое покрытие не удерживает тепло.

Безопасность применения

Защитные покрытия Novec 3M полностью безопасны для рабочего персонала и окружающей среды.
—невоспламеняемость и низкая токсичность для безопасности рабочего персонала
—непроводимость
—минимальное воздействие на окружающую среду, нулевой потенциал озонного истощения, низкий потенциал глобального потепления по сравнению с традиционными конформными покрытиями с углеводородными растворителями.
—без легколетучих соединений (VOC)
—строгое соблюдение нормативных требований

Испытания 1700 на воздействие солевого тумана

Для тестирования покрытия на предмет его антикоррозионных свойств используют тест на солевой туман. В камерах солевого тумана печатные платы подвергаются воздействию морской воды и морского тумана, в которых содержатся соли хлора, магния и других элементов. Такие тесты позволяют судить о стойкости покрытий к коррозионным воздействиям при высокой влажности воздуха.
Результаты тестов с покрытием 1700 показывают, что даже тонкий слой покрытия обеспечивает надежную защиту традиционных металлических покрытий (таких как иммерсионное серебро) от коррозии, вызванной тяжелыми условиями соляного тумана. Нанесение дополнительных слоев позволит повысить защиту платы и высокопрофильных компонентов (или же плат со сложной конфигурацией).

Слева на рисунке показана плата без покрытия после 245 часов в комнате соляного тумана. Три правых изображения демонстрируют платы с различной толщиной покрытия, плата А – 0,1 мкм, В – 0,5 мкм, С – 1 мкс.

Качество конформных покрытий тестируются по международному стандарту IPC-CC-830 и IPC-TM-650 2.6.3.4, который регламентирует сопротивление изоляции (более 500 МОм) после определенных испытательных циклов колебания температуры от 25 до 65 градусов при 85% влажности.

Тестирование на сопротивление изоляции

Результаты тестирование защитных покрытий серий 2704 и 2708: первоначальное сопротивление, после 1-го цикла, 4-го, 7-го, 10-го и последнего цикла испытаний

Вид платы после испытаний на влажность и сопротивление изоляции по стандарту IPC-CC-830: без видимых изменений

Конформные защитные покрытия 3М Novec Electronic Grade Coatings