Влагозащита печатных плат

Влагозащита или нанесение конформных покрытий и технология его нанесения всегда составляли жизненно важную часть при разработке и производстве электронной аппаратуры в первую очередь предназначенную обеспечить в течение длительного времени надежные и стабильные функциональные и потребительские характеристики электронных модулей (ячеек) при неблагоприятных условиях, в особенности связанных с повышенной влажностью. Уменьшающиеся зазоры между проводниками, увеличивающаяся плотность компоновки компонентов, ужесточающиеся эксплуатационные требования делают задачу применения конформных покрытий (выбор и разработку технологии) особенно актуальной.

Когда не покрытый электронный узел ячейки подвергается воздействию влажного воздуха на поверхности печатной платы образуется толстая пленка молекул воды. Чем толще эта пленка, тем ниже поверхностное сопротивление (обычно измеряемое как сопротивление изоляции). Типичные результаты при этом: перекрестные наводки, электрическая утечка, неустойчивая передача данных, и в конце концов короткое замыкание.

Кроме того водяные пленки на непокрытых электронных узлах обеспечивают благоприятные условия для электромиграции и коррозии. Пыль, грязь на поверхности печатных плат, являющиеся конденсаторами влаги, агрессивные вещества растворенные в водяных пленках (окись серы, окись азота, соляной туман) кратно увеличивают описанные выше эффекты. Должным образом выбранная и нанесенная влагозащита или конформное покрытие (по принятой за рубежом номенклатуре), представляют из себя полупроницаемые мембраны (учитывая, что молекулы воды имеют очень малые размеры и обладают возможностью диффундировать в промежутках между большими органическими молекулами вещества влагозащиты).

Что при длительной экспозиции позволяет некоторому количеству влаги проникать сквозь пленку покрытия, что, в свою очередь, приводит к снижению сопротивления изоляции. Вопрос состоит в том, какова скорость этого процесса, а она зависит от выбранного типа конформного покрытия и технологии его нанесения. Необходимо выбрать такой тип влагозащитного покрытия, который гарантированно не допустит проникновения влаги до проводящих слоев электронных модулей в течении всего срока его эксплуатации.

Международная классификация (в частности стандарты IPC и MIL) специфицирует 5 классов конформных покрытий (влагозащитных лаков), что примерно соответствует классификации принятой в РФ.

1. Акриловые лаки (АR, на основе акриловых смол). Эти составы быстро ( в течение минут) при комнатной температуре сохнут до состояния потери липкости имеют удовлетворительные электрические и физические характеристики, стойки к грибку. Они обладают длительной живучестью в разведенном состоянии, не выделяют совсем, либо выделяют очень мало тепла при отверждении (что предотвращает повреждение термочувствительных компонентов). Они высыхают без накапливания внутренних напряжений в пленках. Их главным недостатком является слабая стойкость к растворителям (что правда делает их хорошо ремонто-пригодными).

Акриловые влагозащитные лаки имеют низкую стойкость к агрессивным средам и температурным воздействиям, как в плюсовом, так и в минусовом интервале. Типовой представитель используемый в отечественной промышленности лак "Цапон".

2. Эпоксидные лаки (ER, на основе эпоксидной смолы). Эпоксидные лаки, как правило, представляют из себя двух-компонентные системы, которые обеспечивают высокую влагостойкость, высокую абразивную и химическую стойкость. Однако их фактически нельзя удалить химически для обеспечения ремонта, т.к. любой состав для снятия будет воздействовать на эпоксидную смолу основы печатной платы, повреждая ее. Единственный эффективный способ ремонта – удалить эпоксидную пленку горячим ножом или паяльником.

Основным недостатком эпоксидных составов являются внутренние напряжения возникающие при отверждении (полимеризации) и возможное выделение тепла (экзотермическая реакция полимеризации). Типовой представитель применяемый в отечественной промышленности лак "ЭП-4100".

3. Полиуретановые лаки (UR, на основе полиуретановых смол). Полиуретановые влагозащитные лаки выпускаются в виде однокомпонентных, двух компонентных, УФ-отверждаемых систем. Все эти системы обеспечивают превосходную влагозащиту, химическую стойкость в сочетании с очень хорошими диэлектрическими свойствами в течение длительного периода эксплуатации. Отверждение полиуретановых влагозащитных составов происходит с использование влаги окружающего воздуха, что требует контроля влажности при отверждении. Удаление полиуретановых покрытий для проведения ремонта возможно как механически, так и с помощью паяльника с частичным сжиганием.

УФ-отверждаемые полиуретаны требуют дополнительного воздействия для полного отверждения состава и последующего контроля, особенно под компонентами и в местах, где ограничен доступ УФ-освещения.

Типовой представитель применяемый в отечественной промышленности лак "УР231" (двухкомпонентный, не требующий УФ отверждения).

4. Кремнийорганические лаки (SR, на основе кремнийорганической смолы). Основное преимущество кремнийорганических (силиконовых) составов их высокая эксплуатационная термостойкость в широком интервале температур –60°С+200°С. Они обеспечивают высокую влагостойкость и сопротивление коррозии при высоких температурах, что делает их необходимыми для использования в электронных узлах содержащих компоненты с большой рассеивающей мощностью (быстрые микропроцессоры, мощные резисторы и т.п.). Силиконовые покрытия обладают высокой эластичностью, снятие для ремонта в основном механическое.

5. Полипараксилилены (XR, параксилиленовый полимер).

Это составы, которые наносятся из паровой фазы мономера дипараксилиена. Пленка полимера формируется из паров мономера осаждаемых на охлаждаемую поверхность узла. Охлаждение необходимо из-за сильно экзотермической реакции полимеризации. На поверхности электронного узла образуется очень тонкая (идеально конформная) пленка полимера обладающего очень высокими диэлектрическими свойствами и стойкостью в агрессивных средах. Недостатком является необходимость использования сложного оборудования и специальной оснастки обеспечивающей отвод избыточного тепла, образующегося в реакции полимеризации и необходимость защиты закрывающей контакты разъемов и другие контактные поверхности от проникновения паров мономера и образования на контактных поверхностях пленки полимера мономера. Типовые эксплуатационные характеристики влагозащитных покрытий в таблице

Типовые эксплуатационные характеристики влагозащитных покрытий

Характер.	Ед.	AR	ER	UR	SR	XR
ДЭ прочность (короткое время,  23°С)	V на mil	3500	2200	3500	2000	3500
Поверхност. сопротив. (23°С, 50% ОВ)	Oм·см	1014	1013	1014	1013	1014
ДЭ постоян. (23°С, 1 МГц)	-	2,2÷3,2	3,3¸4,0	4,2¸5,2	2,0¸2,2	4¸5
Термостойкость	°С	125	125	125	200	140
КТР	мкм/м ·°С	0,05¸0,09	0,04¸0,08	0,1¸0,2	0,1¸0,2	0,05¸0,09
Теплопроводность	10-4 кал. с.·см2·см·°С	4¸5	4¸5	4¸5	3,5¸8	4¸5
Сопротивл. в сл. кисл.	-	хор.	отл.	отл.	хор.	отл.
Сопротивл. в сл. щел.	-	хор.	отл.	отл.	хор.	отл.
Сопротивл. орг. раств.	-	плох.	отл.	отл.	хор.	отл.
Мех. прочность		хор.	отл.	хор.	удв.	хор.
Влагостойкость	-	отл.	хор.	отл.	отл.	отл.
Влагостойкость (длительная при температуре)	-	хор.	удв.	хор.	отл.	хор.

При проведении выбора типа и марки влагозащитного покрытия целесообразно в первую очередь учитывать условия эксплуатации устройства, в котором используются электронные узлы, для которых разрабатывается технология влагозащиты. Например, если устройство устанавливается на борт корабля и подвергается жестким внешним воздействиям, в том числе воздействию влаги, температуры и агрессивными средами (соляной туман), а так же сочетанию перечисленных факторов воздействия. Для таких целей акриловые покрытия конечно же должны быть исключены из рассмотрения, как не обеспечивающие защиту от сочетания вышеперечисленных факторов воздействия. Правильность выбора типа покрытия должно подтверждаться конструктивными испытаниями.

Вторым свойством, принимающимся во внимание при выборе влагозащиты должна быть технологичность. Как правило конструктивной особенностью современных электронных узлов, является наличие большого количества многоконтактных разъемов и контрольных точек, а также большая номенклатура типов при малой применяемости каждого типа. То есть влагозащита должна быть селективной, при этом рисунок её будет отличается от типа к типу.

К сожалению париленовые (поликсилиленовые) влагозащитные покрытия требуют разработки и изготовления специальной защитной оснастки для каждого типа электронных модулей и сложного оборудования для нанесения

Давно известные и широко применяемые в РФ влагозащитные составы отечественного производства УР-231, ЭП4100 и другие аналогичные являются 2-х компонентными и при составлении их рецептуры велико влияние субъективного фактора, что приводит к низкой воспроизводимости свойств влагозащитного покрытия от партии к партии. Кроме того указанные составы обладают высокими внутренними напряжениями особенно в толстых пленках и поэтому требуют многократного повторного нанесения тонких пленок с промежуточной сушкой, что является признаком низкой технологичности.

При выборе марки влагозащитного целесообразно выбрать состав, который кроме свойств обеспечения высокой степени защиты отвечал бы следующим технологическим и физическим характеристикам:

• однокомпонентность;
• длительное время жизни;
• возможность нанесения селективного покрытия в т.ч. в автоматическом режиме.
• эластичность в т.ч. в толстых пленках;
• возможность контроля селективности;
• быстрая процедура высыхания до потери липкости;
• хорошая текучесть (проникновение под корпуса компонентов).

В качестве примера конформного покрытия в наиболее полной мере отвечающим указанными характеристиками можно привести т.н. «толстые» влагозащитные лаки TWIN-Cure DSL 1600 FLZ и DSL 1706 FLZ ф. Peters.

TWIN-Cure - полиуретановая система – основывается на принципе работы двух разных механизмов полимеризации, которые дополняют друг друга в процессе сушки. В первой фазе TWIN-Cure подвергается УФ процессу сушки и в течение очень короткого времени высыхает до состояния, когда можно манипулировать электронным узлом для дальнейших технологических операций. Очень удобно, что для этого используется оборудование (установки УФ отверждения) применяемое в типовом процессе изготовления печатных плат. Необходимая УФ энергия для слоев 0,8-1,2 мм – 1500 mJ/см2.

Во второй более медленной фазе перекрестные полимеризационные сшивки молекул лака происходят с использованием влаги воздуха, особенно в теневых зонах, т.е. в тех областях, где был ограничен или невозможен доступ УФ освещения. Влага воздуха при этом диффундирует в полимер и внутри объема полимера "перехватывается" и используется для полимеризации.

Этот процесс продолжается 8-14 дней при этом возможно продолжение технологических операций например: контроль, диагностика, ремонт.

После окончания второй фазы отверждения пленка лака толщиной 200300 мкм обладает следующими свойствами.

Свойства пленки лака TWIN-Cure DSL 1600 FLZ ф. Peters.толщиной 200 - 300 мкм

Характеристики	Параметр
Диэлектрическая прочность	90 кВ/мм
Объемное сопротивление	5·1013 Ом/см
Поверхностное сопротивление	2·1014 Ом
Сопротивление изоляции	>1·109 Ом
Конденсационный тест 4 дня, 60°С, 40 V	отсутствует электрокоррозия или миграция
Термоудар 5 циклов (20⁰С÷260⁰С)	без изменений

Кроме этого этот лак содержит флуоресцирующую добавку позволяющую с помощью УФ ламп проводить контроль селективности нанесения, гарантировать отсутствие лака на контактных поверхностях.

Силиконовый влагозащитный лак DSL 1706 FLZ (предназначен для нанесения толстыми пленками до 300 мкм. Удобен для селективного нанесения. Требует короткого времени полимеризации благодаря интенсивному образованию перекрестных связей при комнатной температуре. Обладает хорошей адгезией ко всем подложкам без дополнительных адгезионных подслоев. Высоко эластичен. Содержит флуоресцирующую добавку. Обладает высоким защитным эффектом от влаги и агрессивных сред в интервале температур 55°С+200°С. Имеет отличные диэлектрические свойства, стойкость к климатическим воздействиям и УФ радиации. Не разлагается в среде озона. Не галогеносодержащий, не горючий. Легко удаляется паяльником или механически при ремонте.

Его характеристики см в таблице

Свойства пленки лака TWIN-Cure DSL 1706 FLZ ф. Peters.толщиной 200 - 300 мкм

Характеристики	Параметр
ДЭ прочность	53 кВ/мм
Объемное сопротивление	6,3·1015 Ом·см
Поверхностное сопротивление	2·1014 Ом
ДЭ постоянная	2,5
Тангенс потерь
при 100 Гц	0,0007
при 100 кГц	0,0002
Класс термостойкости	180°С

Рекомендуемые условия нанесения 23°С, 50% отн. вл.

При толщине 125 мкм время высыхания до состояния нелипкости – 15 минут до полного высыхания – 45 минут.

Окончательная полимеризация происходит в течении 24 часов и более (в зависимости от толщины слоя, типа подложки, влажности) при участии влаги воздуха.

Для малых партий вполне приемлемый результат дает способ нанесения указанных влагозащитных составов вручную – кисточкой., однако при таком способе нанесений велико влияние субъективного фактора исполнителя в части воспроизводимости и равномерности толщины. Указанные влагозащитные составы тем не менее позволяют использовать их в автоматизированном процессе селективного нанесения. Так например, фирмы Нордсон и Асимтек поставляют автоматические установки, которые с помощью набора микросопел имеющих 3 степени свободы позволяют формировать любой рисунок селективной влагозащиты необходимой толщины. Однокомпонентность указанных влагозащитных составов также является большим преимуществом указанных влагозащитных составов с точки зрения технологичности.