Beschichtungen scheitern aus einer Vielzahl von Gründen. Einige davon sind üblich, andere treten eher selten auf. Ich habe mehr als 20 Jahre Erfahrung und Wissen im Bereich der Schutzlackierung und lerne immer noch dazu. Aber es gibt bestimmte fertigungsbezogene Probleme, die immer wieder Probleme verursachen und von denen einige leicht zu beheben wären. In meinen früheren Kolumnen habe ich eine Reihe von Problemen mit Beschichtungsfehlern untersucht, aber diesen Monat werde ich über einige der Erzfeinde von Conformal Coatings sprechen, über die Herausforderungen, die empfindliche Bereiche und höhere/größere Bauteile mit sich bringen, und ich werde auch einige der besten Methoden zur Vermeidung von “Wicking”, der Kapilarwirkung, betrachten, damit Sie ein gleichmäßiges und fehlerfreies Finish erreichen. Wir hoffen, dass Sie nützliche Hintergrundinformationen erhalten, die Ihnen bei Ihren beschichtungsbezogenen Aktivitäten helfen.
1) Warum stellen höhere/vertikale Pins auf Leiterplatten eine große Herausforderung für die Beschichtung dar und können Sie einige wichtige Hinweise für ihr erfolgreiches Beschichten geben?
Hohe und vertikal stehende Oberflächen stellen eine Herausforderung für die Beschichtung mit flüssigen Schutzlacken dar. Hauptsächlich aufgrund der Schwerkraft und bis zu einem gewissen Grad auch aufgrund der Applikationsmethode. Traditionell basiert die Erhöhung der Viskosität von flüssigen Schutzlacken auf der Verdunstung von Lösemitteln, was zu einer Reduzierung der durch Schwerkraft und kapilare Kräfte hervorgerufenen Kantenflucht und das Abfließen des Materials von vertikalen Flächen führt. Dieser Prozess ist relativ langsam und ein gewisses Maß an Benetzungsproblemen ist immer zu erwarten. UV-härtbare Materialien verfestigen sich unter UV-Strahlung der richtigen Wellenlänge und Intensität sehr schnell, jedoch vergeht fast immer eine gewisse Zeit zwischen dem Auftragen des Materials und der Bestrahlung, und während dieser Zeit unterliegt das Material immer noch der Schwerkraft und Kapillarkräften, was wiederum zu einem gewissen Maß an Beschichtungsproblemen führt.
In Anbetracht der Tatsache, dass eine selektive Beschichtung mit einem XYZ-fähigen Roboter heute die vorherrschende Applikationstechnik ist und diese Roboter ein Ventil verwenden, das traditionell senkrecht zur Platine montiert ist, werden diese Probleme noch verschärft, da das Beschichtungsmaterial auch mit Schwung senkrecht zur Platine geschleudert wird, was seine Chance verringert, tatsächlich auf einer Kante oder vertikal stehenden Fläche zu landen und da in Folge von Gravitation und Kapillarwirkung ein Fließen hin zur Oberfläche der Platine erleichtert wird. Eine Neigung der Auftragsdüse in einem 45-Grad-Winkel erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass das Material tatsächlich auf die vertikalen Flächen trifft, und verringert den vertikalen Impuls und damit das Ausmaß, in dem das Material fließen wird. Moderne, zähflüssigere Materialien widerstehen auch der Schwerkraft und den Kapillarkräften, wenn sie auf diese Weise aufgesprüht werden, um sicherzustellen, dass die beschichteten Bereiche auch beschichtet bleiben.
2) Welche Maßnahmen muss ich ergreifen, um besonders empfindliche zu beschichtende Teile zu schützen?
Das hängt wirklich davon ab, worauf die Teile empfindlich reagieren. Wenn wir versuchen, Teile vor den Auswirkungen von Feuchtigkeit, Kondensation oder Eintauchen in Wasser zu schützen, dann sind Dicke und Deckkraft, zusammen mit der Wahl des Schutzlacks, die wichtigsten Faktoren, die zu berücksichtigen sind. Einige Beschichtungen sind von Natur aus besser in der Lage, eine höhere Schichtdicke zu erreichen und haben von Natur aus bessere Barriereeigenschaften als andere. Manchmal reagieren Teile empfindlich auf die erfolgte Beschichtung und entweder das Bauteil selbst oder die Lötanschlüsse können durch Schutzlacke beschädigt werden. Dies gilt insbesondere, wenn die Glasübergangstemperatur (Tg) des Materials in den Betriebsbereich der betreffenden Leiterplatte fällt. Wenn das Beschichtungsmaterial seine Tg durchläuft, gibt es eine Verzögerung zwischen der Abnahme des Elastizitätsmoduls und dem Anstieg des Wärmeausdehnungskoeffizienten (WAK). Diese Verzögerung führt dazu, dass maximale Spannungen auf das Bauteil oder den Lötanschluss einwirken und das Bauteil oder das Lot beschädigen können. Bei einer ausreichenden Anzahl von Zyklen kann das Lot sogar aus der Beschichtung extrudiert werden, was zu Kurzschlüssen führt.
Daher sollte die Tg des Beschichtungsmaterials idealerweise außerhalb des Betriebsbereichs der Leiterplatte oder zumindest am unteren Ende des Betriebsbereichs liegen. Gelegentlich können größere Bauteile oder Komponenten anfälliger für Schäden durch Vibrationen sein, obwohl Beschichtungen dazu beitragen können, die Auswirkungen von Vibrationen zu mildern, aber das ist ein sehr komplexes, vielschichtiges Thema und wahrscheinlich ein separater Artikel für sich.
Normalerweise wird eine das Bauteil in seiner Position stabilisierende Masse oder ein Klebstoff verwendet, um den Bauteilkörper mit der Platine zu “verkleben”, eben um seine Fähigkeit, sich bei Vibrationen zu bewegen, zu minimieren. Das Material muss jedoch sorgfältig ausgewählt werden, mit einem möglichst geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, aber ausreichend weich und elastisch, um Vibrationen abzuführen. Nicht zu steif und nicht zu elastisch, um Probleme in Bezug auf das thermische Ausdehnungsverhalten über den Betriebstemperaturbereich der Baugruppe hinweg auszuschließen.
3) Treten Beschichtungs-/Platinenfehler häufiger auf, wenn höhere Bauteile auf der Leiterplatte Verwendung finden und warum ist das so?
Das hängt wirklich vom Design der Baugruppe und den Bedingungen ab, denen sie im Feld ausgesetzt ist. Wie in Punkt 1 beschrieben, gibt es zahlreiche Herausforderungen bei der effektiven Beschichtung von höheren Bauteilen. Mangelnde Beschichtungsdicke und -abdeckung machen größere Bauteile anfälliger für Ausfälle durch Zinn-Whisker, Durchschläge, Korrosion, Kondensation oder Eintauchen in flüssige Medien. Wie auch immer, unter Bedingungen mit hoher Luftfeuchtigkeit sind die Lötstellen auf der Leiterplatte jedoch oft anfälliger für Korrosion aufgrund von Flussmittelrückständen unter dem Schutzlack, da diese auf Grund ihrer hygroskopischen Eigenschaften tendenziell zur lokaler Kondensation von Feuchtigkeit und durch das Vorhandensein freier Ionen im weiteren Verlauf zu Korrosion neigen.
4) Können Sie 5 “Feinde” für einen erfolgreichen Beschichtungsprozess nennen?
Mangelnde Sauberkeit oder das Vorhandensein von Verunreinigungen auf der bestückten Leiterplatte vor der Beschichtung kann zu offenen Defekten in der Beschichtung aufgrund von Entnetzung oder Nichtbenetzung führen. Die Verunreinigungen können die Fähigkeit der Beschichtung, langfristigen Schutz zu bieten, beeinträchtigen oder gefährden, indem sie die Rate der Feuchtigkeitsaufnahme erhöhen, mit Wasser interagieren und Korrosion unter der Beschichtung verursachen, die Haftung der Beschichtung beeinträchtigen oder eben eine Kombination all dieser Faktoren.
Schwankungen in der Oberflächenenergie der eintreffenden nackten Leiterplatten werden durch den Bestückungsprozess (Reflow-/Wellen-Lötprozess) noch verstärkt. Die Oberflächenenergie der Platine bestimmt die Art und Weise, wie die flüssige Beschichtung mit dem Substrat interagiert und in welchem Maße die feste Beschichtung auf der Platine haftet. Je höher die Oberflächenenergie der zu beschichtenden Leiterplatte ist, desto reproduzierbarer und konsistenter ist der Auftrag der flüssigen Beschichtung und desto größer ist der Grad der Haftung. Der Prozess erreicht einen angemessenen Grad an Wiederholbarkeit und Reproduzierbarkeit, was einen hohen Grad an Prozesskontrolle und gleichbleibender Leistung der Baugruppe im Betrieb ermöglicht. Umgekehrt, je niedriger die eingehende Oberflächenenergie ist, desto weniger wiederholbar und konsistent wird der Prozess sein und die Wahrscheinlichkeit von Fehlern im Feld wird erhöht.
Das eigentliche Design der Leiterplatte bestimmt oft den Erfolg oder Misserfolg des Beschichtungsprozesses. Platinen, die gut für die Schutzlackierung ausgelegt sind, weisen eine gute Trennung zwischen Bereichen auf, die beschichtet werden MÜSSEN und Bereichen, die nicht beschichtet werden dürfen. Höhere Bauteile werden in Gruppen zusammengefasst und nicht in der Nähe von flachen Bauteilen, und flache Bauteile werden nicht in der Nähe von Durchkontaktierungen oder SOIC-, QFP-, QFN- oder BGA-Bauteilen gruppiert, die dazu neigen, Material unter sich zu ziehen, was nicht nur zu potenziellen Zuverlässigkeitsproblemen bei diesen Bauteilen selbst führt, sondern auch dazu, dass flache SMT-Bauteile ohne Beschichtung oder mit überbrückenden Blasen im Lack zurückbleiben.
Die Schutzlackierung ist ein Prozess. Die Sicherstellung eines wiederholbaren und konsistenten Beschichtungsergebnisses hängt von der Art und Weise ab, wie der Prozess gestaltet ist, genauso wie vom gewählten Material. Bei manuellen Prozessen, wie z. B. Sprühen oder Pinseln, gibt es aufgrund des menschlichen Bedieners naturgemäß mehr Variationen im Endergebnis, während Maschinen immer wieder dieselbe Routine durchführen. Allerdings haben Maschinen derzeit keine Rückkopplungsschleife, d.h. sollte sich das Materialverhalten ändern, wird sich auch das Endergebnis ändern, während ein menschlicher Bediener dies (entweder bewusst oder möglicherweise unbewusst) kompensieren kann. Wie bereits erwähnt, können die Oberflächenenergie der gelieferten Leiterplatten, das Leiterplattendesign und bereits vorhandene Verunreinigungen das Verhalten des flüssigen Materials beeinflussen. Darüber hinaus beeinflusst die Temperatur des Materials seine Viskosität.
Je stärker sich die Umgebungstemperatur in der Fabrik im Laufe des Tages ändert (oder sogar bei Verwendung von Material, das an einem anderen Ort, z. B. im Freien, gelagert wurde), desto stärker wirken sich diese Änderungen auf die Materialeigenschaften aus und desto größer sind die Schwankungen beim Materialauftrag. Die Kontrolle der Materialtemperatur oder die Kompensation durch Maschinenmessungen und Prozesssteuerung kann wichtig sein, um einen wiederholbaren maschinellen Prozess zu gewährleisten. Die Luftströmung kann die Verflüchtigungsgeschwindigkeit der Lösemittel beeinflussen und die Materialviskosität erhöhen, inkonsistente Luftströmungen können zu unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten und unerwarteten Problemen wie Orangenhaut führen. Wenn eine Aushärtung im Ofen stattfindet, kann dies in Anbetracht der höheren Temperatur zunächst zu einer Abnahme der Viskosität führen und einem weiteren Verfließen der Beschichtung, bevor die Viskosität beginnt sich wieder zu erhöhen. Dies führt möglicherweise dazu, dass Bereiche beschichtet werden, die eigentlich frei von Schutzlack bleiben sollten, oder dass ein höherer Grad an Blasenbildung als erwartet auftritt. Ebenso kann die Geschwindigkeit der Temperaturänderung zu übermäßiger Blasenbildung führen, so dass eine Kontrolle der Rampengeschwindigkeit oder eine “Ablüftzeit” des Lösungsmittels notwendig sein kann, um ein gleichmäßiges und fehlerfreies Finish zu gewährleisten.
5) Was ist “Wicking” und wie kann ich es vermeiden?
Wicking wird oft austauschbar mit Kapillarfluss verwendet, insbesondere im Zusammenhang mit Conformal Coating, um die Fähigkeit von Flüssigkeiten zu beschreiben, ohne Unterstützung durch äußere Kräfte in enge Spalten zu fließen. Bei den engen Spalten handelt es sich meist um nicht abgedichtete Steckverbinder oder um den Abstand zwischen Bauteilkörper und Leiterplattensubstrat. Im Falle von nicht abgedichteten Steckverbindern, Schaltern usw. besteht das Hauptproblem darin, dass der Schutzlack “aufgesaugt” und die Kontaktflächen des Steckverbinders beschichtet werden. Hierdurch verringert sich die elektrisch leitende Fläche des Kontakts, möglicherweise bis hin zu seiner Isolation, was letzlich zum Ausfall des Steckverbinders oder Schalters führt.
Bei Bauteilen mit geringem Abstand zur Leiterplatte können Probleme dadurch entstehen, dass das Material unter das Bauteilgehäuse dringt, was zu mechanischen Spannungen aufgrund des tendenziell hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Schutzlack (und möglicherweise zu frühzeitigen Ausfällen) führt. Durch das Unterfließen der Bauteile mit Schutzlack kommt es zu einer Verdrängung der unter ihnen befindlichen Luft. Dies kann zur Bildung offener Blasen führen, die eine Initiationsstelle für Korrosion oder andere Arten von Ausfällen darstellen können.
Eine typische Best-Practice-Methode wäre die Verwendung von Gel-Versionen der Schutzlacke, um die Basis von Steckverbindern, Schaltern usw. abzudichten, bevor der dünnflüssige Schutzlack aufgetragen wird. Wieder entfernbare Abdeckmaterialien können verwendet werden, um denselben Effekt zu erzielen, obwohl das Auftragen, Aushärten und anschließende Entfernen von Abdeckmaterialien allesamt aufwendige Prozesse sind. Nun, es gibt Beschichtungsmaterialien neuer Art, die von Natur aus das Ausmaß der Beeinträchtigung durch den Kapillarfluss minimieren, wodurch die Notwendigkeit des Maskierens oder Versiegelns vor dem Auftragen möglicherweise entfällt.
Zu verstehen, was die Hauptfeinde von Schutzlacken sind, ist ein erster großer Schritt auf dem Weg zur Implementierung eines erfolgreichen Lackierprozess. Ich hoffe, dass es mir gelungen ist, Ihr Bewusstsein für einige der potenziellen Fallstricke zu schärfen, denen Sie begegnen könnten, so dass Sie hoffentlich jegliche Beschichtungskatastrophen vermeiden können.
Halten Sie Ausschau nach meiner nächsten Kolumne, in der ich mich mit weiteren Themen der Schutzlacke befassen werde. In der Zwischenzeit wünsche ich Ihnen alles Gute und viel Erfolg.
