Конструирование с учетом конформного покрытия и важность отмывочных операций

По материалам группы компаний «Диполь»

Технология конформных покрытий не нова–она известна несколько десятков лет. Однако, как говорит опыт, этот технологический процесс не всегда принимается во внимание при конструировании. Такое пренебрежение нередко приводит к проблемам на более поздних этапах изготовления новых изделий. Зачастую решение о нанесении конформного покрытия на печатный узел принимается в последний момент, после того как узел провалит испытания на воздействие внешних факторов, а иногда и в ходе эксплуатации. Подобные ошибки несут серьезные потери –и финансовые, и репутационные.

 

Если не откладывать на потом вопрос о необходимости конформного покрытия, а решить его еще на этапе конструирования, можно избежать целого ряда трудностей при нанесении покрытия и повысить долговременную надежность печатного узла.

Что же нужно учесть при конструировании печатного узла и составлении чертежа конформного покрытия?

 

Несмонтированная печатная плата

Паяльный резист, нанесенный на несмонтированную печатную плату, может существенно повлиять на нанесение конформного покрытия и долговременную надежность печатного узла.

Для обеспечения хорошей адгезии конформного покрытия и его надлежащеговыравниваниябез десмачивания и капиллярных эффектов значение поверхностной энергии отвержденного резиста должно превышать 38дин/см². На рис.1 показано, к чему приводит низкая поверхностная энергия при нанесении конформного покрытия.

Во избежание подобных явлений необходимо, чтобы значение поверхностной энергии отвержденного паяльного резиста в технических условиях, предоставленных поставщику печатной платы, составляло не менее 38дин/см².

Поверхностная энергия паяльного резиста может снижаться до недопустимых значений под действием температуры в ходе пайки оплавлением, а также из-за остатков припоя.

Поэтому при первоначальной оценке производственного процесса необходимо измерять поверхностную энергию печатной платы по завершении каждой технологической операции, чтобы убедиться, что этот показатель не ниже параметра 38 дин/см².

 

1. Схема: Нежелательные явления, связанные с состоянием поверхности:

•    Снижение поверхностной энергии под действием температуры в ходе пайки и загрязнений ведет к плохой адгезии, капиллярным эффектам и десмачиванию.

•    Эти явления могут быть также вызваны ненадлежащим выбором паяльного резиста.

  Значение поверхностной энергии печатной платы до нанесения покрытия должно превышать 38 дин/см².

Компоновка печатного узла

Это следующий шаг, требующий вдумчивого подхода.Нанесение конформного покрытия нередко затрудняется расположением компонентов на плате. Инженеру-конструктору и инженеру-технологуследует обсудить предлагаемую компоновку печатного узла по нанесению конформных покрытий, чтобы оптимизировать компоновку в соответствии с методом нанесения.

В ходе такого обсуждения согласуются и отмечаются на чертеже участки печатной платы, на которых конформное покрытие не требуется.

При этом следует избегать открытых металлизированных сквозных отверстий, так как материал покрытия может стекать по ним и покрывать обратную сторону платы в тех местах, где это нецелесообразно.

Пока не появились флюсы с низким содержанием твердых веществ (в современнойтерминологии«безотмывочные» флюсы), для обеспечения высокой надежности приходитсявыполнять отмывку печатных узлов на последнем этапе производственного процесса, особенно если предполагалось нанесение конформного покрытия.

Этифлюсы выполняли свою задачу во времена аксиальных компонентов, устанавливаемых в сквозные отверстия, с большим шагом между дорожками, да и то при эксплуатации в умеренно жестких условиях. Учитывая сегодняшние технологии с малой толщиной дорожек и высокой плотностью размещения компонентов, а также необходимость обеспечения работы изделия в любых условиях отмывка вновь становится актуальной.

При выборе материала конформного покрытия с учетом условий эксплуатации печатного узла необходимо принимать по внимание следующие факторы:

• диапазон температур, в котором будет эксплуатироваться печатный узел;
• относительная влажность воздуха в процессе эксплуатации;
• наличие конденсированной влаги;
• воздействие опасных веществ и газовых сред;
• минимальный уровень сопротивления изоляции конформного покрытия.

Выбранный материал следует указать на чертеже конформного покрытия.

Для обеспечения долговременной надежности печатного узла важна также правильность нанесения конформного покрытия. В связи с этим необходимо принимать во внимание следующее:

• толщину конформного покрытия;
• необходимость покрытия острых кромок SMT-компонентов;
• исключение возникновения воздушных пузырьков при нанесении;
• исключение десмачивания и капиллярных эффектов на поверхности печатного узла;
• правильную методику отверждения конформного покрытия.

2. Нанесение конформного покрытия на плату.
3. : i.pinimg.com

Важно также правильно отвердить конформное покрытие, поскольку несоблюдение параметров отверждения (таких как время, температура, доза ультрафиолетового излучения, если используется УФ-отверждаемое покрытие) ухудшает свойства, а стало быть, и эксплуатационные характеристики готовой пленки конформного покрытия.

Если используемое покрытие содержит УФ-маркер (люминесцентную маркирующую добавку), то визуальный контроль печатных узлов с полностью отвержденным конформным покрытием нужно производить в длинноволновом ультрафиолетовом свете. По свечению маркера можно контролировать полноту покрытия, включая отсутствие десмачивания и капиллярных эффектов, а также осматривать участки, на которых не должно быть конформного покрытия, для уверенности, что покрытие на них не затекло.

Современные автоматизированные системы оптического контроля позволяют также определять толщину конформного покрытия по всей площади поверхности печатного узла, в том числе и непосредственно на технологической линии.

В завершение рекомендуется составить чертеж конформного покрытия печатного узла с указанием перечисленных в статье элементов, а также схему компоновки печатного узла с обозначением участков, на которых конформное покрытие не требуется.

4. Печатные платы в промывочной машине.

Целесообразность отмывки

Следующее, что предстоит решить перед нанесением конформного покрытия, – это вопрос о целесообразности отмывки.

В зависимости от требуемого уровня надежности и условий эксплуатации остатки флюса могут быть существенным фактором.

В случае нанесения конформного покрытия поверх остатков флюса возникает несколько потенциальных механизмов отказа. Остекловавшиеся остатки флюса могут вызывать растрескивание конформного покрытия и последующий отказ изделия под воздействием жестких термоциклических испытаний, а оставшийся под ними непрореагировавший флюс в условиях высокой влажности может способствовать росту дендритов, что приводит к перемежающимся отказам или полному отказу изделия.

Таким образом, если необходимо обеспечить долговременную надежность печатного узла,рекомендуется его отмывка перед нанесением конформного покрытия.

Существует несколько методов определения уровня чистоты поверхности. Наиболее распространенные: контроль уровня ионных загрязнений и контроль поверхностного сопротивления изоляции.

При контроле уровня ионных загрязнений определяется общее количество ионных солей в мкг/см²NaCl на поверхности платы после обработки. В 1970-х годах, когда этот метод был только разработан, за норму был принят уровень менее 1,5мкг/см²NaCl. При сегодняшних технологиях с малой толщиной дорожек и высокой плотностью размещения компонентов следует ориентироваться на уровень ионных загрязнений менее 0,5мкг/см²NaCl до нанесения конформного покрытия.

Наилучшим методом оценки долговременной надежности является измерение поверхностного сопротивления изоляции. Прииспользованиибезотмывочного флюса этот метод покажет, следует ли ожидать неблагоприятных эффектов, вызванных остатками флюса под конформным покрытием.

Если же производственный процесс предполагает отмывку печатного узла, данный метод покажет, все ли загрязнения удалены, в том числе вокруг компонентов и под ними.

Лучше всего выполнять контроль уровня ионных загрязнений и поверхностного сопротивления изоляции на платах-прототипах, чтобы оценить правильность производственного процесса и убедиться в совместимости используемых материалов. Можно осуществлять такой контроль и на этапе массового выпуска, отслеживая отсутствие непредусмотренных изменений в производственном процессе.

Нормативные значения уровня ионных загрязнений и поверхностного сопротивления изоляции следует указать на чертеже конформного покрытия.

 

Отечественные решения по отмывке печатных плат

Устранение загрязнений печатного узла – важная процедура, влияющая на работоспособность будущего изделия. В условиях современных ограничений трудно переоценить появление отечественных разработок для выполнения операций отмывки.

Превратившись в привычный факт повседневной жизни, новомодный термин «импортозамещение» давно перестал быть таковым. Иногда он вызывает раздражение или иронию, иногда – неподдельный интерес. Кстати, это происходит, когда продукт, предназначенный для замены импортного аналога, является не сырым решением, а продуманным и зарекомендовавшим себя оборудованием, в полной мере реализующим те возможности, которые от него ожидают.

И, конечно, само за себя говорит то, что сложные устройства не только выходят на рынок и закрепляются там, но и имеют ресурсы для дальнейших модификаций.

В качестве примера такого технологического решения можно привести первую серийную установку струйной отмывки печатных плат СМ-16, к разработке которойинженеры компании «Диполь» приступили еще в 2018 году, когда сталиочевидны потребности отечественных предприятий радиоэлектроники в подобномоборудовании и полное отсутствие отечественного аналога, отвечающего всем технологическимусловиям.

Установка быстро стала востребованной у российских производителей. Поэтому следующим важным этапом стало усовершенствование системы, внесение качественныхизменений в многочисленные узлы машины. Практически полностью переосмыслив первоначальную задумку, проектировщики, технологи и инженеры предложили рынку решение, во многом превосходящее своего предшественника – установку под названием СМ-16 ПРО.

5. 3D-модель установки СМ-16 ПРО
5. 

Фото: ГК «Диполь»

Прежде чем познакомить читателя с возможностями названного оборудования, следует обозначить перечень проблем, с которыми борются подобные установки.

Для чего нужно отмывать печатные платы:

• устранение ионных загрязнений. Ионные загрязнения – частицы, остающиесяпосле попадания паяльных материалов на печатную плату. При определенных условиях они могут приводить к отказам электроники в результате электрохимической миграции и роста дендритов;
• предотвращение коррозии. Остатки активных флюсов и прочих материалов способны повредить компоненты печатной платы. Флюсы бывают неактивными(бескислотными) и активными(с содержанием кислоты). Остатки флюса, особенно активного, нужно удалять сразу после пайки, так как они являются очагами коррозии;
• улучшение адгезии. Исключение загрязнений – важный этап перед нанесением конформных (повторяющих форму изделия) покрытий, защищающих узлы от повреждений при воздействии внешних факторов (влага, температура, химические соединения, вибрация, механическое воздействие). При некачественной отмывке адгезия (сила «прилипания» защитного покрытия) может быть недостаточной для сохранения защитных свойств;
• достижение эстетического эффекта.

 

6. Повреждение контактных площадок в результате коррозии.
6. 

Фото: ГК «Диполь»

Разработчики установки СМ-16 ПРО делали основной акцент на ее высокой технологичности. Таким образом, систему характеризуют следующие ключевые особенности:

• возможность выбора режима отмывки;
• отсутствие теневых зон. Теневые зоны – области на отмываемом изделии, где по технологическим причинам агитация (механическое воздействие на поверхность – давление струи, ультразвук) и количество отмываемой жидкости ниже, чем в других областях отмывки;
• наличие полностью замкнутых контуров. Система включает три независимых контура с жидкостями (в первом находится отмывочная жидкость на водной основе, во втором и третьем –деионизированная вода для предварительного и финишного ополаскивания). У контура с отмывочной жидкостью имеется бак, система нагрева, перемешивания и фильтрации. Контуры с деионизированной водой также содержат емкости, возможность нагрева, функции перемешивания и фильтрации. Последняя совмещена с системой регенерации деионизованной воды (жидкость проходит через колонны с углем и ионообменной смолой для восстановления необходимого уровня проводимости);
• благодаря фильтрации и регенерации не требуется подключение к канализации и водопроводу. Проводимость в контурах ополаскивания контролируется датчиками (кондуктометрами);
• обеспечение фиксации изделия в рамке. В отличие от размещения в корзине, при установке изделий в рамке снижается риск «теневого эффекта» и повышается качество отмывки и сушки.

7. Управление работой контуров на промывочной машине.

Фото: ГК «Диполь»

 

8. Кондуктометр (проточный датчик проводимости воды)

Фото: ГК «Диполь»

Существуют следующие методы отмывки печатных плат на производствах:

• ручной метод (кистью с помощью средств для ручной отмывки);
• струйный метод. Отмывка происходит в камере жидкостью под давлением, которая подается через форсунки перпендикулярно отмываемому изделию. В этом случае агитация происходит наиболее эффективно (смываются как растворимые, так и не растворимые остатки), а также уменьшается риск повреждения компонентов и маркировки (что часто случается при ультразвуковой отмывке);
• струйная отмывка в жидкости. Отличается от принципа со струями в воздухе тем, что камера заполнена жидкостью, а в струю добавляется воздух для улучшения агитации;
• отмывка ультразвуком. При этой технологии изделие полностью погружается в жидкость, где происходит воздействие ультразвуком.

Система СМ-16 ПРО, сохранив достоинства предыдущей версии,получила ряд дополнительных преимуществ:

• корпус из нержавеющей стали;
• применение новых материалов в конструкции креплений печатных плат повысило их стойкость к механическим повреждениям и воздействию агрессивных веществ;
• стремление к уменьшению габаритов и, как следствие, переосмысление внутренней структуры установки позволили почти в два раза уменьшить корпус машины.
• полное обновление электронной составляющей. Работойизделия управляет печатная плата, созданная разработчиками компании «Диполь»;
• в системе замкнутого контура две подкатные тележки с баллонами (фильтрами) для регенерации деионизованной воды выполнены раздельными и расположены с внешней стороны, что повышает удобство использования;
• меню наладчика на русском языке и новое ПО обеспечивают многоуровневый доступ (система «оператор-технолог-наладчик»), систему сбора и записи статуса, параметров и ошибок;
• доступность. Не отличаясь по рабочим характеристикам от европейских аналогов, СМ-16 ПРО на данный момент дешевле схожих заграничных установок.

Многие из описанных новшеств стали частью архитектуры СМ-16 ПРО после детальных консультаций с руководителями российских производств. Поэтому неудивительно, что такая ориентация на базовые потребности отечественных заказчиков, получила позитивные отзывы посетителей международной выставки «Экспоэлектроника-2023», а на само оборудование уже установился высокий спрос.

9. Демонстрация струйной системы отмывки СМ-16 на отраслевой выставке «Экспоэлектроника-2023»

Фото: ГК «Диполь»

 

Подтверждение параметров установки на испытаниях

ГК «Диполь» провела также испытания установки струйной отмывки печатных плат СМ-16, которые прошли в присутствии представителей компании-заказчика.

Использовался отмывочный материал АкваКлин-М – жидкость, предназначенная для водной отмывки таких сложных загрязнений, как паяльные пасты для каплеструйной печати, а также для замены отмывочных жидкостей, больше не поступающих на российский рынок.

В качестве тестового образца использовались платы с напаянными чип-компонентами и радиаторами.

Этот выбор неслучаен. Показательно, что радиатор относится к крупным компонентам, для запайки которого применяется большое количество пасты. Помимо того, столь крупные компонентынеизбежно экранируют соседние элементы печатного узла. Таким образом, испытание осознанно проводилось на образце, тяжело поддающемся отмывке.

Отмывка проводилась жидкостью в концентрации 25% на тестовых образцахс нанесением паст Almit и Alpha.

Отмывка пасты Almitпрошла без нареканий: флюс был успешно удален со всех паяных соединений.

10. Снимки до отмывки

Фото: ГК «Диполь»

11. Снимки после отмывки.

Фото: ГК «Диполь»

 

При отмывке печатной платы с нанесенной пастой Alpha на двух контактных площадках, расположенных на разных многослойных печатных платах (МПП), были обнаруженыостатки флюса.Других нареканий не возникло.

Судя по тому, что загрязнения были удалены локально, а не по всей поверхности МПП, можно предположить, что фрагменты флюса сохранились либо из-за теневого эффекта (неудачное расположение именно этой зоны при фиксации платы), либо из-за перекоса МПП при фиксации.

Таким образом, отмывочная жидкость показала результат, близкий к отличному.

В ходе оценки установки струйной отмывки СМ-16 ПРО представители заказчика высказали ряд рекомендаций по усовершенствованию и дооснащению оборудования. При этом были отмечены следующие преимущества данной разработки:

• при простое машины происходит периодическое автоматическое перемешивание жидкостей в баках;
• уменьшение загрязнения в баках за счет постоянного прогона воды через угольный и ионообменный баки;
• компактность исполнения;
• низкий уровень шума;
• все соединения реализованы быстросъемным способом.

 

Принимая во внимание, что стоимость установки ниже цен на заграничные аналоги, такой набор характеристик уже привел ряд заказчиков к решению об оснащении в текущем году своих производств системой СМ-16 ПРО.