Conformal coating elektroniky: typy a sourcing

Conformal coating je polymerní film nanášený na osazené PCB, který chrání proti vlhkosti, prachu, plísním, chemikáliím a kondenzaci. Není to standardní krok ve výrobě komerční elektroniky — musíte jej výslovně specifikovat. Opomenutí specifikace coatingu u produktu nasazeného ve vlhkém, venkovním nebo průmyslovém prostředí patří mezi nejčastější chyby kupujících, které vedou k selhání spolehlivosti v terénu.

Přehled

Bez conformal coatingu vystavuje osazené PCBA holé měděné spoje, pájené spoje a vývody součástek provoznímu prostředí. V tropickém nebo přímořském prostředí (vlhkost >80 % RH) nebo v průmyslovém prostředí s expozicí chemickými výpary dochází u nepokrytých desek k: dendritickému růstu (migrace mědi mezi spoji za přítomnosti vlhkosti a napětí), korozi pájených spojů a vývodů součástek a vzniku svodových proudových cest, které degradují integritu signálu nebo způsobují funkční poruchy.

Conformal coating je standardem pro: automobilovou elektroniku (dodavatelé kvalifikovaní dle AEC-Q200), řídicí PCBA pro průmyslové IoT, venkovní IoT senzory, námořní elektroniku a jakýkoli produkt se stupněm krytí IP54 a vyšším, kde se PCB nachází uvnitř utěsněného pouzdra. U spotřební elektroniky v suchém vnitřním prostředí se coating obvykle nenanáší.

Řídicím kvalifikačním standardem je IPC-CC-830B (Qualification and Performance of Electrical Insulating Compound for Printed Wiring Assemblies). Dodavatelé materiálů kvalifikují své produkty podle tohoto standardu; vy na něj odkazujete ve své specifikaci.

Klíčové parametry

Tloušťka dle IPC-CC-830B:

Popis typů coatingů

Akrylát (AR) — nejběžnější v čínské výrobě Akrylátové pryskyřice rozpuštěné v rozpouštědle (nebo UV vytvrzovaný akrylát pro selektivní nanášení). Rychlé vytvrzování, čirý nebo lehce do modra zbarvený (viditelný pod UV pro kontrolu). Snadné přepracování: rozpustí se acetonem, MEK nebo izopropylalkoholem a nanese znovu. Dobrá odolnost proti vlhkosti, slabá odolnost proti polárním rozpouštědlům v provozním prostředí. Vyhovuje pro vnitřní průmyslovou, spotřební a komerční elektroniku v prostředí se střední vlhkostí. Většina čínských dodavatelů coatingu volí jako výchozí akrylát.

Silikon (SR) — pro extrémní teploty a vysokou vlhkost Dvousložkový nebo jednosložkový RTV (room-temperature vulcanizing) silikon. Vynikající výkon od -65°C do 200°C. Mimořádná odolnost proti vlhkosti a flexibilita — odolává praskání vyvolanému teplotními cykly lépe než křehké akryláty. Obtížné přepracování: silikon přilne velmi pevně; jeho odstranění vyžaduje mechanické naříznutí, specifická rozpouštědla pro odstranění silikonu (Dowsil DS-2025) a trpělivost. Používá se v automobilech, letectví, u venkovních LED driverů a v jakékoli sestavě vystavené opakovaným teplotním cyklům. Počítejte s 2–3× vyšší cenou a delším režimem vytvrzování (24–72 hodin při pokojové teplotě, nebo 30 minut při 70°C).

Polyuretan (UR) — chemická odolnost Dobrá odolnost proti palivům, olejům a mnoha chemikáliím. Střední odolnost proti vlhkosti. Přepracování pomocí specializovaných uretanových odstraňovačů nebo opatrného ohřevu. Používá se v motorovém prostoru automobilů a v průmyslovém prostředí s expozicí chemikáliemi.

Epoxid (ER) — strukturální ochrana bez možnosti přepracování Dvousložkový epoxid vytváří velmi tvrdý, chemicky odolný coating. Téměř nemožné přepracovat bez poškození PCB. Používá se, kde je vyžadována maximální ochrana proti prostředí a kde nikdy nebude potřeba přepracování. Běžný u zalévaných sestav nebo hybridních modulů.

Parylen (XY) — CVD coating pro maximální rovnoměrnost Proces chemické depozice z plynné fáze (CVD) ukládá parylen přímo z plynné fáze. Coating je bez pórů, dokonale konformní ke všem geometriím včetně zastíněných míst pod součástkami a je biokompatibilní. K dispozici jsou parylen C (nejběžnější), D (vyšší teplota) a N (nižší tření). Nelze nanášet selektivně bez maskování — celá deska putuje do depoziční komory. Téměř nemožné přepracovat. Cena: $5–20/deska podle velikosti a tloušťky. Používá se u zdravotnických implantátů, v letectví a u námořní elektroniky, kde je vyžadováno absolutní vyloučení vlivu prostředí.

Metody nanášení

Selektivní postřik (nejběžnější v Číně) Robot nanáší coating tryskou po naprogramované dráze, pouze na určené oblasti. Konektorům, spínačům, testovacím bodům a dalším vyloučeným zónám se program vyhne, místo aby se maskovaly. Rychlé, konzistentní a umožňuje rychlé přepínání mezi produkty. Při zavedení nového návrhu desky vyžaduje krok programování. Většina čínských dodavatelů coatingu s objemovou kapacitou používá tuto metodu.

Máčení (dip coating) Celá deska (nebo nevyloučená strana) se ponoří do kapaliny coatingu. Rychlé a levné, ale obtížněji se kontrolují vyloučené zóny — konektory je nutné před máčením individuálně zamaskovat silikonovými zátkami nebo páskou. Vhodné pro jednoduché desky s minimálními požadavky na vyloučení. Nižší kapitálové náklady než selektivní postřik.

Nanášení štětcem Ruční nanášení štětcem. Nekonzistentní tloušťka; závisí na zručnosti operátora. Používá se pro prototypy, přepracování nebo opravy míst vynechaných selektivním postřikem. Nevhodné pro výrobní objemy.

UV vytvrzovaný selektivní conformal coating Varianta selektivního postřiku s UV vytvrzovaným akrylátem. Po selektivním nanesení procházejí desky pod UV lampami pro okamžité vytvrzení (sekundy oproti minutám u materiálů na bázi rozpouštědla). Vysoká propustnost, nízké emise těkavých organických látek (VOC). V Číně stále běžnější u střední až vysoké sériové výroby.

Maskování pro conformal coating

Konektory, kontakty baterií, montážní plochy chladičů a jakákoli součástka, která vyžaduje elektrický kontakt za provozu, musí být před coatingem zamaskovány. Metody maskování:

• Silikonové zátky: vkládané do těl konektorů; opakovaně použitelné; nejspolehlivější pro through-hole konektory
• Polyimidová páska: pro SMD součástky, pady a testovací body; před testem musí být odstraněna
• Tekutý maskovací prostředek: nanášený štětcem nebo dávkováním na chráněné oblasti; po coatingu a vytvrzení se odloupne; používá se u složitých geometrií

Ke své specifikaci coatingu přiložte výkres maskování — překryv PCB ukazující přesně, které oblasti mají coating dostat (zašrafováno) a které musí zůstat nepokryté (čisté). Bez tohoto výkresu se vás dodavatel zeptá a jakákoli nejednoznačnost se vyřeší v jeho prospěch, nikoli ve vašem.

Kontrola kvality

Kontrola UV fluorescencí: Většina conformal coatingů (všechny typy kromě parylenu) obsahuje UV fluorescenční přísady. Pod UV lampou s 365 nm pokryté oblasti svítí modrozeleně; nepokryté oblasti se jeví tmavé. Toto je hlavní výrobní metoda kontroly — rychlá, nedestruktivní, 100% pokrytí. Ověřte, že materiál coatingu, který vaše továrna používá, má UV fluorescenční přísadu (většina komerčních coatingů ji má; některé levné materiály nikoli).

Měření tloušťky: Měřidlo mokrého filmu (během nanášení) nebo měřidlo suchého filmu (po vytvrzení). Pro namátkovou kontrolu během kvalifikace procesu je rozhodující mikrovýbrus z příčného řezu. Tloušťka by měla spadat do limitů IPC-CC-830B pro daný typ coatingu.

Zkouška přilnavosti: Mřížková zkouška přilnavosti (ASTM D3359) na kvalifikačních kupónech procesu. Coating musí dosáhnout hodnocení 4B nebo 5B (méně než 5 % plochy odstraněno). Opakovat po 96 hodinách při 40°C/95 % RH (podmínka vlhkého tepla z IPC-CC-830B).

Dielektrická odolnost: IPC-TM-650 metoda 2.5.7 — přiloží se napětí mezi dva sousední pokryté vodiče testovacího vzoru a ověří se, že nedojde k průrazu při specifikovaném napětí. Potvrzuje integritu coatingu nad vodiči.

Dopad na náklady

Conformal coating zvyšuje náklady na desku podle metody a materiálu:

Připočtěte $0,10–0,50/deska za maskování, v závislosti na počtu konektorů a složitosti.

Co specifikovat při objednávce z Číny

• Typ coatingu a standard: např. „Akrylátový conformal coating, materiál kvalifikovaný dle IPC-CC-830B, 0,05–0,13 mm DFT” — tato specifikace patří do vaší objednávky pro montáž PCB
• Výkres pokrytí: výkres maskování ukazující pokryté a nepokryté oblasti — povinný, nikoli volitelný
• Metoda kontroly: „Kontrola UV fluorescencí 100 % po vytvrzení; mikrovýbrus z příčného řezu každých 500 desek”
• Požadavek na zkoušku: pokud je IEC 60068-2-78 (vlhké teplo, 40°C/93 % RH, 96 hodin) součástí kvalifikace spolehlivosti vašeho produktu, specifikujte ji v požadavku na kvalifikaci procesu coatingu
• Možnost přepracování: ověřte, zda továrna umí přepracovat pokryté desky a jaký je její postup — některé coating linky přepracování neumožňují

Časté problémy

Selhání přilnavosti coatingu na površích kontaminovaných silikonem: Kontaminace silikonem ze silikonem zakončených ručních nástrojů, rukavic nebo maziv nanesených na konektory před coatingem se mimořádně obtížně odstraňuje a způsobuje delaminaci coatingu. Prevence: zakázat materiály obsahující silikon v montážní oblasti; před coatingem čistit desky IPA; provést zkoušku přilnavosti odtržením pásky při první výrobní sérii.

Vynechané pokrytí v oblastech pod součástkami: Tryska selektivního postřiku nedosáhne pod nízkoprofilové součástky (např. řada elektrolytických kondenzátorů výšky 0,5 mm). Pokrytí vypadá pod UV kompletní, ale má mezery pod součástkami — přesně tam, kde se hromadí kondenzace. U kritických desek vyžadujte příčný řez conformal coatingu na vzorové součástce pro ověření pokrytí pod tělem. Alternativně specifikujte parylen, který nemá omezení přímou viditelností.

Coating na kontaktech konektorů: Program selektivního postřiku má nedostatečnou vyloučenou zónu; přestřik coatingu vniká do těla konektoru. Výsledek: přerušovaný spoj nebo konektor nelze spárovat. Prevence: maskovací zátky pro všechny konektory plus kontrola UV fluorescencí dutin konektorů po vytvrzení.

Související zdroje

• Proces SMT montáže — coating se nanáší po SMT přetavení, před funkčním testem
• Substrátové materiály PCB — volba materiálu desky ovlivňuje přilnavost coatingu
• Kritéria přejímky IPC-A-610 — standardy zpracování včetně coatingu
• Checklist pro audit továrny
• Sourcing hardwaru pro průmyslové IoT
• Služby kontroly kvality
• Sourcing výroby PCB a SMT
• Sourcing pro průmyslové IoT a IIoT