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Beschichtungsmaterialien, die auch unter Druck nicht reißen

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Electrolube testet zweikomponentige (2K) Schutzlackmaterialen

Die Leistungsanforderungen für Schutzlacke werden immer anspruchsvoller, da elektronische Geräte immer aggressiveren Betriebsumgebungen ausgesetzt werden. Gleichzeitig entwickelt sich die Umweltgesetzgebung stets weiter, wodurch die Verwendung von Lösungsmitteln und die Freisetzung von flüchtigen organischen Verbindungen (VOC) eingeschränkt werden. Die Verwendung von lösungsmittelfreiem Schutzlack aus Silikon ist inzwischen ausgereift. Allerdings können diese Materialien oft nicht verwendet werden, da das Risiko einer Silikonkontamination besteht oder bei aggressiven Umgebungsbedingungen – vor allem einem hohen Grad an Feuchtigkeit und korrosiver Schadbegasung – kein ausreichender Schutz gewährleistet werden kann.

Die Verwendung einkomponentiger Materialien, die mit UV ausgehärtet werden können, hat in den letzten Jahren einen erheblichen Marktanteil erlangt, da die schnelle Aushärtung oftmals große Produktivitätsvorteile birgt. Bei den aktuellen 1K-UV-Materialien treten jedoch bei Leiterplatten mit hohen Komponenten oft Aushärteprobleme auf, da diese zu Schattenbereichen während der Aushärtung unter UV-Belichtung führen und eine nicht optimal fokussierte Höheneinstellung der Belichtungseinheit erforderlich machen, wodurch die Lichtintensität und der Grad der Aushärtung geringer ausfallen. Aus diesem Grund muss neben dem UV-Härten ein weiterer Aushärtemechanismus eingeführt werden, meist ein feuchtigkeits- oder wärmeaktivierter Mechanismus. 

Wir haben eine neue Reihe innovativer, VOC-freier, schnell härtender Hochleistungsschutzlacke aus zwei Komponenten für die Verwendung in selektiven Beschichtungsverfahren entwickelt und zur Marktreife geführt. Die grundlegende Chemie hinter Electrolubes neuen „2K“-Beschichtungsmaterialien ist nicht neu, aber der lösungsmittelfreie selektive Beschichtungsvorgang für 2K-Materialien ist ein technologischer Durchbruch mit ganz neuen Möglichkeiten, der alle Vorteile von 2K-Beschichtungsmaterialien zur Geltung bringt. 

Die 2K-Materialien bieten eine lösungsmittelfreie Alternative zu sowohl UV- als auch Silikonmaterialien, da sie weniger Investitionen in Anlagentechnik als UV-Materialien erfordern und die Leistungsfähigkeit, welche die meisten Silikone unter harten Bedingungen zeigen, übertreffen. Electrolube hat die neue 2K-Reihe Seite an Seite mit UV-und Silikon-Lacken genauen Prüfungen unterzogen, unter anderem Thermischer Schock, Salzsprühnebeltest unter permanenter Bestromung der Prüflinge, Betauung und Schadbegasung.

Fortschritte in der Beschichtungstechnologie für selektiven Schutzlack

Bei Beschichtungsanwendungen ist die größte Herausforderung den Prozess auch bei der niedrigstmöglichen Durchflussrate zu kontrollieren und gleichzeitig das richtige Mischverhältnis beizubehalten. Für diesen Zweck wurden niedrigvolumig arbeitende Exzenterschneckenpumpen wie in Abb. 1 dargestellt entwickelt.

Abb. 1: Beispiel der Ventile einer selektiven 2K-Beschichtungsanlage

Mit den Pumpen können die Durchflussraten der individuellen Komponenten des 2K-Materials bis auf ± 1 % kontrolliert werden. Hierdurch werden das volumetrische Mischungsverhältnis gesteuert und ein korrektes Aushärten sowie die Eigenschaften der aufgetragenen Materialien sichergestellt. Darüber hinaus sind die Sprühkopfgeschwindigkeiten bis zu drei Mal schneller als bei herkömmlichen Sprühanwendungen mit 100 % Feststoffmaterial, wodurch die Beschichtungszyklen erheblich verkürzt werden können. Während es einerseits möglich ist die 2K-Beschichtungsmaterialien als dünnen Film aufzutragen (50-75 µm), wurden sie doch für viel größere Schichtstärken (250-300µm) entwickelt, formuliert und getestet, um eine verbesserte Kapselung von Komponenten und deren Anschlüsse zu gewährleisten.

Es wurde eine neue bestückte Prüfleiterplatte zum Test des Oberflächendurchgangswiderstands (Surface Insulation Resistance – SIR) entwickelt, um die realen Bedingungen für Schutzlacke besser simulieren zu können. Dabei sind nichtfunktionale elektronische Bauteile auf die Leiterplatte mit aufgelötet, wie in Abb. 2 dargestellt.

Abb. 2: Electrolubes bestückte SIR-Prüfleiterplatte

Thermoschockprüfung

Thermoschock ist ein Hochgeschwindigkeits-Belastungstest, der vor allem in der Automobilindustrie beliebt ist, um die Wahrscheinlichkeit zu beurteilten, ob eine Beschichtung während des Einsatzes reißt. Viele UV-Beschichtungen überstehen die aktuellen Anforderungen von 1000 Thermoschockzyklen nicht ohne zu reißen.

Die folgenden Schutzlacke (siehe Tabelle 1) wurden auf ein Asymtek SelectCoat SL-940E (Abb. 2) aufgetragen. Alle Beschichtungen werden mit einer minimalen und einer maximalen Zieldicke aufgetragen, mit gleichmäßiger Abdeckung und gemäß den Industriestandards. Die Beschichtungen wurden gemäß Herstellerempfehlungen ausgehärtet und weitere vier Wochen zum Resthärten gelagert. Die Leiterplatten wurden 1000 Thermoschockzyklen (-40 °C bis +130 °C) in einer ESPEC TSA-102EL-Kammer ausgesetzt und nach 100 Zyklen, 200 Zyklen und dann alle weiteren 200 Zyklen bis zu 1000 Zyklen mit 50-facher Vergrößerung untersucht.

Aus den Ergebnissen wurde deutlich ersichtlich, dass die 2K-Materialien in dieser Thermoschockprüfung im Vergleich zu lösungsmittelverdünnbaren und den konkurrierenden UV-härtbaren Materialien außerordentlich gut abschnitten (Beispiele sind in Abbildung 2 aufgeführt). Interessanterweise lag die Widerstandsfähigkeit gegen die Thermoschockzyklen auch höher als bei 2,5-facher Dicke der UV-Materialien und glich so der Belastbarkeit von Silikonmaterialien, die als sehr widerstandsfähig in Thermoschockprüfungen bekannt sind.

Tabelle 1: Getestete Schutzlacke und Dicken

Abb. 3: Beispiele für Thermoschockversagen (UV 1-3)

Salzsprühnebel unter permanenter Bestromung der Prüflinge

Nach Abschluss der Thermoschockprüfung und der Sichtprüfung, wurden die Leiterplatten 96 Stunden lang Salzsprühnebel ausgesetzt (5 % NaCl(aq)). Eine Zusammenfassung der Daten ist in Abb. 3 dargestellt, wo die durchschnittlichen SIR-Werte des auf der Leiterplatte befindlichen IPC B-24-Prüfkamms aufgeführt sind.

Abb. 4: Zusammenfassung des Salzsprühnebeltest unter permanenter Bestromung des Prüflings

Die 2K-Materialien wiesen eine hervorragende Beständigkeit gegen Salzsprühnebel auf, sowohl während der nassen Phase als auch nach erfolgter Trocknung, ähnlich wie Silikonmaterialien. Die UV- und lösungsmittelverdünnten Polyurethanmaterialien, die während der Thermoschockprüfung gerissen sind, wiesen relativ geringen Schutz während des Tests und minimale Verbesserung von SIR bei Abschluss des Tests auf.

Die Leiterplatten wurden dann 28 Tage lang einer korrosiven Gasumgebung ausgesetzt, gemäß IEC 68-2-60, Klasse 3, wie unten in Tabelle 2 aufgeführt.

Tbealle 2: Zusammensetzung des im Schadgastest verwendeten strömenden Mischgas

Temperatur

Relative Feuchtigkeit

Gas

SO2

H2S

NO2

Cl2

25°C

75%

Concentration / ppb

200

100

200

20

SIR-Messungen wurden bei Umgebungsbedingungen im Labor (25 °C, 50 % rel. Feuchtigkeit) vor Beginn des Tests, in wöchentlichen Abständen und 24 Stunden nach dem Abschluss des Tests durchgeführt, wie in Abb. 4 dargestellt.

Abb. 5: Schadbegasung Zusammenfassung der Ergebnisse

Wie erwartet haben die Materialien, die in der vorangegangenen Thermoschockprüfung nicht gerissen sind, ein besseres Ergebnis in der Schadgasprüfung erzielt. Die Silikonmaterialien wiesen in dieser Prüfung ein ähnliches Verhalten wie die gerissenen UV-Materialien auf, was darauf hinweist, dass Silikonmaterialien gegenüber diesen korrosiven Gasen ziemlich porös sind. Die dickeren 2K-Beschichtungen und das nicht gerissene Acryl-Material haben sehr gute absperrende Eigenschaften gegenüber diesen korrosiven Gasen gezeigt.

Betauungsprüfungen

Betauungsversuche werden immer wichtiger, vor allem in der Automobilindustrie. Aufgrund von Inkonsistenzen bei herkömmlichen Tests hat das nationale britische Labor für Physik (UK National Physical Laboratory – NPL) eine alternative Betauungsprüfung entwickelt, wobei die Kammerbedingungen stabil bleiben, die Temperatur des Prüflings jedoch unter den Taupunkt abgesenkt und so für eine kontrollierte Taubildung auf der kühleren Oberfläche des Prüflings gesorgt wird.

Abb. 6: NPL-Betauungsprüfungsaufbau mit einer Kühlplatte, um die Substrattemperatur unter den Taupunkt zu drücken

Wenn wir die zwei am häufigsten verwendeten Bauformen, Ball Grid Array (BGA) und Small Outline Integrated Circuit (SOIC), wie in Abb. 6 dargestellt, als repräsentativ ansehen, können wir sehen, wie sich der Schutzgrad der Beschichtungen mit den Betauungszyklen in Abbildungen 8 und 9 verändert.

Abb. 7: Electrolubes bestückte SIR-Prüfleiterplatte mit BGA- und SOIC-Bestückung

Abb. 8: SIR mit einer Anordnung beschichteter und unbeschichteter SOIC während der zyklischen Betauungsprüfung

Abb. 9: SIR mit einer Anordnung beschichteter und unbeschichteter BGA während der zyklischen Betauungsprüfung.

SIR blieb während den Kondensations- und Trocknungszyklen für das 2K-Material auf beiden Anordnungen grundsätzlich konstant, was beweist, dass das Material eine sehr wirkungsvolle Barriere gegen Kondensation darstellt. Das Acrylmaterial bewies sich ebenfalls als konsistente Barriere an den SOIC Bauteilen, jedoch waren bei den BGA Chips Anzeichen von unter den BGA eingedrungener Feuchtigkeit sichtbar, welche letztendlich trocknete, aber zu niedrigeren Werten während der Betauungsphasen führte. Die unbeschichteten Baugruppen zeigten einen erheblichen Abfall im SIR während der Betauungsphasen, der BGA tendierte zu einem Kurzschlusszustand und möglicher Korrosion oder Dendritenwachstum.

Fazit

In sehr strengen Tests haben die 2K-Polyurethanmaterialien im Vergleich zu anderen Beschichtungstypen eine sehr beeindruckende Leistung gezeigt. Die Tatsache, dass der Lack in hoher Schichtdicke aufgetragen werden kann und bei Thermoschockprüfungen nicht reißt, ermöglicht einen höheren Grad der Abdeckung von Bauteilen und deren Anschlüsse, was zu einer verbesserten Leistung während der Thermoschockprüfung, der Salzsprühnebelprüfungen unter Bestromung, der Schadbegasung und Betauungsprüfungen geführt hat – traditionell sehr extreme Prüfungen, die üblicherweise wärend Qualifikationen in der Automobilbranche zur Anwendung kommen.