Technische Artikel

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Eine neue Generation von Schutzlacken für anspruchsvolle Betriebsumgebungen

GB FR Schlagwörter: Schutzlacke, Forschung

Phil Kinner von Electrolube spricht über die Entwicklung beständigerer, umweltfreundlicherer Schutzlacke, die die Anforderungen anspruchsvoller, moderner Elektronikanwendungen zuverlässig erfüllen.

Von modernen elektronischen Komponenten wird zunehmend erwartet, dass sie in rauen Betriebsumgebungen funktionieren. Die bedeutet unter anderem, dass sie lang anhaltend hohen Temperaturen standhalten, bei schockartigen Temperaturänderungen und hoher Luftfeuchtigkeit zuverlässig arbeiten auch wenn sie  Kondensation, Ätzmitteln oder anderen Chemikalien ausgesetzt sein können. Trotzdem haben gewichtssparende Maßnahmen die Robustheit – und damit die Schutzeigenschaften – von Gehäusen verringert. Gleichzeitig schränkt die Umweltgesetzgebung den Einsatz der wesentlich vielseitigeren lösungsmittelhaltigen Schutzmaterialien weiter ein.

Als Antwort auf diese Herausforderungen wurde eine neue Generation von lösungsmittelfreien, hochleistungsfähigen Zweikomponenten-Schutzlacken entwickelt, die einen mit Gießharzen  vergleichbaren Schutz bieten aber so einfach wie konventionelle Beschichtung aufgetragen werden können. Die 2K-Produktreihe von Electrolube ist dafür das beste Beispiel und wird später in diesem Artikel näher erläutert.

Ein Schutzlack bietet den notwendigen sekundären Schutz, der über den des Gehäuses hinausgeht. Um eine lange Lebensdauer einer Baugruppe zu gewährleisten, die im Betrieb unter rauen Umgebungsbedingungen eingesetzt wird, ist es daher sinnvoll, die herkömmlichsten Herausforderung und deren Lösung näher zu betrachten.  Bei der Auswahl eines geeigneten Schutzlacks für raue Einsatzbedingungen sind folgende Punkte zu beachten: potentielle Korrosions- und Kondensationsbedingungen bzw. Eintauchen in Wasser, Komponentenabstände und Whisker-Bildung.

Korrosion

Korrosion ist ein komplizierter, durch Diffusion gesteuerter elektrochemischer Prozess, der auf einer ungeschützten Metalloberfläche stattfindet. Trotz der Vielzahl möglicher Mechanismen und Ursachen müssen in den meisten Fällen drei Anforderungen erfüllt sein, damit es zu einer Korrosion kommt: das Vorhandensein von elektrochemisch unterschiedlichen Metallen (z.B. Gold/Silber und Nickel/Zinn) oder die Bildung einer Anode und Kathode durch Beaufschlagung mit einer Vorspannung; das Vorhandensein von Ionenarten (Salze, Halogenide, Hydroxide usw.); und das Vorhandensein einfacher Kondenswasserschichten zur Auflösung der Ionenarten mit Bildung einer Elektrolytlösung. Um Korrosion zu verhindern, muss mindestens eine dieser Voraussetzungen nicht erfüllt sein.

Die Wahl der Metalle beschränkt sich auf die Metalle, die in der Löt- und Oberflächenchemie verwendet werden (und unterschiedlich sind). Aufgrund der Art der elektronischen Baugruppen wird es immer Bereiche mit potentiellen Unterschieden geben. Durch Reinigung können ionische Verunreinigungen entfernt werden, jedoch kann dies nicht verhindern, dass sich später wieder aus der Betriebsumgebung heraus Ionen auf der Leiterplatte absetzen.

Schutzlacke können dabei helfen, die Bildung von Elektrolytlösungen aufgrund ihrer Funktionalität als Feuchtigkeitsbarriere zu unterbinden. Alle Metalloberflächen auf einer Leiterplatte müssen ausreichend gut beschichtet sein, um Kontakt mit einer potentiell korrosiven Umgebung zu vermeiden. Selbst kleine Hohlräume in der Beschichtung, die die Metalloberfläche freilassen, können die Korrosion unter bestimmten Umgebungsbedingungen beschleunigen. Die Herausforderung für Schutzlacke besteht darin, eine angemessene Beschichtung aller freien Metalloberflächen über die dreidimensionale, komplexe Topographie moderner Leiterplatten hinweg zu erreichen.

Neben dieser ‚perfekten‘ Beschichtung muss der Schutzlack auch eine Feuchtigkeitsbarriere mit guter Haftung auf dem Substrat bilden, die sich in keinem Fall ablöst.  Hat sich eine Beschichtung gelöst, tritt Feuchtigkeit ein, die durch den Kontakt mit bereits vorhandenen ionischen Verunreinigungen schließlich eine Elektrolytlösung bildet – ein weiterer guter Grund für eine gründliche Reinigung der bestückten Leiterplatte vor dem Auftragen des Schutzlacks.

Kondensation

Bei hoher Luftfeuchtigkeit können bestimmte Bereiche einer Komponente unter den Taupunkt fallen und Wasser kondensiert auf den Leiterplattenoberflächen, was den Isolationswiderstand deutlich verringert. Obwohl reines Wasser Elektrizität nicht gut leitet, können sich ionische Verunreinigungen auf der Leiterplattenoberfläche darin auflösen und eine leitfähige Bahn bilden. Diese Bedingungen führen nicht nur wie oben beschrieben zu Korrosion, sondern stellen auch den Isolationswiderstand der Beschichtung auf eine harte Probe.

Dies sind im Prinzip Eintauchbedingungen und Wasser findet sehr schnell Schwachstellen in der Beschichtung. Ist die Beschichtung in bestimmten Bereichen dünn oder nicht vorhanden, wäre die Isolierung beeinträchtigt oder zumindest nicht optimal. Jede leitfähige Lösung ermöglicht den Fluss von elektrischem Strom von einer Schwachstelle zur anderen, was zu einem vorübergehenden Ausfall (reversibel, wenn die Leiterplatte wieder abgetrocknet ist) oder zu einem irreversiblen Ausfall führt, wenn sich leitfähige Korrosionsprodukte, Dendriten oder andere dauerhafte Formen von leitfähigen Bahnen auf der Oberfläche der Beschichtung absetzen.

Komponentenabstand

Obwohl Luft in der Regel ein ausgezeichneter Isolator ist, kann diese bei Vorhandensein eines elektrischen Feldes von mehr als 3 kV/mm durchschlagen werden, was im Ergebnis zu einer teilweisen Leitfähigkeit führt. Die jeweilige Durchbruchsspannung hängt von den Abständen der Komponenten auf der Leiterplatte ab. Ist die Potentialdifferenz zwischen benachbarten Komponenten ausreichend groß, führt ein vollständiges elektrisches Durchschlagen der Luftstrecke zu einem Lichtbogen, der die gesamte Lücke zwischen den Komponenten überbrückt. Schutzlacke bieten einen zusätzlichen Isolationswiderstand, sodass Komponenten näher zueinander platziert und kompaktere Baugruppen realisiert werden können, als dies ohne Beschichtung möglich wäre.

Whiskerbildung

Schutzlacke können auch eingesetzt werden, um Probleme durch sogenannte Whiskerbildung zu vermeiden, die zu lokalen Kurzschlüssen führen können. Aktuelle Forschungen haben gezeigt, dass Wiskerbildung bei beschichteten Leiterplatten unwahrscheinlich ist, da im ersten Schritt ein Whisker die Beschichtung erst einmal zerstören und durchbrechen müsste. Um einen Kurzschluss zu erzeugen, muss sich dieser entweder mit einem anderen hervorstehenden Whisker mit anderer Polarität verbinden oder durch eine weitere Beschichtung an eine Stelle mit entgegengesetzter Polarität dringen.

Computermodelle haben gezeigt, dass es bei einer ausreichenden Deckung und Dicke des Schutzlackes über den leitfähigen Oberflächen unwahrscheinlich ist, dass ein Whisker die Beschichtung an einer Stelle durchdringt, und dass es praktisch unmöglich ist, dass dies noch an einer anderen Stelle erfolgt. Daher kommt als einzige mögliche Fehlerquelle für einen Kurzschluss die Berührung zweier hervorstehender Whisker infrage, wobei diese Möglichkeit statistisch vernachlässigbar ist.

Der Zweikomponentenansatz

Die Erreichung einer guten Beschichtung und Schichtdicke bei herkömmlichen, flüssig aufgetragenen Materialien und Auftragungsverfahren hat sich als problematisch erwiesen. Beispielsweise hat die Beurteilung der Branche durch die IPC, bei der buchstäblich tausende Querschnitte analysiert wurden, gezeigt, dass für viele der herkömmlichen Anschlüsse von Komponenten und Komponentengehäuse jeglicher Material-Prozess-Kombinationen eine geringe oder keine Beschichtung erreicht wurde. Angesichts der Wichtigkeit der Kantenabdeckung und Schichtdicke sowie der Herausforderung, beides zu erreichen, und gleichzeitig weitere Leistungsanforderungen wie Thermoschockbeständigkeit und eine zyklische thermische Belastung zu erfüllen, wurde ein neues Beschichtungskonzept entwickelt.

Quelle der Querschnitte: Rockwell-Collins

Electrolube entwickelte seine Reihe von 2K-Schutzlacken, um damit eine Lösung für die häufigsten Herstellerprobleme bei der Leistungsfähigkeit der momentanen Beschichtungslösungen unter widrigen Bedingungen anzubieten. Die 2K-Reihe leistungsfähiger Zweikomponenten-Schutzlacke ermöglicht eine höhere Schichtdicke und verbesserte Kantenabdeckung. Es ist gleichzeitig VOC-frei, schnell härtend und eine wirtschaftlichere, lösungsmittelfreie Alternative zu Silikonmaterialien. Darüber hinaus ist der Großteil der Schutzlacke der 2K-Reihe hydrophob, bietet so einen exzellenten Schutz vor Eintauchen in Wasser, Salzsprühnebel und betauender Feuchtigkeit und ist daher ausgezeichnet für Fahrzeugsensoren und -elektronik geeignet.

2K-Materialien bestehen aus zwei Komponenten: einem Harz und einer Quervernetzung, die getrennt voneinander ausreichend stabil sind. Einmal im richtigen Verhältnis gemischt, erfolgt eine chemische Reaktion, die ein festes Polymer bildet. Durch die Anpassung von Harz und Härter können viele verschiedene Polymere von weichen, gummiartigen Materialien bis hin zu hochfesten, glasartigen Materialien hergestellt werden. In der Regel sind viele dieser 2K-Materialien lösungsmittelbasiert, um ihre Lebensdauer zu verlängern und die Verwendung bestehender Anwendungsmethoden zu ermöglichen. Mit zunehmenden Einschränkungen bei der Verwendung von Lösungsmitteln haben sich die Bemühungen der Branche, lösungsmittelfreie Produkte herzustellen, jedoch intensiviert.

Quelle der Bilder: Nordson Asymtek und Precision Valve & Automation (PVA)

Lösungsmittelfrei

Die Umstellung von Electrolube auf ein lösungsmittelfreies 2K-System erforderte einen neuen Ansatz beim Mischen und Auftragen. Bei der Beschichtung war die Regelung der Durchflussmenge auf einem entsprechend niedrigen Niveau bei gleichzeitiger Einhaltung der richtigen Mischungsverhältnisse die zentrale Herausforderung. Diese wurde kürzlich durch den Einsatz speziell entwickelter, kleinvolumiger Exzenterschneckenpumpen gemeistert. Diese regeln die Durchflussmengen der einzelnen Komponenten der Rezepturen innerhalb von ±1 %, wobei das volumetrische Mischungsverhältnis bis zum Mischen und unmittelbar vor dem Auftragen gesteuert wird. So werden gleichbleibende Eigenschaften der dosierten Materialien und eine schnelle Aushärtung gewährleistet. Darüber hinaus ist die Sprühkopfgeschwindigkeit bis zu dreimal höher als bei herkömmlichen Sprühanwendungen mit 100 % Feststoffen, was die Zykluszeiten der Beschichtung deutlich reduziert.

Diese Beschichtungstechnologie sorgt für eine Aushärtung aller Materialien der 2K-Reihe innerhalb von 10 Minuten bei 80 °C. Dies entspricht der typischen Trocknungszeit und Temperatur eines lösungsmittelhaltigen Acryl-Materials. Das neueste Produkt der 2K-Reihe härtet primär durch UV-Strahlung (mit herkömmlichen Mikrowellen- oder Bogenlampensystemen bzw. der neuesten LED-Technologie) aus, während die chemische Härtung für eine vollständige Aushärtung in den Schattenbereichen innerhalb weniger Stunden sorgt – im Vergleich zu Wochen oder Monaten bei sekundär feuchtigkeitshärtenden Methoden. Der Zweikomponenten-Schutzlack 2K850 mit UV-Aushärtung kombiniert die Schnelligkeit und den Nutzen der UV-Aushärtung mit den Vorteilen des Zweikomponentensystems von Electrolube. Durch die UV-Aushärtung wird eine sofortige, klebfreie Beschichtung ermöglicht. Während durch das Zweikomponentensystem eine vollständige Aushärtung bei Raumtemperatur innerhalb von 24 Stunden ermöglicht wird; im Vergleich dazu beträgt der Branchendurchschnitt etwa 8-14 Tage.

Diese neuen Zweikomponenten-Systeme überzeugten in strengen Tests im Vergleich zu anderen Beschichtungsarten mit ihrer Leistungsfähigkeit. Die Tatsache, dass sie dick (bis zu 300 µm) aufgetragen werden können, ohne dass es bei einem Thermoschocktest zu Rissen kommt, ermöglicht eine höhere Beschichtung der Anschlußbeinchen von Komponenten. Dies wiederum führt zu einer Leistungssteigerung bei der Salzsprühnebel-, Schadgas- (MFG) und Schwitzwasserprüfung mit der neuen NPL-Schwitzwasserprüfungsmethode. Allesamt leistungsstarke Testverfahren, die häufig bei der Qualifizierung durch Automotive-Kunden zum Einsatz kommen. Ein gutes Beispiel ist ein aktueller Test von 2K-beschichteten Motorsteuergeräten, die 1.000 Thermoschockzyklen von -40 °C auf +140 °C ohne Spannungsrissbildung unterzogen wurden.

In anderen Electrolube-Experimenten, die während des 2K-Entwicklungsprojekts durchgeführt wurden, wurde eine Oberflächenisolationswiderstands-Testleiterplatte (SIR) unbeschichtet, stellenweise mit einem lösungsmittelhaltigen Acryl und stellenweise mit einem 2K-Material beschichtet, um die neue NPL-Schwitzwasserprüfungsmethode zu bewerten. Die Ergebnisse machen deutlich, dass die SIR-Werte für beide Bauformen (BGA und SOIC) für den 2K-Schutzlack zwei Potenzen höher waren und kaum schwankten, egal ob das Material mit Kondenswasser bedeckt war oder nicht. Es gab einen signifikanten Unterschied beim Acryl, je nachdem, ob das Material der Kondensation ausgesetzt war oder nicht, während die BGA-Bauform Spuren von Dendritbildung bei der Auswertung der nicht beschichteten Bereiche zeigte.

2K-Schutzlacke bieten eine zuverlässige Abdeckung, auch scharfer Kanten, und während sie normalerweise dünn aufgetragen werden (50-75 μm), wurden sie auch so konzipiert, formuliert und getestet, dass sie in viel höheren Schichtdicken (250-300 μm) aufgetragen werden können, um eine bessere Umhüllung von Komponenten und Komponentenbeinchen zu ermöglichen, ohne dass damit verbundene Probleme wie Rissbildung bei Thermoschocktests auftreten.

Der ausgezeichnete Schutz aufgrund der höheren Schichtdicke sowie die einzigartige Abdeckung durch die 2K-Produkte von Electrolube werden von vielen Fahrzeug- sowie Luft- und Raumfahrtzulieferern, die mit gestiegenen Anforderungen der OEMs an eine bessere Kondensationsbeständigkeit und dem voranschreitenden Einsatz in Bereichen, in denen diese mit Meereswasser zu kämpfen haben, geschätzt.