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Technische Artikel

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Auswahl von Schutzlacken: Warum man Zweikomponenten-Schutzlacksysteme für selektive Beschichtung wählen sollte

GB FR Schlagwörter: Schutzlacke, Forschung

Phil Kinner, Business and Technical Director für die Schutzlack-Sparte von Electrolube, stellt die Zweikomponenten-Schutzlacke der nächsten Generation des Unternehmens vor und erklärt, warum sie zu einem unverzichtbaren System für Hersteller werden, um die Zuverlässigkeit in den schwierigsten Umgebungen zu erhöhen.

Die Anwendungen für elektronische Systeme entwickeln sich in dem Maße weiter, wie elektronische Systeme verstärkt zu einem Teil des Alltags werden. Dabei liegt der Schwerpunkt darauf, die Systeme immer kleiner auszuführen: Sie sollen stets mehr Vorgänge schneller und zuverlässiger ausführen und dabei bei jeder Designänderung kleiner und leichter werden. Während Baugruppen stets dichter bestückt werden und die Gehäusedesigns durchlässiger werden, um Gewicht zu sparen, ist die Anwendung von Schutzlacken äußerst wichtig, um die Baugruppe vor der Betriebsumgebung zu schützen und sicherzustellen, dass die vorgesehene Anwendung höchstmögliche Zuverlässigkeit bietet, vor allem in extremen Bedingungen.

Traditionell sind Schutzlacke dünne Polymer-Beschichtungen, die zum Schutz von Baugruppen vor korrosiven Bedingungen in ihrer Betriebsumgebung, wie z. B. Salznebel, hohe Feuchtigkeit und/oder Kondensation, leitende Partikel, korrosive Gase usw. zu schützen. Schutzlacke bieten zusätzliche dielektrische Isolierung und werden deshalb verwendet, um Komponenten näher aneinander anordnen zu können, als mit Luft möglich wäre, und um das Whiskerwachstum einzuschränken.

Non-coated board / components

Unbeschichtete Leiterplatte/Komponenten

Tin whisker

Whisker

PCB + Components

Leiterplatte und Komponenten

Non-coated PCB / components, tin whiskers can form freely.

Unbeschichtete Leiterplatte/Komponenten, es kann zur freien Whiskerbildung kommen.

Coated board / components

Beschichtete Leiterplatte/Komponenten

Coated PCB: Tin whisker must penetrate the coating first.

Beschichtete Leiterplatte: Whisker muss erst die Beschichtung durchbrechen.

If a tin whisker forms and penetrates coating, it must then penetrate the coating again to cause a short… OR

Nach der Whiskerbildung und Durchdringung der Beschichtung muss er die Beschichtung nochmals durchdringen, um einen Kurzschluss zu verursachen ODER

Meet a whisker coming in the other direction which has also broken through the coating.

Auf einen Whisker treffen, der aus der anderen Richtung kommt und ebenfalls die Beschichtung durchbrochen hat.

Damit der Schutzlack gut gegen Korrosion schützt und um die notwendige Isolierung zum Schutz gegen Funkenüberschlag zu bieten, sowie um eine ausreichende physische Trennung zur Abschwächung des Whiskerwachstums aufzuweisen, ist es unumgänglich, dass das Beschichtungsmaterial alle Metalloberflächen in ausreichender Dicke abdeckt. Im folgenden Informationsblatt IPC TR-57 „Schutzlacke: Der Zustand der Branche“ (Conformal Coatings: The State of the Industry), welches erstellt wurde, um die Schutzlackabdeckung in Bezug auf die potenzielle Abschwächung von Whiskerwachstum zu verstehen, wurden hunderte Leiterplatten mit verschiedenen herkömmlichen Lackzusammensetzungen und Beschichtungsmethoden beschichtet und die Beschichtungsdicke in Querschnitten sehr sorgfältig geprüft. Die Ergebnisse deckten verschiedene Problempunkte auf: einerseits wurden viele Bereiche mit sehr geringer Abdeckung entdeckt und andererseits waren sehr unterschiedliche Dicken auf unterschiedlichen Komponententypen vorhanden. Ein typisches Ergebnis an einem Gull-Wing-Gerät, wie einer QFP-Leitung, ist unten in Abb. 2 dargestellt.

Abb. 2 Typischer Querschnitt, auf dem die Schwierigkeit zu sehen ist, eine durchgehende Abdeckung (blaue Schicht) mit herkömmlichen Beschichtungsmaterialien zu erreichen.

Warum hat Electrolube die 2K-Reihe entwickelt?

Zusätzlich zu den im Informationsblatt aufgeführten Abdeckungsproblemen sollen Schutzlacke auch in sehr viel höheren Temperaturbereichen bestehen und viel mehr Thermoschockzyklen überleben als je zuvor. Die vorhandenen Beschichtungsmaterialien einfach dicker aufzutragen, führt nicht unbedingt zu einer besseren Abdeckung, kann aber die Spannungsstärke auf die Beschichtung und Baugruppe erhöhen, was zu schwerwiegenden Problemen in Thermoschocktests führen kann, vor allem bei UV-härtbaren Materialien, die dann reißen und garkeinen Schutz mehr bieten. Viele herkömmliche Materialien können heute nicht weiter verwendet werden, da sie die neueren Höchsttemperaturanforderungen nicht mehr erfüllen und auch nicht die erforderliche Abdeckung zum Bestehen der Kondensationstests der großen globalen Automobilhersteller erzielen.

Die 2K-Reihe wurde entwickelt, um diese 3 wichtigsten Anforderungen zu erfüllen. Die vernetzten 2K‑Duroplastmaterialien bleiben bei weiteren Temperaturextremen erhalten und ihre Formel erlaubt einen dickeren Auftrag, um die erforderliche Abdeckung für den Schutz gegen Kondensation, dielektrische Verstärkung und abschwächende Wirkung für Whiskerwachstum aufzuweisen, ohne dass die Baugruppe oder der Lack übermäßiger Spannung ausgesetzt wird, was zu Rissbildung führen könnte. Die 2K-Reihe ist lösungsmittelfrei, geruchsarm und gefahrenarm, wodurch Nutzer ihre VOC-Emissionen verringern und die Sicherheit ihres Prozesses erhöhen können.

Warum sollte man ein Zweikomponenten-Beschichtungssystem einsetzen?

Wenn ein bestehendes Material nicht den gewünschten Schutz für die letztendliche Betriebsumgebung bieten kann, kann ein 2K-Schutzlackmaterial im Vergleich zu herkömmlichen Einkomponenten-Materialien erheblich verbesserten Schutz für die gesamte Platine leisten, sei es gegen Kondensation, Eintauchen, korrosive Gase oder sehr feuchte Umgebungen. Die zusätzliche Dicke und Abdeckung ist besonders nützlich in Bezug auf die Minderung des Whiskerwachstums sowie die dielektrische Verstärkung.

Darüber hinaus sind die Materialien lösungsmittelfrei, gering ausgasend und sehr geruchsarm, wodurch sie gegenüber anderen Zusammensetzungen Gesundheits- und Sicherheitsvorteile bieten.

Was sind die Haupteigenschaften und Vorteile von 2K-Produkten?

Allgemein der 100 % Feststoffanteil, keine Nebenprodukte, die höhere Dicke und Abdeckung; die Zusammensetzung wurde so gewählt, dass typische Thermoschockzyklen der Automobil- sowie Luft- und Raumfahrtbranche bestanden werden und die Zuverlässigkeit der Lötverbindungen so wenig wie möglich beeinträchtigt wird.

Schnelle chemische Auswirkung – 10 Min. bei 80 °C für eine vollständige Aushärtung. Verbesserter Durchsatz und Verringerung der Anzahl unfertiger Erzeugnisse. Platinen können nach der Aushärtung im Ofen verpackt werden, ohne dass Lösungsmittelgeruch hängen bleibt oder man sich sorgen muss, ob ausreichend Feuchtigkeit für den Abschluss des Vernetzungsprozesses vorhanden ist.

Es gibt eine Version, die mit UV/chemisch aushärtet (2K850), welche unmittelbar berührungstrocken ist, wenn sie herkömmlichen eisendotierten Mikrowellenlampen oder LED 365nm-Lampen ausgesetzt wird. LED-Lampen verbrauchen viel weniger Strom, haben viel längere Betriebszeiten, erzeugen weniger Wärme und stören die Kommunikationssysteme der Fabriken nicht. Die Öfen müssen nicht länger als 700 mm sein, da das Licht eine geringere Intensität aufweist und die längeren Wellenlängen nicht so gefährlich sind.

Wie unten dargestellt, können Förderbänder für diesen Zweck umfunktioniert werden.

Große Komponenten können im UV-Licht Schatten werfen und auch für Material auf der Rückseite der Leitungen und unter den Komponenten ist ein zweiter Aushärtungsprozess erforderlich. Der chemische Aushärtungsprozess der 2K-Materialien geht in einer gleichbleibenden und zuverlässigen Geschwindigkeit (<6 Std.) vor sich, wobei kein zusätzlicher thermischer Prozess im Ofen erforderlich ist und die Qualität des Ergebnisses auch nicht von zahlreichen Faktoren abhängt, wie es mit sekundären Feuchtigkeitshärtesystemen der Fall ist.

2k kann mit der selektiven Spraymethode oder Nadelauftrag aufgetragen werden, um den Nutzern eine bestmögliche Beschichtungsgenauigkeit zu bieten. Die Materialien fließen nicht wie herkömmliche Beschichtungsmaterialien und bieten deshalb eine bessere Kantenabdeckung. Gleichzeitig werden Probleme mit nicht zu beschichtenden Bereichen wie Anschlüsse, BGAs usw. verringert.

Beispiele für Produkte der 2K-Reihe

In 2K300 wird ein Niedrigmodul-Elastomer-Polyurethan verwendet, mit einmaligem hohem Temperaturbereich (langfristige Leistung bei 150 °C) und herausragendem Isolationswiderstand, auch bei Eintauchen oder Einschalten in Flüssigkeit/Salzwasser. 2K300 hat hervorragende Ergebnisse bei Thermoschockprüfungen (‑65 °C bis +150 °C) gezeigt, schützt gegen Kondensation und Flüssigkeit/Wasser und ist gegen Chemikalien wie eine Vielzahl an Lösungsmitteln, Ölen und Getriebeölen beständig. 2K300 bietet auch eine außergewöhnliche Kantenabdeckung und damit eine Verringerung des Whiskerwachstums sowie hohe dielektrische Verstärkung.

2K850 ist ein UV-härtbares Beschichtungsmaterial mit einem chemischen Aushärtmechanismus, der für vollständige Aushärtung auch in abgedeckten Bereichen sorgt. Das Material ist undurchsichtig und zur Vereinfachung der Inspektion und Verbesserung des Kontrasts von interessierenden Bereichen in leuchtendem Rot erhältlich. Dieses Elastomer-Niedermodulmaterial erfüllt die Anforderungen von UL94 V-0 und flexibel genug, um Thermoschocks zu widerstehen. Es weist eine Wärmeleitfähigkeit von 0,7 WmK-1 auf, um die Bildung von Hot-Spots zu verhindern, die durch die Ausbreitung der in der gesamten Lackschicht entstehenden Wärme verursacht werden. Das Material bietet eine besonders hohe chemische Beständigkeit sowie Schutz gegen Kondensation und Feuchtigkeit.

Wie wurden diese Produkte geprüft und was sind die Ergebnisse?

Zusätzlich zu den Mindestanforderungen von IPC-CC-830 weisen alle 2K-Materialen gemäß ihrer Testergebnisse Konformität mit dem Automobilstandard BMW GS95011-5 auf, welcher Tests mit sequenziellem Thermoschock, korrosiven Gasen, Salznebel und Temperatur- und Feuchtigkeitszyklen umfasst. Zusätzlich zum BMW-Standard wurden die Materialien mindestens 1000 Thermoschockzyklen (-40 °C bis +130 °C) unterzogen, und zwar auf eng bestückten, unreinen Baugruppen, um sicherzustellen, dass auch bei höheren Schichtaufbauten keine Risstendenz auftritt.

2K850 Thermal Shock Performance (-40°C to +130°C)

2K850 Temperaturwechselbeständigkeit (-40° C bis +130° C)

Initial

Anfang

500 Cycles

500 Zyklen

1000 Cycles

1000 Zyklen

Viele Leiterplatten wurden nach der selektiven Beschichtung quer geschnitten und geprüft, um sicherzustellen, dass Abdeckungs- und Dickeanforderungen erfüllt werden.

Besonders 2K300 wurde angetriebenen Kondensationstests auf Automobil- sowie Luft- und Raumfahrtbaugruppen ausgesetzt, wobei im Vergleich zur zweitbesten Lösung ein hervorragender Schutz erzielt wurde. Die Materialien wurden auch dem BMW-Betauungstest sowie dem neuen Kondensationstest des NPL (britisches National Physical Laboratory) auf SIR-Testplatinen ausgesetzt und erneut wurden äußerst positive Ergebnisse erzielt, wobei wenig Unterschied zwischen den feuchten und trockenen Bedingungen in den Prüfzyklen, wie unten dargestellt, erkennbar war. Sowohl höhere Oberflächenwiderstandswerte als auch die Rückkehr zu ähnlichen Niveaus in feuchten und trockenen Bedingungen sind sehr erstrebenswert. Geringe Oberflächenwiderstandswerte, die auf einem niedrigen Niveau bleiben, sind ein Zeichen für Korrosion oder elektrochemische Migration (ECM).

Condensation resistance of conformal coatings on BGA component

Beständigkeit gegen Kondensation von Schutzlacken auf einer BGA-Bauform

Insulation resistance / log Ohms

Isolationswiderstand/log Ohm

Time / Mins

Zeit/Min.

NO Coating

KEINE Beschichtung

Acrylic

Acryl

2K

2K

Für welche Anwendungen sind 2K am besten geeignet?

Mit ihrem hohen Durchsatz und Einzelteilfluss sind 2K-Materialien besonders für anspruchsvolle Anwendungen in der Automobilbranche geeignet, wo eine Kombination von hohem Temperaturwiderstand, langfristiger Flexibilität zum Überstehen der Thermoschockzyklen und eine unübertroffene Beständigkeit gegen korrosive Gase, aggressive Mittel wie z. B. Getriebeöle und Bremsflüssigkeiten, angetriebenem Salznebel und Kondensation / Betauung, die Schutzfähigkeit auf ein höheres Niveau bringt. Die Materialien bieten auch Widerstand gegen vollständiges Eintauchen in Salzwasser für mindestens 30 Stunden, während sie eingeschaltet sind.

Neben Automobilanwendungen sind die Materialien auch bei Rüstungs- sowie Luft- und Raumfahrt-Zulieferern beliebt, da sich die Anforderungen der Flugzeughersteller in Bezug auf die Funktionalität bei kondensierenden Bedingungen verändert haben.

Hersteller industrieller Steuerungen und Haushaltsgeräte profitieren ebenfalls vom verbesserten Schutz gegen Kondensation, Wassereintritt, korrosive Gase und Beständigkeit gegen Insektenschäden.

Sind an bestehender Ausrüstung für selektive Beschichtung Änderungen erforderlich?

Electrolube hat eng mit bekannten Herstellern von Ausrüstung für selektive Beschichtung zusammengearbeitet, wie z. B. ANDA, PVA und Asymtek, um 2K-Applikatoren zu entwickeln und zu testen, mit welchen Kunden einen Umrüstsatz für ihre bestehende Ausrüstung (oder eine neue Maschine) erwerben können.

Der Umrüstsatz besteht im Wesentlichen aus Messpumpen (und Steuerungen), um ein richtiges volumetrisches Mischverhältnis der Materialien zu gewährleisten, sowie einem Sprayapplikator, in welchem die Materialien direkt vor dem Aufsprühen gemischt werden. Für kleine Details ist es auch möglich, das Material mit einer Auftragsnadel aufzutragen.

Insert picture from PVA.

Schlussfolgerung

Bei der Verwendung der empfohlenen höheren Schichtdicken ist es möglich, eine 100-prozentige Abdeckung der Komponenten zu erreichen, was zu einzigartigem Schutz gegen Korrosion, Kondensation und Eintauchen bietet, das Whiskerwachstum einschränkt und dielektrisch verstärkt – die häufigsten Gründe für die Anwendung von Schutzlacken. Trotz ihrer höheren Dicke und verbesserten Beständigkeit gegen Chemikalien können einige der Materialien einfach nachbearbeitet werden. Die Reihe umfasst undurchsichtige und eingefärbte Materialien, sowohl zur Markierung von interessierenden Bereichen der Maschine als auch zur Vereinfachung der manuellen Inspektion. Auch Platinendesigns können damit abgedeckt werden.

Bei geringeren Schichtdicken bieten die Beschichtungsmaterialien einen erheblich verbesserten Schutz gegenüber herkömmlichen Materialien, da sie besser dazu geeignet sind, Komponentenleitungen und andere scharfe Kanten abzudecken.

Die lösungsmittelfreie Reihe der Materialien verbessert die Zuverlässigkeit der Baugruppen in Automobil-, Luft- und Raumfahrt- sowie Industrieanwendungen, während sie gleichzeitig schneller aushärten, geruchsarm sind und bessere Gesundheits- und Sicherheitseigenschaften aufweisen, als andere 100-%-Feststofftechnologien wie z. B. UV-härtbare Acrylmaterialien.