Basics für das Conformal Coating - Multi

BAUGRUPPENFERTIGUNG SCHUTZLACKIERUNG
Wege zu höherer Zuverlässigkeit elektronischer Baugruppen
Basics für das Conformal Coating
Gerhard Reusch, Multi-Components, Schwabach
Immer mehr Hersteller elektronischer Produkte haben erkannt, dass dem Wettbewerbsdruck aus sogenannten Billiglohnregionen nur durch die Konzentration auf technologisch anspruchsvollere und vor allem zuverlässigere Endprodukte begegnet werden kann.
Zudem stellen fortschreitende Miniaturisierung, neue Einsatzgebiete mit wechselnden
klimatischen Bedingungen sowie strengere Garantierichtlinien hohe Anforderungen an
Lebensdauer und Zuverlässigkeit.
Neben den grundlegenden Maßnahmen bei
Entwicklung, Konstruktion und den Produktionsmethoden eines Produktes ist am Ende des
Prozesses ein zuverlässiger Schutz der elektronischen Baugruppen vor mechanischen und
umgebungsbedingten Einwirkungen durch einen Schutzüberzug immer wichtiger.
Schutzüberzug für sichere
Produkte
Zielsetzung der Beschichtung ist die Reduzierung von Korrosion und deren Folgeschäden
mit der daraus resultierenden Verbesserung von
Lebensdauer, Funktionssicherheit und Zuverlässigkeit der Endprodukte. Der Schutz gegen
Innovative Beschichtung leicht gemacht: TCM45A
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Feuchtigkeit und Betauung sowie chemische
Verunreinigungen verhindert Kurzschlüsse und
Leckströme, Spannungsüberschläge und Entladungen. Beim Baugruppendesign können engere Leiterbahnführung und höhere Leistungen
realisiert werden. Whisker- und Dendritenwachstum sowie Elektromigration werden verhindert und die Ermüdung von Lötverbindungen reduziert. Bevorzugte Anwendungsgebiete
sind alle Industriezweige, wo hohe Zuverlässigkeit bei kritischen Umgebungsbedingungen gefordert ist. Richtlinien zur Bewertung von
Schutzbeschichtungen finden sich in den Normen IEC 61086, IEC60464, IPC CC 830, IPC
HDBK-830. Neben dem bisher bekannten Verguss kompletter Baugruppen oder der Beschichtung von Leiterplatten
mit relativ großen Schichtstärken, kommt der Dünnfilmbeschichtung oder Conformal Coating eine immer größere Bedeutung zu.
Als Conformal Coating bezeichnet man einen, den Konturen
elektronischer Baugruppen und den
darauf befindlichen Bauteilen folgenden, dünnen Auftrag flexibler Schichten mit klebefreien Oberflächen von
meist transparenten polymeren Materialien, der in
Farbe und Gefüge gleichförmig ist. Dabei soll eine möglichst gleichmäßige, nicht zu dicke oder zu dünne Schichtstärke erzielt werden. Die Schichtdicke hat einen wesentlichen Anteil an der
Schutzwirkung, was aber nicht bedeuten muss – je dicker desto besser.
Die gängigen Beschichtungsmaterialien trocknen umso langsamer, je dicker die Schichtstärke ist. Eine nicht
komplett durchgehärtete Beschichtung hat schlechte Haftung und Isolationseigenschaften zur Folge. Neben
dem Einschluss von Lösungsmittel
kann ein zu dicker Auftrag Lufteinschlüsse zur
Folge haben sowie, je nach Material, zu übermäßigem Schrumpfen oder Rissbildung führen.
Zu dünne Schichten wiederum haben ganz einfach zu wenig Schutzwirkung. Insbesondere an
Bauelementekanten kommt es dann zu ungenügenden Schichtstärken. Die heute bei Dünnschichttechnik empfohlenen Schichtstärken variieren je nach Material und liegen bei ca. 20 bis
150µm.Trotz dünner Schichtstärken ist auch ein
guter mechanischer Schutz gegen Vibrationsund Stoßbelastung gegeben.
Beste Voraussetzungen
Die Effektivität der Beschichtung kann durch eine
vorherige gründliche Reinigung der Baugruppen
wesentlich verbessert werden. Ausfälle beschichteter Baugruppen sind fast immer auf Verunreinigungen auf der Leiterplatte und Bauteilen zurückzuführen. Dies können neben Stäuben mit
ionischen Bestandteilen oder Fingerprints mit
fett- oder säurehaltigen Rückständen vor allem
Stoffe wie Harze, Aktivatoren aus Flussmittelrückständen vom Lötprozess oder auf Bauelementeoberflächen Rückstände von Formtrennmitteln sein. Diese Verunreinigungen verschlechtern die Haftung der Beschichtung und fördern
Delamination. Unter der Beschichtung eingeschlossene ionische Rückstände führen in Verbindung mit Feuchtigkeit zu Migration und fördern
langfristig den Ausfall einer Baugruppe. Für die
Auswahl geeigneten Materials für die Beschichtung sind neben den Einsatzkriterien der Verarbeitungsprozess, die Aushärtekriterien sowie
Fertigungsdurchsatz wichtig, die es zu bedenken
gibt und im Vorfeld abgeklärt werden sollten.
Bevor jedoch die Beschichtung erfolgt ist die
Prüfung der eingesetzten Materialien notwendig. Auf dem Markt ist eine Fülle von Produkten
auf Basis unterschiedlichster polymerer Bindemittel verfügbar. Diese bestimmen wesentlich
die Eigenschaften der Beschichtung. Die wichtigsten Vertreter sind die Silikone mit einer bevorzugten Schichtstärke von 50 bis 200µm. Sie
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kommen auf Grund ihrer hervorragenden Temperaturstabilität überall dort zum Einsatz, wo
mit weitem Einsatztemperaturbereich zu rechnen ist. Die Beschichtung bleibt flexibel und bietet guten mechanischen Schutz. Die Epoxide
eignen sich besonders für Schichtstärken 25 bis
75µm und sind bis ca. 150°C einsetzbar. Polyurethane sowie Acrylate ähneln der Eigenschaften der Epoxide. Bei den Acrylaten handelt es
sich meist um Einkomponentenlacke auf Lösungsmittelbasis mit einer physikalischen Trocknung. Weiter unterscheidet man nach dem
Aushärteverfahren oder der „Trocknung“. Lösungsmittelhaltige Beschichtungsmaterialien
sind über einen weiten Bereich chemischer Stoffe verfügbar und trocknen durch die Verdunstung des Lösungsmittels. Sie zeichnen sich
durch gute Benetzung, einfaches Auftragen,
Reparaturmöglichkeit und schnelles Aushärten
aus. Nachteilig sind, je nach Lösungsmittel,
leichte Entzündbarkeit, Geruch und eventuell
VOC-Emission. Eine Alternative sind wasserverdünnbare Beschichtungsstoffe. Das Wasser
wird als Dispersionsmittel eingesetzt. Die Vorteile wasserbasierender Materialien entsprechen weitgehend denen der lösungsmittelhaltigen Produkte, jedoch sind weder Geruchsbelästigung noch Entflammbarkeit gegeben. Je nach
Temperatur sind auch kurze Aushärtezeiten zu
verzeichnen und die automatische Verarbeitung ist schwieriger. Ferner sind sie gegen Verunreinigung empfindlicher. Bei lösungsmittelfreien Beschichtungsmaterialien sind insbesondere Silikone und UV-härtende Typen vertreten.
UV-härtende Stoffe zeichnen sich durch schnelle Aushärtezeiten im Bereich von 25 bis 30 Sekunden aus. Sie können sehr niedrigviskos sein
und sind damit prädestiniert für hohe Durchsatzraten. Die Reaktion findet bei Umgebungstemperaturen statt. Es werden keine platzverschwendenden Härteeinrichtungen benötigt.
Der Härteprozess erfolgt von der Oberfläche
aus. Dies ist mit der Gefahr einer ungenügenden Nachhärtung im inneren Bereich verbunden. Nachteilig ist auch eine eventuelle unter-
Der Sprühkopf ermöglicht linienförmige Sprühvorhänge mit exakter Randbegrenzung
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schiedliche Aushärtung infolge Schattenbildung. Mittlerweile sind jedoch Materialien verfügbar, die mit 2 Härteprozessen diese Nachteile kompensieren. Mehrkomponenten-Beschichtungsstoffe wie Epoxidmaterial härten
chemisch aus. Nach dem Mischen der Komponenten läuft die chemische Reaktion ab. Die
begrenzte Topfzeit ist der wesentliche Nachteil
dieser Technik. Insbesondere bei automatischen
Beschichtungssystemen kann dies zu erheblichen Stillstandszeiten führen. Nach Wahl einer
cher Beschichtungsmaterialien. Als weiteres
Großserienverfahren mit hoher Flexibilität hat
sich das Sprühverfahren mit Robotersystemen
etabliert. Insbesondere das selektive Conformal
Coating gewinnt mit der Technologie hochentwickelter Sprühköpfe immer mehr an Bedeutung. Dabei handelt es sich um einen sehr effektiven Großserienprozess, der dennoch auf Grund
des programmgesteuerten Ablaufes hohe Flexibilität ermöglicht. Ein programmierbares Koordinatensystem verfährt einen oder auch mehrere
Ermittlung der Schichtstärke mittels Messkamm oder Schichtdickenmessgeräte
Materialgruppe wird die weitere Entscheidung
durch Prozess-, Produktions- und wirtschaftliche Kriterien beeinflusst.
Auftragsverfahren
Neben den meist für Kleinserien gebräuchlichen
Auftragsverfahren wie Streichen oder manuelles
Aufsprühen mit Sprühpistolen oder Sprühdosen
sind im Großserienbereich das Tauchverfahren
und die Beschichtung mit Robotersystemen verbreitet. Die Ergebnisse bei manuellen Verfahren
führen je nach Erfahrung des Verarbeiters zu ungleichmäßiger, dickerer Schichtstärke und der
Gefahr von Lufteinschlüssen. Als Großserienprozess ist das Tauchverfahren als einfacher Prozess
mit hohem Durchsatz und guter Reproduzierbarkeit durchaus gut geeignet. Investition und Betriebskosten sind gering. Das Verfahren ist nicht
geeignet für UV-härtendes Material. Die Baugruppe wird entweder senkrecht oder waagerecht mittels einer Handlingseinrichtung in
den Tank, der das Beschichtungsmaterial, enthält
eingetaucht. Zur Vermeidung von Lufteinschlüssen und für gute Durchdringung kann die Tauchzeit durchaus bis zu 10 Minuten betragen. Größere Schichtdicken, insbesondere an Kanten,
können durch mehrmaligen Tauchprozess erzielt
werden. Ober- und Unterseite des Produktes
können in einem Arbeitsgang beschichtet werden. Da das Material jedoch überall hin gelangt
müssen Bereiche, die nicht beschichtet werden
dürfen, wie Steckerkontakte, Relais usw., durch
arbeitsintensives Abdecken geschützt und hinterher das Abdeckmaterial wieder entfernt werden. Ein Nachteil ist auch die aufwendige Umrüstung der Anlage bei Verwendung unterschiedli-
Sprühköpfe über dem zu beschichtenden Produkt an ausgewählte Bereiche. Das Material
wird aus Druckbehältern oder ein Pumpensystem dem Applikationskopf zugeführt. Dabei
handelt es sich je nach Material z.B. um ein geschlossenes System, so dass die Materialeigenschaften absolut konstant bleiben. Für konstante Viskosität des Materials kann über eine Temperatursteuerung die Temperatur des Beschichtungsmaterials überwacht und konstant gehalten werden. Die aufzutragende Materialmenge
wird über ein Nadelventil im Millisekundentakt
gesteuert. Für konstante Qualität und Nachverfolgbarkeit kann die jeweilige Materialmenge
über ein Durchflussmesssystem überwacht werden. Speziell gestaltete Düsen begrenzen die
Form des Sprühstrahls. Von Mitarbeitern des
Herstellers TTnS (Vertretung Multi-Components
GmbH) entwickelte Sprühköpfe ermöglichen linienförmige Sprühvorhänge mit präziser Randbegrenzung ohne Sprühnebel oder spiralförmige Sprühmuster. Diese Technologie, bei der das
Medium nicht durch Druckluftbeimischung zerstäubt wird und deswegen keine Sprühnebel
entstehen, ermöglicht 40 bis 60% Materialeinsparung gegenüber herkömmlichen Sprühtechniken. In Kombination mit Sprühköpfen können zusätzlich zum Auftrag hochviskoser Medien auch Nadeldosierköpfe montiert werden.
Für die in unseren Fertigungsstätten häufig notwendigen Produktwechsel ist eine einfache, bedienerfreundliche Programmiermöglichkeit unerlässlich. Dies kann z.B. durch vorprogrammierte Arbeitsparameter vereinfacht werden.
Für unterschiedliche Beschichtungsmaterialien
und Beschichtungsdicken bieten die Maschinenhersteller Bibliotheken, in denen die jeweils
relevanten Parameter bereits definiert sind. Für
die Programmierung der zu beschichtenden Bereiche wird ein Bild der Leiterplatte erzeugt, anhand dieser graphischen Daten dann sehr einfach mit Hilfe von Mausfunktionen die einzelnen Beschichtungsbereiche festgelegt werden
können. Alternativ kann dies auch durch Eingabe von Koordinaten erfolgen. Zur Realisierung
einer kompletten Beschichtungsstraße gehören
neben Handlingseinrichtungen die Trockenoder Härteöfen. Wichtig ist dabei ein detailliert
regelbares Temperaturprofil, um Blasenbildung
des Beschichtungsmaterials zu vermeiden. Eine
interessante Lösung im Vergleich zu den bisher
üblichen sehr großen Durchlauföfen stellt die
ECCO99 von TTnS dar. Bei dieser Lösung können komplette Leiterplattenmagazine durch
das System befördert werden. Bei Durchlaufzeiten von z.B. 5 bis 6 Minuten pro Magazin wird
ein sehr hoher Durchsatz erreicht. Das ausgeklügelte Konvektionssystem und eine spezielle Wärmeisolation reduzieren den Energieverbrauch auf lediglich 50% gegenüber sonst üblichen, mehrere Meter langen Härteeinrichtungen. Die kompakten Grundmaße von 1,1m x
2,4m sparen zusätzlich Ressourcen.
ist neben der Vermeidung von Fehlstellen eine
gleichmäßige Schichtdicke in allen Bereichen zu
erhalten. Allerdings ist die Messung der Schichtdicke auf einer komplexen Baugruppe nahezu
unmöglich. Daher konzentriert man sich üblicherweise darauf, vor Beginn der Produktion
auf einem planen Substrat die gewünschte
Schichtstärke durch praktische Tests zu ermitteln, und die zugehörigen Arbeitsparameter
festzulegen. Das einfachste Hilfsmittel ist ein
Beschichtungsfehler im Griff
Messkamm mit unterschiedlich hohen Aussparungen, der über die „nasse“ Beschichtung geführt wird. Auch Schichtdickenmessgeräte, wie
das Positest, die bei ausgehärteten Beschichtungen verwendet werden, sind gebräuchlich.
Eine Sammlung von Teststreifen mit unterschiedlichen Beschichtungsstärken und den zugehörigen Prozessparametern sind sehr hilfreich. Blasen entstehen durch eingeschlossene
Lufttaschen unter der Beschichtung. Dringen
die Lufteinschlüsse bei niedriger Viskosität des
Lackes an die Oberfläche und zerplatzen entste-
Auf Grund der dünnen Schichtstärke und Transparenz der Beschichtung ist es nicht so einfach
möglich, Fehlstellen zu erkennen. Abhilfe kann
hier fluoreszierendes Material schaffen, das unter UV-Beleuchtung die beschichteten Flächen
sichtbar macht. Auch eingefärbte Schutzlacke
sindhilfreich. Neben der Beurteilung durch das
Auge, können mittlerweile Automatische Optische Inspektionssysteme insbesondere bei hohem Durchsatz zum Einsatz kommen. Wichtig
Der Trocken- und Härteofen ECCO99 von TTnS spart
Ressourcen
hen kraterförmige Fehlstellen. Ursachen sind
entweder zu dicker Nassauftrag, zu hochviskoses Material, Luft unter Bauteilen, die bei fortschreitender Aushärtung entweicht. Dies kann
durch moderate Temperaturprofile beim Aushärten vermieden werden. Zu hoher Druck
beim Sprühen kann zur Schaumbildung führen.
Fehler wie Orangenhaut oder Runzeln sind anhand einer matten, unregelmäßigen Oberfläche charakterisiert. Zu großer Abstand beim
Sprühen führt zum Auftrag von teilweise bereits
„trockenem“ Material. Bei schnell härtendem
Material können falsche Temperaturprofile zu
ähnlichem Fehlerbild führen. Speziell bei schnell
trocknenden Lacken ist eine Fadenbildung zu
beobachten. Abhilfe kann die Reduzierung des
Sprühabstandes und der Zerstäubungsluft oder
Zugabe von mehr Verdünnung schaffen.
Wie bereits beschrieben, ist die Hauptursache in
Verunreinigungen der Baugruppe vor dem Beschichten zu finden. Trennmittel auf Bauelementegehäusen, Fingerabdrücke, schlecht gehärteter Lötstopplack, silikonhaltige Kleber zur Bauteilebefestigung, Flussmittelreste sind die häufigsten Ursachen. Auch Feuchtigkeit in der Baugruppe oder Umgebung führen zu dem Fehlerbild.
Auf Grund der Komplexität des Zusammenwirkens von Baugruppeneigenschaft, der Auswahl
des Beschichtungsmaterials, Auftragsverfahren
und Aushärte- bzw. Trocknungsparametern ist
es für zufriedenstellende Ergebnisse unerlässlich, dass sich Baugruppenhersteller mit den Experten der Materialseite, Reinigungsverfahren
und Ausrüstungsherstellern austauschen, um
für das jeweilige Endprodukt die optimale Lösung zu finden.
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