КОНФОРМНОЕ ПОКРЫТИЕ И БЕЗОТМЫВОЧНЫЙ ФЛЮС

АВТОРЫ: КАРЛ СИЛИГ, ВИЦЕ-ПРЕЗИДЕНТ ОТДЕЛА РАЗВИТИЯ ТЕХНОЛОГИЙ, И ТИМ О’НИЛЛ, РУКОВОДИТЕЛЬ ОТДЕЛА ТЕХНИЧЕСКОГО МАРКЕТИНГА

Введение. С учетом быстрого роста индустрии электроники, которая требует уменьшения размеров и повышения функциональности, разработчики электронных устройств и специалисты по их сборке сталкиваются с проблемами защиты окружающей среды, а также с необычным, ранее неизвестным применением компонентов электроники.

Эти условия в сочетании с требованиями об уменьшении загрязнения окружающей среды и вреда для здоровья в процессе производства и эксплуатации оборудования заставляют производителей пересматривать используемые ими материалы.

Более того, запрос на увеличение прочности корпуса и сокращение расходов привел к быстрому внедрению безвыводных корпусов таких, например, как QFN, POP, LGA и микро-BGA. Во многих случаях производители этих компонентов рекомендуют использовать безотмывочные флюсы из-за невозможности качественного удаления остатков флюса под корпусами и вокруг них.

Это ограничение, а также необходимость реализации программы по снижению использования олова и/или программы по обеспечению дополнительных мер защиты окружающей среды привели к парадоксальному решению: нанесению конформного покрытия вместо использования безотмывочных флюсов.

Отдел исследования и разработки компании «AIM» совместно с производителями электроники и производителями конформного покрытия постарался составить классификацию различных и доступных на сегодняшний день технологий нанесения покрытия. В рамках настоящего исследования мы провели испытание различных материалов для формирования покрытия и различных по химическому составу безотмывочных флюсов. Результаты исследования демонстрируют возможные сочетания, которые соответствуют требованиям, предъявляемым к монтажу, с учетом возможностей производства и с целью сокращения расходов.

Возможность нанесения конформного покрытия на печатные платы привлекло пристальное внимание ко всем этапам разработки и производства печатных плат. Производители и разработчики электроники исследуют потенциальные возможности, стоимость и ограничения в использовании данной технологии. Движущая сила, которая заставляет производителей интересоваться применением этой технологии в электронике, – возможность эксплуатации устройств в разнообразных и более агрессивных условиях по мере роста спроса на повышение функциональности и пригодность для многоцелевого использования. Испытания проводились в условиях, которые не так давно считались непригодными для эксплуатации электронного оборудования, в том числе в условиях повышенной влажности и пыли. Вот лишь только некоторые преимущества нанесения покрытия:

· Сокращение количества загрязняющих веществ на поверхности, защищенной покрытием, при контакте с силовыми или заземляющими участками;

· Сокращение количества усов олова.

При таком количестве производителей конформного покрытия для них существует только одна общая рекомендация по нанесению конформного слоя: перед нанесением подложку необходимо очистить вне зависимости от типа наносимого покрытия. Те же производители отмечают, что большая часть их заказчиков предпочитает наносить покрытие и использовать безотмывочный флюс, руководствуясь целым рядом причин. Вот лишь самые распространенные:

· Сокращение расходов на очистку;

· Требования к производительности;

· Неполное удаление ионных загрязняющих веществ под низко посаженными компонентами или вокруг них;

· Сокращение количества усов олова.

Анализ конченых условий эксплуатации является важным шагом для получения успешных результатов и первичным фактором, который необходимо изучить при выборе соответствующего монтажного процесса. При этом необходимо выяснить следующее: а) поможет ли наносимое покрытие добиться желаемого результата, б) целесообразно ли наносить покрытие с учетом характера сборки и технических возможностей монтажного цеха. Если нанесение покрытия признано обоснованным, то необходимо тщательно проверить используемые материалы.

В настоящем исследовании мы рассматриваем результаты, полученные в ходе углубленного изучения различных видов конформного покрытия, а также их взаимодействия в сочетании с остатками разных безотмывочных флюсов.

В ходе исследования мы руководствовались следующими производственными стандартами испытаний:

· IPC J-Std-004 «Испытания на сопротивление изоляции поверхности».

· IPC CC-830 «Классификация и показатели электроизоляционного компаунда для печатного узла».

· ASTM – D3359 «Стандартный метод испытаний при измерении силы адгезии (испытание методом клейкой ленты)».

Три указанных стандарта, регулирующих исследование, помогут определить значения сопротивления изоляции поверхности и свойства адгезии для каждого сочетания материалов. Полученные три значения были сравнены с данными, предоставленными поставщиком по каждому материалу, чтобы определить улучшение или ухудшение свойств материалов при их сочетании. Категории материалов для конформного покрытия выделены подчеркиванием.

Акриловые: термопластик растворимый в растворителе, без полимеризации

Преимущества

Недостатки

Высыхание на воздухе

ЛОС-содержащие растворители

Легкое растворение

Низкая стойкость к действию растворителей

Хорошая гидроизоляция

Воспламеняемость

Простота в использовании

Размягчение при высоких температурах

Уретановые: высыхание за счет полимеризации

Преимущества

Недостатки

Низкая стойкость к действию растворителей

Небольшое содержание ЛОС

Влагостойкость

Необходимость в повторной пайке

Износоустойчивость

Зависимость скорости высыхания от условий окружающей среды

Диэлектрические свойства

Риск причинения вреда здоровью работников

Силиконовые: высыхание за счет влажной полимеризации

Преимущества

Недостатки

Влагостойкость

Абразивность

Влагостойкость

Загрязнение рабочего места

Пластичность

 

Жаростойкость

 

Эпоксидные: как правило, двусоставные

Преимущества

Недостатки

Влагостойкость

Двусоставность

Влагостойкость

Необходимость в повторной пайке

Износоустойчивость

Продолжительность эксплуатации – в состоянии полимеризации

Диэлектрические свойства

 

Уретан, модифицированный акрилом: уретан, высыхающий под действием ультрафиолетовых лучей

Преимущества

Недостатки

Защитные свойства

Большие капиталовложения

Пропускная способность

Необходимость в повторной пайке

Воздействие на окружающую среду

Затемнение

Исследование под ультрафиолетовыми лучами

 

Все исследуемые образцы успешно прошли испытание по стандарту IPC на сопротивление изоляции поверхности. Ниже приводятся критерии оценки образцов:

КРИТЕРИИ СООТВЕТСТВИЯ/НЕСООТВЕТСТВИЯ
Стандарт IPC J-STD-004B, § 3.4.1.4.1
Все испытания тестируемых образцов проводились при сопротивлении более 100 мегаом.
Отсутствие признаков электрохимической миграции, которая сокращает расстояние между проводниками более чем на 20 %.

Отсутствие коррозии проводников.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ
1. Данные об испытаниях, диаграммы, отметка о прохождении.
2. Наличие дендритов: нет.
3. Максимальный процент сокращения расстояния: 0 %.
4. Признаки обесцвечивания между проводниками: нет.
5. Наличие раковин: нет.
6. Наличие подповерхностной миграции металла: нет.

С отчетом по результатам испытаний можно ознакомиться по соответствующему запросу.

ДИАГРАММЫ РЕЗУЛЬТАТОВ (1–3)

Диаграмма 1. «Н» с покрытием, затвердевающим под действием ультрафиолетовых лучей, «Паста 54» (олово-свинец), контроль

Диаграмма 2. «В» с покрытием, затвердевающим под действием ультрафиолетовых лучей, «Паста 54» (SAC 305), контроль

Диаграмма 3. «В» с покрытием, затвердевающим под действием ультрафиолетовых лучей, «Паста 54» (олово-свинец), контроль

Испытания на измерение силы адгезии и испытания термоударами первоначально проводились на опытных сборках компании «Practical Component» с помощью программы «SABER»; однако после ряда испытаний выяснилось, что необходимые данные можно получить с помощью стандартных пробных образцов В-24. Помимо относительной дешевизны, эти образцы исключают переменные, которые могут дать неточный результат, в том числе наличие ионики, веществ, которые остаются после очистки модели, а также толщину слоя покрытия.

Результаты испытаний на измерение силы адгезии оказались благоприятными и неожиданными. Целью настоящей статьи является исследование паяльной пасты. Мы не проводили испытания ни остатков проволочного припоя, ни любых жидких флюсов в тех случаях, когда конформный слой, смоченный и приваренный к подложке, при нанесении или высыхании успешно проходил все соответствующие испытания.

Первоначальные испытания термоударом при температуре от -60 до +125 °C выявили значительное отслоение. Изначально мы считали, что причиной является сдвиг остатков флюса из-за его размягчения при температуре 125 °C. Дальнейшие исследования показали, что когезионное разрушение остатков флюса происходило в том случае, когда флюс был плотно спаян с подложкой печатной платы и покрытием, при этом разрушался изнутри (фотография 3). Этот феномен в той или иной степени наблюдался при любых покрытиях (за исключением силиконового). В целом ультрафиолетовые материалы показали худшие результаты, акриловые на основе растворителей показали себя лучше, а силиконовые показали лучшие результаты без отслоения. Плохим результатом считались любые признаки отслоения. Мы не выяснили, по-прежнему ли отслоившееся прилегающее покрытие было эффективным с точки зрения защиты находящейся под покрытием подложки.

В итоге мы обнаружили, что эластичность покрытия напрямую соотносится с разрушением, связанным с низкой температурой. Разницы теплового расширения между остатком и высокоэластичным покрытием оказалось достаточно, чтобы вызвать разрушение холодных затвердевших остатков флюса. В паяльных пастах зачастую используется канифольный флюс, который затвердевает после оплавления. Чем ниже температура окружающей среды, тем тверже остаток. Чтобы проверить данную теорию, мы попеременно меняли виды флюса и виды покрытия, используя более прочные и более мягкие материалы. Мы провели испытания силиконового покрытия, затвердевающего под действием ультрафиолетовых лучей, имеющего самые низкие показатели эластичности, и уретанового покрытия, затвердевающего под действием ультрафиолетовых лучей, имеющего самые высокие эластичности. Кроме того, мы провели испытания бесканифольной пасты, остатки которой имеют не твердую, а воскоподобную структуру. Как видно на картинке ниже, сокращение эластичности покрытия или остатков снижает вероятность отслоения.

Кроме того, мы заметили, что акриловые покрытия на основе растворителей качественно превзошли уретановые материалы, затвердевающие под действием ультрафиолетовых лучей, несмотря на соответствующую специфику применения уретановых материалов. Мы полагаем, что растворитель способствует формированию более глубоких связей между остатком и покрытием, нивелируя неблагоприятный эффект при разнице теплового расширения.

Мы пошли дальше и решили узнать, при какой максимальной низкой температуре начинает происходить отслоение канифольной безотмывочной пасты и акрилового или уретанового, модифицированного акрилом покрытия. Результаты испытаний оказались достаточно разрозненными, но в целом ни один материал не смог выдержать более 10 циклов при температуре ниже -35 °C.

Обладая этими данными, кажется, что самый простой способ решить проблему отслоения – использовать пасту, которая дает более мягкий остаток. К сожалению, такое решение оказывает существенное негативное воздействие на характеристики сопротивления изоляции поверхности, что видно на рисунке 1.

Рисунок 1. Поглощение влаги после нанесения конформного слоя

 

Отверждение под действием ультрафиолетовых лучей

Стеклование

Паста

Паста

Паста

Примечание

 

Уретановые гибриды

 

А

Б

В

 
 

А

 

1

1

1

Полное отслаивание, сочетание с пастой «В» показало самый худший результат

 

Б

25

3

1

4

Частичное отслоение

 

В

3

4

3

4

Проблемы со смачиванием, незначительное отслоение

 

Г

60

5

5

5

Великолепный результат, без отслоения

Рисунок 2. Результаты по шкале от 1 до 5 (от низшей к высшей оценке)

Результаты показали отсутствие отслоения кремния. Отслоение можно легко заметить при проведении соответствующего испытания (см. рисунок ниже). При проведении испытаний мы использовали следующий температурный профиль:

Рисунок 3. Профиль

Рисунок 4. Перед термоударом

Рисунок 5. «Паста 55». Отслаивание после термоудара

При этом, если паяльная паста представляет собой паяльную пасту для пайки азотом с низким содержанием или не образующую остаток, отслаивания не происходит.

Рисунок 6. «Паста 16» (с низким содержание остатка/не образующая остаток). Перед термоударом

Рисунок 7. «Паста 16». После термоудара/без дефектов

Представляем вам несколько фотографий, которые демонстрируют отслоение при использовании твердых флюсов и более твердого уретанового покрытия.

Фотография 3. Кристаллические остатки флюса на печатной плате

Фотография 4. Налипание кристаллических остатков флюса на покрытие

Фотография 5. То же в увеличенном масштабе

Фотография 6. То же в увеличенном масштабе

Конформные покрытия не спаиваются герметично со всеми испытанными материалами, имеющими разную степень паропроницаемости. В данном случае при попадании влаги на покрытие, мягкие остатки паяльной пасты впитывают влагу и создают разновидность «кастрюли-скороварки» для образования коррозионных и электрических дефектов (как показано на рисунке 9).

На рисунке 8 (см. ниже) приводятся результаты испытания на сопротивление изоляции поверхности, которые демонстрируют начальный этап формирования дендритов. Испытания проводились при температуре 85 °C и относительной влажности 85 %. Испытания на сопротивление изоляции поверхности проводились при температуре 40 °C и относительной влажности 90 %. Результаты этих испытаний выявили меньшее количество дефектов по сравнению с испытаниями, проведенными при температуре 85 °C и относительной влажности 85 %.

Рисунок 8. IPC 2.6.3.7 Испытания на сопротивление изоляции поверхности (материал пасты с конформным покрытием)

На рисунке ниже показан гребенчатый проводящий рисунок, полученный при температуре 85 °C и относительной влажности 85 %. Намечается рост дендритов.

Рисунок 9. Гребенчатый проводящий рисунок/без дендритов

Прочность сцепления с платой и остатками флюса можно определить решетчатым срезом и наложением клейкой ленты, которая поможет проверить адгезию, как показано на рисунках 10 и 11.

Рисунок 10. Ультрафиолетовое излучение/хорошая адгезия

Рисунок 11. Ахроматический свет/хорошая адгезия

Заключение. Настоящая статья написана по результатам сотни исследований и многих вариантов сочетания материалов. Изучить все возможные сочетания остатков и доступных покрытий представляется слишком сложной задачей. Для целей настоящей статьи мы выбрали ключевые данные, которые способны представить обобщенные выводы по полученной информации, а также послужить практическим руководством тем инженерам, которые склоняются к использованию данной технологии для решения своих монтажных задач.

На основании полученных результатов можно сделать вывод о том, что конформные покрытия можно смело использовать с безотмывочным флюсом для монтажа различных компонентов. При этом абсолютно необходимо провести предварительные испытания и удостовериться в том, что покрытие сможет обеспечить необходимую степень защиты и решить монтажные задачи.

Использование низко посаженных компонентов и потенциальная возможность удалять водорастворимые органические остатки заставляют инженеров обращать внимание на безотмывочную технологию. После оценки рисков водорастворимых и безотмывочных материалов предпочтение всегда отдается последним. Еще одна важная причина обращения к безотмывочным материалам – сокращение расходов на сам процесс очистки и его оборудование.

Кроме того, поскольку конформное покрытие продолжает оставаться единственной приемлемой технологией сокращения влияния на окружающую среду олова наряду с получающим широкое распространение запретом RoHS (Директива ЕС по ограничению использования опасных веществ) на использование олова, мы можем предсказать, что безотмывочные составы и соответствующие покрытия со временем станут повсеместным явлением.