На главную ⁄ Статьи о продукции CRC

 

Продукция CRC в статьях

 

04.02.2014: Методы влагозащиты печатных плат.

Радиоэлектронная аппаратура (РЭА) не наделена возможностями саморегулирующейся системы, позволяющими ей приспособиться к изменениям температуры и влажности воздуха в широких пределах. Повышение влажности воздуха, а в предельных случаях и конденсация влаги, приводят к ухудшению диэлектрических свойств изоляционных материалов и в первую очередь – оснований печатных плат (ПП). Доля отказов РЭА под воздействием влаги составляет до 20% при испытаниях и до 40% при эксплуатации. Поэтому при разработке аппаратуры приходится предусматривать специальные меры по ее защите, позволяющие устранить или снизить вредное влияние внешних воздействующих факторов. Полная изоляция РЭА от любых внешних воздействий или, наоборот, её абсолютная открытость при постоянной продувке инертным газом или осушенным воздухом – лишь крайние случаи из всего многообразия используемых методов.

Методы, основанные на дополнительной защите печатных узлов (ПУ) с использованием достижений химии, преимущественно химии полимеров.

Разработкой различных компаундов для герметизации узлов и блоков РЭА занимается целое направление прикладной полимерной химии. Чаще всего эти компаунды представляют собой не содержащие растворителей наполненные эпоксидные или эпоксидно-акрилатные композиции, которыми заливаются небольшие по размерам ПУ. Отверждение таких компаундов в большом объеме сопровождается значительной усадкой и высокими остаточными напряжениями, приводящими к разрыву проводников. Отработка рецептуры и режимов их отверждения для каждой реальной конструкции часто индивидуальна и порой даже близка к шаманству. Существенный недостаток метода – неремонтопригодность изделий.

У многих специалистов слово «влагозащита» ассоциируется с лаковым покрытием. Нанесение дополнительного полимерного покрытия на ПУ – один из наиболее распространенных методов влагозащиты. Это более универсальный и, что немаловажно, более экономичный метод по сравнению с заливкой изделий полимерными компаундами. Традиционно для нанесения покрытия используют лаки, а формирование полимерной пленки на поверхности ПУ происходит чаще всего в результате одновременно протекающих процессов испарения растворителя и реакции поликонденсации связующего. Сравнительные результаты испытаний на влагостойкость ПП без покрытия и с лаковым покрытием показывают, что скорость изменения (уменьшения) сопротивления изоляции в ПП с лаковым покрытием значительно меньше. В ПП с лаковым покрытием несколько выше и конечное значение сопротивления изоляции, хотя при увеличении времени испытаний, вероятно, эта разница исчезнет. Полимерное покрытие работает как дополнительный диффузионный барьер на пути влаги к поверхности ПП, а эффективность этого барьера будет тем выше, чем ниже его диффузионная проницаемость. Как известно, влагопроницаемость полимеров изменяется в довольно широких пределах. Диапазон изменения коэффициента их влагопроницаемости составляет в зависимости от химической природы полимеров (0,01...20)·10-10 г⁄см·ч·Па. Поскольку не из всех полимеров можно сформировать влагозащитные покрытия, удовлетворяющие другим многочисленным специфическим требованиям, реально этот диапазон значительно уже. Поэтому требовать от разработчиков создания абсолютно влагонепроницаемых полимерных покрытий невозможно. Следует отметить, что кроме функции диффузионного барьера, полимерное покрытие выполняет также и не менее важную функцию защиты поверхности ПП от загрязнений и/или случайных замыканий проводников.

Наибольшее распространение для влагозащиты специальной техники получил эпоксидно-уретановый лак УР-231. Уретановый лак УР-231В состоянии поставки – это двухкомпонентная система, состоящая из раствора алкидно-эпоксидной смолы Э-30, изготовленной из смеси тунгового и льняного масел, и отвердителя (70%-ного раствора уретана ДГУ в циклогексаноне). Массовое практическое использование лака УР-231 уже само говорит о том, что по совокупности свойств он превосходит другие лаки аналогичного назначения, предлагаемые отечественными производителями. «Бочку меда» портят лишь жалобы производственников на его «капризность», выражающуюся в нестабильности свойств получаемых из него покрытий. Проанализировав химический состав лака и реальные условия его применения, можно предположить несколько возможных причин этого явления.

Проблемы возникают как у производителя, так и у потребителя. Использование в рецептуре полуфабриката лака экзотического тунгового масла в силу объективных и субъективных причин постоянно провоцирует предприятие-изготовитель на уменьшение количества этого компонента, а в идеале – на отказ от него. Технические характеристики лака, изготовленного только на основе льняного масла, значительно хуже. Кроме того, известно, что получить продукт со стабильными свойствами на основе исходных материалов растительного происхождения, отличающихся нестабильным химическим составом, тоже непросто. У потребителя же проблемы могут возникнуть из-за другой составляющей – уретана ДГУ. Это связано с ограниченным сроком хранения и особыми условиями хранения лака, обусловленными высокой чувствительностью уретана ДГУ к влаге воздуха и повышенной температуре.

Особо следует остановиться на использовании влагозащитных покрытий на кремнийорганической основе. Казалось бы, использование эффекта гидрофобности в таких покрытиях позволит совершить качественный скачок в разработке высокоэффективных влагозащитных покрытий. Однако в нормативно-технической документации кремнийорганические покрытия на основе жидкости 136-41 (ранее ГКЖ-94) рекомендованы для применения лишь в легких и средних условиях эксплуатации. Видимо, это объясняется низкой гидролитической устойчивостью полисилоксановых полимеров, а также сравнительно большим коэффициентом их влагопроницаемости. Во всяком случае, резервы для развития работ в этом направлении далеко не исчерпаны. Об этом, в частности, свидетельствует рекламируемое ЦКБ РМ силоксановое покрытие «универсал», предназначенное для различных целей и в том числе для нанесения влагозащитных покрытий на ПП. В отличие от жидкости 136-41, это однокомпонентная система (раствор полимера в органическом растворителе). Удельное объемное сопротивление этого покрытия (1·1015 Ом·см) внушает оптимизм.

На эффекте гидрофобности основан также принцип действия новых материалов типа "эпилам". Эпиламирующие составы содержат раствор фторсодержащих поверхностно-активных веществ в специально подобранных растворителях. При обработке ПУ фторсодержащее поверхностно-активное вещество адсорбируется поверхностью и образует на ней очень тонкую пленку. После закрепления на поверхности пленка обладает высокими гидрофобизирующими свойствами, а также высокой химической и термической стабильностью. ПП с такими покрытиями при испытаниях на влагостойкость демонстрируют существенное превышение нормы, указанной в п. 2.5.4. ГОСТ 23752 «Платы печатные. ОТУ».

Для получения влагозащитного полимерного покрытия вовсе не обязательно использовать лакокрасочные материалы. Так, предлагается метод вакуумной пиролитической полимеризации. Первые сообщения об использовании формируемых этим методом полипараксилиленовых (париленовых) покрытий относятся к восьмидесятым годам. За рубежом их наносили на корпуса часов, использовали в военной и космической технике. Привлекательность этого метода обусловлена возможностью получения покрытия одинаковой толщины (от единиц ангстрем до десятков микрометров) по всей поверхности, в том числе в труднодоступных местах (щелях, глухих и сквозных отверстиях и др.). К сожалению, это преимущество одновременно является и недостатком, так как влечет за собой усложнение защиты контактных поверхностей на ПУ и соединителях. Для реализации метода разработано специализированное оборудование. По целому ряду причин, особенно экономических, будущее этого метода видится в первую очередь в области микроэлектроники.

Обзор различных полимерных защитных покрытий был бы неполным без упоминания о так называемой «зеленке», хотя зеленый цвет такого покрытия совершенно не обязателен. Поскольку паяльная маска остается на поверхности ПП, то одновременно выполняет и роль влагозащитного покрытия. Различают маску поверх оплавленного припоя (SMOTL) и маску поверх открытой меди (SMOBC). Нанесение маски поверх оплавленного припоя предпочтительнее для ПП, работающих в жестких условиях. Следует отметить, что при использовании групповой пайки волной припой под маской также расплавляется. При этом возможны разрушение маски, появление раковин и образование перемычек между соседними проводниками при высокой плотности монтажа. На ПП с поверхностно монтируемыми компонентами чаще всего наносят маску поверх открытой меди. К сожалению, паяльная маска при всех ее преимуществах не обеспечивает влагостойкость ПУ на 100%, поскольку места пайки ЭРЭ остаются незащищенными.

Принципиально иной подход к решению проблемы повышения влагостойкости печатного монтажа предложен в работе. Как уже упоминалось, влагозащитное покрытие – лишь диффузионный барьер на пути влаги. Что же произойдет, если этот барьер будет пройден? Влага окажется один на один с диэлектриком печатной платы. И влагостойкость будет определяться уже свойствами диэлектрического основания, в первую очередь свойствами его поверхностного слоя. В качестве основания обычно используется стеклотекстолит. Для него, как и для всех композиционных материалов, характерна дефектность структуры, особенно на границе раздела стекло – эпоксидная смола. Следствием этого являются капиллярная пористость, повышенное влагопоглощение и, наконец, снижение электроизоляционных свойств во влажной среде. Поэтому в арсенале разработчиков композиционных материалов накопилось множество приемов, позволяющих уменьшить дефектность структуры. Полностью же устранить ее практически невозможно. Таким образом, изготовители ПП – своеобразные заложники мастерства разработчиков и изготовителей фольгированных стеклотекстолитов. О получаемом результате они могут узнать лишь по завершении технологического процесса изготовления ПП. Однако электроизоляционные характеристики оснований ПП, независимо от исходного состояния стеклотекстолита, можно повышать, используя так называемое полимеризационное наполнение. Суть технологии заключается в том, что дефекты структуры стеклотекстолита устраняются в готовой ПП методом порозаполнения, известным из других областей техники. Для порозаполнения используются полимеризационноспособные композиции на основе бифункциональных мономеров, содержащие вещественные инициаторы полимеризации. Основные операции при этом:

– заполнение дефектов структуры стеклотекстолита, в том числе дефектов структуры эпоксидной смолы, простым погружением ПП в композицию;

– удаление избытка композиции с поверхности ПП промывкой в воде;

– полимеризация композиции в объеме стеклотекстолита при термообработке.

Особенности технологии и состава композиции гарантируют отсутствие заполимеризованной композиции на поверхности контактных площадок и стенок переходных металлизированных отверстий. Использование данной технологии позволяет повысить сопротивление изоляции ПП в среднем на 1–3 порядка, а в отдельных случаях (ремонт многослойных ПП) даже на восемь порядков. Полимеризационное наполнение не исключает использования дополнительного лакового покрытия и/или паяльной маски. Более того, как оказалось, оно эффективно даже для ПП, уже имеющих паяльную маску. Использование предложенной технологии возможно в нескольких вариантах. Первый предусматривает ее применение для ремонта ПП с пониженным сопротивлением изоляции. Доказано, что экономическая и техническая эффективность этого решения не вызывает сомнений. Второе направление – использование технологии в массовом масштабе для повышения надежности ПП. Для изготовителя ПП это потребует дополнительных расходов, а экономический эффект перейдет к потребителю. И, наконец, полимеризационное наполнение может быть успешно использовано для решения актуальной проблемы микроминиатюризации ПП.

В настоящее время на российском рынке широко предлагаются аэрозольные химические препараты различного назначения для производства, эксплуатации и сервисного обслуживания электронного оборудования. Это растворители, лаки, смазки и т.п. Препараты поставляются целым рядом зарубежных фирм под торговыми марками Cramolin, Kontakt Chemie, Chemtronics и др.Защитный гибкий лак на основе уретана KONTAKT CHEMIE Urethan 71 Преимущества аэрозольных препаратов очевидны. Очевидны и потенциальные их потребители. Не вызывает сомнений и эффективность, в том числе экономическая, применения данных препаратов, в первую очередь на стадии освоения производства новых изделий (макетирование, изготовление опытных образцов и установочных партий). Среди многообразия препаратов есть и лаки, предназначенные для влагозащиты ПУ.Лак Специалистов, видимо, больше всего заинтересует аналог лака УР-231 – полиуретановый лак Kontakt Chemie Urethan 71. По данным его разработчиков, покрытие этим лаком образует прочную и гибкую водоотталкивающую пленку с хорошими электроизоляционными свойствами, высокими химической и термостойкостью. Рекомендуются акриловые изоляционные лаки (Kontakt Chemie Plastik 70) и кремнийорганические лаки (Kontakt Chemie Silisol 73).

Зарубежными фирмами предлагаются также различные гидрофобизирующие жидкости, в том числе жидкости, способные вытеснять воду (Kontakt Chemie Fluid 101). Аналогичные жидкости, правда, в менее широком ассортименте, изготавливают и отечественные предприятия. При полимеризационном наполнении дефекты структуры стеклотекстолита в ПП заполняются жидкой композицией, которая при термообработке превращается в твердый полимер с высокими электроизоляционными свойствами. А если жидкость уже сама обладает высокими электроизоляционными, да еще и гидрофобными свойствами, стоит ли ее отверждать? Иногда бывает и так, что натурные испытания проще и дешевле общепринятой процедуры, заканчивающейся типовыми испытаниями. Так вот, печатные узлы на ПП с паяльной маской, поверхность которых дополнительно обработана жидкостью Fluid 101, успешно эксплуатируются на объектах нефтедобычи уже в течение нескольких лет. Конечно, данное решение не следует воспринимать как абсолютную истину. Годами сложившуюся систему постановки изделий на производство никто не отвергает. И будет очень хорошо, если кто-то возьмется за детальную проверку этого решения по классическим канонам. При положительном исходе даже в частных случаях просматривается очень удачное решение проблемы 100%-ной защиты поверхности ПП с паяльной маской и, благодаря этому, отказа от дополнительных лаковых покрытий.

В заключение следует отметить, что проблема повышения влагостойкости печатного монтажа, несомненно, комплексная. Конечный результат, как правило, определяется удачным сочетанием конструктивно-технологических характеристик изделий и тщательным соблюдением технологии изготовления на всех ее этапах.

В. Уразаев. Электроника НТБ. Выпуск #1/2003