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如何选择三防漆:传统方法VS双组分涂层
录入时间:2020/2/25 11:51:36

专栏作者:Phil Kinner,ELECTROLUBE公司

随着电子产品在日常生活中的作用越来越重要,电子系统的应用也在飞速地向前发展。日益增多的小型化系统,能够以更快的速度更可靠地执行更多的操作,与此同时,随着每一次设计的迭代,系统的尺寸越来越小、重量越来越轻。随着组件的元件密度越来越高,防护外罩、外壳设计的渗透性越来越好,组件的重量不断减轻,使用三防漆对保护组件不受工作环境的影响、确保预期应用中的可靠性达到可接受的要求至关重要,特别是在恶劣环境下运行。

传统的三防漆是很薄的聚合物材料,它的作用是保护组件不受恶劣环境的影响,这些影响包括潮湿、冷凝、盐雾、腐蚀性气体、导电粒子等。涂层还会使元件更加绝缘和隔热,可以把各种元件放得比较近,而且还可以减缓锡须的生长(图1)。


图1:锡须的形成。

为了全面防止腐蚀和提供有效的屏障来减轻可能会导致电子产品短路故障的锡须,最重要的是所有的金属表面都覆盖适当厚度的涂层材料,以提供这些屏障属性。为了充分了解关于涂层覆盖对减轻锡须的作用,IPC TR-57《三防漆:行业现状》白皮书调研了使用各种常见的化学涂料,用各种方法涂敷涂层的几百块电路板,精心地横切这些电路板观察涂层的厚度。结果令人惊讶,在不同类型的元件上发现有许多覆盖率非常低的区域,这些区域的涂层厚度差别很大。鸥翼形器件的典型结果,例如QFP引线,如图2所示。


图2:使用传统的涂层材料的典型横截面揭示不同的覆盖厚度(蓝色层)。

    2K系列涂层由于涂层比较厚和边缘覆盖能力比较好,在保护能力上和传统材料涂层的差别很明显。2K涂层是有机挥发物、快速固化的高性能双组分三防漆,是替代紫外线固化和有机硅材料的无溶剂材料,成本要低于紫外固化材料,而且可以改善大多数在恶劣环境下的硅树脂材料的性能。2K系列中的大多数涂层都是排水性的,抗水浸、抗盐雾和抗潮湿的性能非常好,是汽车电子产品的理想材料。

为什么开发2K系列?

Electrolube公司决定开发新的双组分(2K)保形涂料系统的主要原因很简单,因为人们越来越期待三防漆能够在更高的极限温度下有效工作,能承受更多的热冲击循环,解决白皮书中提到的涂层覆盖问题。许多传统的涂层材料因为不能满足新的最高工作温度,或者不能提供足够的覆盖范围来成功进行各种冷凝测试,而这是全球汽车制造商都必须进行的测试,所以开始变得过时。Electrolube公司还希望消除任何认为涂层材料越厚覆盖效果就越好的误解。涂层过厚会增大涂层和组件上的应力,这些应力在进行热冲击测试时可能会导致灾难性结果,特别是在使用紫外线固化材料时,涂层开裂后就没有任何保护作用。

解决这些难题是发展2K系列的驱动力。Electrolube公司把2K涂层设计成能承受极限高温,并且和封装用树脂的性能一样,在应用时涂敷起来很容易。2K涂层可以涂得更厚,涂敷时不需要在组件或涂层上施加不必要的应力,这避免对产生裂纹的担忧。2K涂层还能达到成功抗冷凝、减少锡须和加强介电功能的各种覆盖要求。2K系列涂层无溶剂、气味很淡、危害小,能够使用户减少挥发性有机化合物的排放,提高生产工艺的安全性。

为什么要使用2K涂料,而不使用单组分涂系统?

在传统的涂层不能对最终使用环境提供必要的保护时,就该考虑使用2K三防漆了。2K涂层可以大幅度提高对整个电路板的保护能力,抗冷凝、抗高湿、抗浸渍和抗腐蚀。加大涂层的覆盖厚度对减轻锡须生长和加强绝缘性能特别有益。2K材料的气味很淡而且是无溶剂材料,在健康和安全方面比其他的化学材料更好。

在和其他类型的涂层相比时,2K系统经过严格的测试,性能表现给人留下非常深刻的印象。在热冲击测试中,它们可以涂得很厚且不开裂,这一事实使它们在覆盖元件引线时可以涂敷得很厚。这提高涂层在电盐雾测试、混合流动气体(MFG)测试和冷凝测试中的性能;传统上,这些严格苛刻的测试制度通常是在汽车认证试验时使用。

2K产品主要特性和好处是什么

和单组分涂层系统相比,100%的固体材料可以提高涂层的厚度和覆盖的范围。可以承受汽车和航空航天的热冲击循环。已经成功研制出对焊点可靠性影响非常小的2K材料。2K涂层材料可以涂得很薄(50 – 75微米)。但是,Electrolube公司设计的、按配方制造和测试的涂层是使用很厚(250 – 300微米)的涂层,目的是保证元件和元件引线的高级封装实现起来更容易。

此外,2K涂层的化学固化速度很快,在80°C下涂层达到完全固化只需要10分钟,显著提高了产量,减少涂敷过程中的工作。例如,2K850是2K系列中的一种快速紫外线固化涂层系统,当暴露在常规微波灯或LED灯下时,它立即干燥,可以触摸。然后在烘箱内固化,可以把电路板装入袋中,没有残留的溶剂气味,也不用担心是否有足够的水分来完成交联过程。整个烘箱的长度可以短到700毫米,这是因为光的强度比较低和波长比较长,危险性比较小,并且固化系统的传送带可以重复使用(图3)。

图 3 :2K 涂层使用的 UV-LED 固化系统。

由于紫外光可能会被高的元件遮蔽,因此需要进行二次固化工艺。2K材料的化学固化可以在6小时内以恒定可靠的速率完成,不需要额外的烘箱工艺。

和传统的单组分涂层系统不同的是,在涂敷时,2K材料会有不同的流动,这种可以改善对边缘的覆盖,不会在任何区域留下未覆盖的问题,例如连接器和BGA。2K可以通过选择性喷涂和针式涂敷器滴涂为用户提供最好的涂敷精度。

涂敷涂层时,要把涂料流的速率控制在适当的低水平,同时还要保持两个组分的混合比例正确,这是关键问题,最近,通过使用专门开发的带有小容积主动进料腔的泵已经克服了这一难题。这种泵把涂料配方的各个组分的流量误差精确控制在±1%之内,在涂敷过程中保持对体积混合比的控制,确保正确的固化和涂布的材料的性能。此外,喷雾头的速度更快,可以达到传统的100%固体材料喷涂速度的三倍,大幅度减少涂敷循环的时间。

2K系列中产品类型有哪些特性?

Electrolube公司的2K三防漆系列基本上结合了封装树脂的韧性、稳定性和容易涂敷的特点。这个系列产品中的例子包括2K550、2K850和2K750保形涂料。

2K550是一种灵活、高性能的涂料,拥有极好的透明度和抗变色、抗潮湿和抗冷凝特性。UL94V-0型柔性聚氨酯涂层的特点是涂层更厚和边缘覆盖更好,而且表现出更好的附着力、硬度和耐划伤性。2K550还能发出荧光,便于检查。

2K850紫外线固化涂料结合了紫外线固化的速度和便利性以及Electrolube的2K系统的优点。2K850的固化速度更快,同时仍然提供高水平的保护。这种聚氨酯涂层是一个重大的发展,有助于加快生产速度,提供一个即时表干的涂层,能够在室温下24小时内完成固化,和它相比,组装行业的湿固化时间平均为8-14天。2K850的工作温度范围在-40~130℃之间,具有良好的热冲击性能,提供一致的化学固化和抗水、抗潮湿、抗盐雾和抗冷凝的强大保护,这使它成为在恶劣条件下要求非常苛刻的电子应用的理想材料。

Electrolube公司还开发了一种新的硅树脂2K三防漆:2K750。这种UL94V-0柔性涂层提供的工作温度宽度范围是-40~+220℃,可以在高达200℃的温度下连续使用。这种坚韧的低应力涂层的热固化速度非常快,在80℃下的固化时间是10分钟,它还可以在环境温度下固化,提供针对大多数焊锡电阻和金属良好的附着力。过渡到使用Electrolube的2K三防漆系列不能使用简单地改造原来的直接涂敷阀门,例如PVA公司的VPX-2KS系列或Nordson ASYMTEK公司的AM系列等阀门。

2K产品要通过哪些测试程序,结果是什么?

所有的2K材料都通过测试,这些测试都遵守BMW公司的GS95011-5汽车标准,并符合IPC-CC-830的要求。BMWGS95011-5汽车标准的测试程序包括有顺序的热冲击、盐雾、腐蚀性气体、温度与湿度循环。除了BMW标准之外,这些材料在安装了免清洗助焊剂的组件上(在-40~+130°C的温度范围内)至少要经过1000次热冲击循环,确保在更厚的膜结构上不会开裂(图4)。


图4:2K850的热冲击性能(-40 ~ +130°C)。

许多电路板在选择性涂敷后进行横截面检查,以确保三防漆的覆盖和厚度达到要求(图5-7)。


图5-7:PCB元件/元件引脚的横截面显示涂层覆盖的例子。

对汽车和航空航天组件进行密集的带电冷凝测试后,与在测试中表现第二好的涂层相比,Electrolube的2K300涂层展示出出色的保护特性。2K材料也经历BMW的结露测试和NPL新的冷凝测试,在表面电阻(SIR)测试电路板上进行的测试得到非常明显的结果,在潮湿条件和干燥条件下的循环测试结果的差别很小(图8和9)。绝缘电阻值很大程度符合预期,这说明潮湿条件和干燥条件的恢复程度相似。低的绝缘电阻值保持很小说明存在腐蚀或电化学迁移(ECM)。


图8:使用SIR测试电路板进行BMW Dewing测试和NPL冷凝测试。


图9:BGA元件上的三防漆的冷凝电阻。

 

2K最适合那些应用?

2K材料非常适合环境严酷而且要求异常严格的应用。这种涂料把耐高温、能长期承受热冲击循环的灵活性,以及无以伦比的耐腐蚀性气体、腐蚀性介质(例如传输和制动部件中的液体)和耐电盐雾能力这些性能结合起来,特别适合汽车应用。冷凝/结露测试将它的防护能力提升到一个新的高度。这种材料还耐盐水浸泡,涂有这种涂层的器件完全浸没在盐水中可以低负载运行至少30小时。

不过,对于军用和航空航天客户,还有工业控制装置和白电制造商来说,2K材料还有其他好处,包括用2K来提高抗冷凝、防止来自昆虫侵扰和破坏,防止液态水的进入和耐腐蚀性气体的能力。

例如,2K材料通常用于高性能工业应用,例如粘合剂、涂料,甚至灌封材料。这种系统由树脂部分和交联剂部分组成,在它们分开来放置时,交联剂部分相当稳定。但是,一旦它们以正确的比例混合,不可阻挡的化学反应就开始了,一直持续到形成固体聚合物为止。通过调整树脂和固化剂的特性,就可以从软橡胶状材料得到高强度的玻璃状材料,它们是各种各样的聚合物。这些材料中的许多材料要用溶剂稀释,这能够提高系统的使用寿命,并且可以使用现有的应用方法。不过,由于溶剂的使用受到限制,Electrolube公司决定把重点放在生产无溶剂溶液。

必须在选择涂敷设备做一些改变吗?

Electrolube公司和通用选择性涂层设备的供应商,例如ANDA、PVA和ASYMTEK公司密切合作,以确保更厚的2K配方得到充分的优化,可以使用商用涂敷器涂敷。他们共同开发和测试了2K涂敷器,向客户提供针对他们现有设备和新设备的升级改造方案。小的改造包括改造计量泵和控制器,确保材料的体积混合比正确,以及使用新的喷雾涂敷器,这种涂敷器在喷雾前可以立即混合材料。

对于精密的工作,还可以通过针式涂敷器来涂敷。例如,经过证明的PVA公司的新的双组分喷雾阀VPX-2KS对使用选择性涂敷系统的用户来说是个非常成功的改进(图10),可以很轻松地适应他们现有的设备,确保很好地控制材料流,改善边缘的清晰度,而且可以更容易地控制涂敷的启动和停止。


图10:使用PVA公司的“VPX-2KS”喷雾阀可以轻松地涂敷2K涂层。 

结论

与单组分涂层相比,双组分(2K)三防漆可以用比较厚的膜完全覆盖元件,这种覆盖无与伦比的抗冷凝、抗腐蚀、锡须缓解特性和加强绝缘性能的特性给人留下深刻印象。2K涂层还具有疏水性,提高防湿和防潮(包括防盐雾)性能,使2K成为汽车电子产品以及其他户外应用的最佳选择。

一些2K材料可以相对容易地重新加工,尽管它们的厚度比较厚,增强涂层的耐化学性能。这个系列中的一些材料的配方是不透明的和有颜色的,这两类2K材料有助于改善机器AOI的识别和人工检查,也可以用来隐藏电路板的设计。和传统的材料相比,由于2K涂敷材料提高对元件引线和其他锋利边缘的覆盖能力,在涂层结构比较薄的情况下,仍然能够显著改善对元件的保护。

无溶剂的2K材料系列显著地提高汽车、航空航天和工业应用中的组件的可靠性,与此同时,这个系列材料的快速固化特性、几乎没有什么气味和在健康与安全方面的特性都比其他100%固体技术要更好,例如紫外固化丙烯酸材料。SMT007 

作者简介:Phil Kinner是Electrolube公司负责三防漆的全球业务与技术总监。Kinner 还是《印刷电路组装厂商指南:针对苛刻环境的敷形涂层》的作者。请访问I-007eBooks.com下载本文这和其他的免费培训主题。


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