Alles, was Sie über Conformal Coating wissen müssen

Conformal Coating ist ein leichtes Material, das auf Leiterplatten aufgebracht wird und als Schutzschicht dient. Diese Beschichtung schützt Leiterplatten und Bauteile vor verschiedenen Umweltfaktoren, darunter Hitze, Luftfeuchtigkeit, Nässe, ultraviolettes Licht, chemische Verunreinigungen oder abrasive Materialien. Konforme Beschichtungen haben zudem auch thermische und elektrische Isolationseigenschaften, die dabei helfen, die Betriebseigenschaften Ihres Stromkreises zu kontrollieren.

Der Hauptvorteil des Auftragens einer konformen Beschichtung besteht darin, dass sie die Lebensdauer Ihrer Leiterplatte verlängert und die Ausfallraten von Komponenten aufgrund von Umweltfaktoren verringert. Dieser Schutz verbessert folglich die Zuverlässigkeit Ihres Geräts und senkt gleichzeitig die Kosten für den Austausch von Hardware, die sonst möglicherweise vorzeitig ausgefallen wäre.

Es gibt verschiedene Arten von Conformal Coating, wobei jede davon einzigartige Merkmale, Eigenschaften und Vorteile besitzt. Das Ziel dieses Artikels ist es, genau zu erklären, welche Vorteile Ihnen eine konforme Beschichtung bietet und welcher Typ für Ihre spezifische Anwendung die beste Option darstellt.

Arten von Conformal Coating

Jede Art von Beschichtung hat also einzigartige Eigenschaften und Merkmale, die für bestimmte Anwendungen besser oder schlechter geeignet sind. Hier sehen wir uns die fünf wichtigsten Arten von konformen Beschichtungen auf dem Markt an: Acryl-, Silikon-, Polyurethan-, Epoxid- und Parylen-basierte Beschichtungen.

Beschichtungen auf Acrylbasis

Die Haupteigenschaften von Conformal Coating auf Acrylbasis sind ihre niedrigen Kosten und einfache Aufbringung, wodurch sie sich ideal für Hobbyelektronik eignen. Sie können diese Beschichtung mit verschiedenen Techniken auftragen, darunter Tauchen, Sprühen oder Pinselauftrag. Außerdem lassen sie sich leicht mit einem nicht-aggressiven Lösungsmittel (wie Isopropanol) entfernen; beispielsweise, wenn die Leiterplatte modifiziert oder repariert werden muss.

Acrylharze schützen langfristig vor Feuchtigkeit und bieten eine gute UV-Beständigkeit. Das macht sie zu einem idealen Kandidaten für Leiterplatten, die direkter Sonneneinstrahlung ausgesetzt sind.

Der Nachteil dieser erschwinglichen und praktischen Lösung ist, dass die Beschichtung wenig oder gar keine Beständigkeit gegenüber Lösungsmitteln bietet und durch Temperaturen von über 125 °C (250 °F) negativ beeinflusst wird. Diese Einschränkungen können die Zahl der geeigneten Anwendungen für diese Art von Beschichtung begrenzen.

Beschichtungen auf Silikonbasis

Die Haupteigenschaft von silikonbasierten konformen Beschichtungen ist ihre Elastizität nach dem Aushärten. Sie bieten folglich einen guten Schutz für die Leiterplatte gegenüber Verlusten durch Vibration oder hohe mechanische Belastungen. Darüber hinaus bietet Silikon eine hervorragende Beständigkeit gegen Feuchtigkeit, Korrosion und chemische Verunreinigungen. Das Material verfügt außerdem über gute Haftungseigenschaften mit PCB-Materialien, was die Aufbringung erleichtert.

Der Hauptvorteil dieses Materials ist also der Hitzeschutz, den es für einen weiten Temperaturbereich bietet. Dadurch können Leiterplatten entweder Komponenten enthalten, die eine hohe Wärmebelastung erzeugen, oder die Leiterplatte selbst befindet sich in einer Umgebung mit extremen Temperaturen. Die Beschichtung kann problemlos Temperaturen von bis zu etwa 200 °C (400 °F) standhalten.

Der Nachteil dieser flexiblen Lösung ist, dass die Beschichtung einen deutlich höheren Wärmewiderstand als andere Beschichtungstypen aufweist. Das wiederum kann die Wärmeableitung behindern, da die Beschichtung als Wärmebarriere zwischen der Leiterplatte und ihren montierten Komponenten wirken kann.

Beschichtungen auf Polyurethan-Basis

Die Haupteigenschaften von konformen Beschichtungen aus Polyurethan oder Urethan sind ihre Zähigkeit, Haftung und starke Beständigkeit gegenüber Lösungsmitteln und anderen chemischen Verunreinigungen. Folglich schützt dieses Material Leiterplatten, die rauen Umgebungen ausgesetzt sind. Die US Food und Drug Administration (FDA) hat Polyurethan auch für medizinische Geräte zugelassen.

Der Nachteil dieses robusten Schutzes ist, dass der Aushärtungsprozess entweder eine kontrollierte Erwärmung in einem Ofen über einen längeren Zeitraum erfordert oder, abhängig von der Rezeptur des Materials auf Urethanbasis, die Einwirkung von UV-Licht notwendig ist. Daher eignet sich dieser Aushärtungsprozess besser für die kommerzielle Fertigung als für die Herstellung von Prototypen in kleinen Stückzahlen oder für Hobbyplatinen.

Ein weiterer Nachteil ist, dass sich die Beschichtung nach dem Auftragen folglich nur schwer entfernen lässt, was spätere Änderungen oder Reparaturen an der Leiterplatte erschwert oder gar gänzlich verhindert.

Beschichtungen auf Epoxidbasis

Conformal Coating auf Epoxidbasis sorgt für eine robuste und glatte Oberfläche, die gegen Absplittern oder Rissbildung resistent ist. Diese Art der Beschichtung bietet also einen guten Schutz vor Abrieb und Eindringen von Feuchtigkeit. Der Hauptvorteil von Acrylharzen ist der Schutz gegen chemische Verunreinigungen, einschließlich Lösungsmitteln, was sie ideal für den Einsatz in rauen Industrieumgebungen macht.

Ein Nachteil dieser Beschichtungsart ist die Komplexität der Vorbereitung und Aufbringung des Epoxidmaterials. Epoxid ist ein zweiteiliges Material, das aufgrund der sehr schnellen Aushärtungszeit (die normalerweise in Minuten gemessen wird) unmittelbar vor der Anwendung angemischt werden muss. Dieser Vorbereitungs- und Aufbringungsprozess erfordert spezielle Ausrüstung, beispielsweise um die Mischphase durchzuführen, das Material mit Tauch-, Sprüh- oder Pinseltechniken aufzutragen und alle unerwünschten Rückstände zu entfernen — und all das noch bevor es aushärtet. 

Ein weiterer Nachteil von Material auf Epoxidbasis ist, dass es zu einer harten Beschichtung aushärtet, die fast keine Flexibilität bietet, wenn sich die Leiterplatte aufgrund von Wärmeausdehnung und -kontraktion oder von außen einwirkenden mechanischen Kräften bewegt oder biegt. Diese Steifheit kann sich in einer Differenzialbewegung zwischen der Leiterplatte und der Beschichtung niederschlagen, wodurch Scherkräfte auf alle Komponenten oder Leitungen ausgeübt werden, die durch die Beschichtung verlaufen und über eine Lötverbindung an der Leiterplatte befestigt werden. Darüber hinaus verhindert diese Steifheit auch nachträgliche Änderungen oder Reparaturen an der Leiterplatte.

Beschichtungen auf Parylenbasis

Die Haupteigenschaften von konformen Beschichtungen auf Parylenbasis sind ihre geringe Wärmeausdehnung und ihre hohe Durchschlagsfestigkeit für Spezialanwendungen. Darüber hinaus bietet es in angemessenen Temperaturbereichen eine gute Beständigkeit gegenüber chemischen Verunreinigungen und Abnutzung. Die US-amerikanische FDA hat diese Art von Beschichtung auch für den Einsatz in medizinischen Anwendungen genehmigt.

Der größte Nachteil dieses Beschichtungsmaterials ist, dass es mit chemischer Gasphasenabscheidungs-Technologie (Chemical Vapor Deposition, CVD) aufgebracht werden muss, was es für die meisten nicht-kommerziellen oder kleinvolumigen Leiterplattenentwickler unpraktisch macht. Wo diese Technologie verfügbar ist, muss die Beschichtung jedoch nicht aushärten, was den Prozess schnell und ideal für die Serienproduktion macht.

Weitere Überlegungen zu Conformal Coating

Thermische Eigenschaften

Die wichtigste Überlegung bei der Auswahl des geeigneten Materials für eine konforme Beschichtung ist die Betriebstemperatur der Leiterplatte im Worst-Case-Szenario. Denn die maximale Temperatur kann bestimmen, welche konformen Materialien ideal für den Einsatz sind, oder auch eine Überprüfung der Wärmemanagementstrategie erfordern, um die Temperaturen im Vorhinein auf den akzeptablen Bereich des bevorzugten Beschichtungstyps zu reduzieren.

Weitere Einschränkungen können folgende Punkte darstellen: die thermischen Eigenschaften des Beschichtungsmaterials und dessen Auswirkungen auf das Wärmemanagement der Leiterplatte in Bezug auf die Beeinträchtigung der Wärmeableitungsraten, der Wege des Wärmeenergieflusses sowie die Veränderung der erwarteten Wärmeausdehnungseigenschaften. Einige konforme Beschichtungen sind beispielsweise stark isolierend und können Wärme speichern, während andere wärmeleitfähiger sind und daher Wärme effektiver ableiten können. Aufgrund der thermischen Eigenschaften können Änderungen an der Platzierung von Komponenten oder die Einbeziehung zusätzlicher Wärmemanagementlösungen erforderlich sein.

Umwelteigenschaften

Eine weitere Einschränkung stellt die Betriebsumgebung der Leiterplatte dar, vor allem hinsichtlich des Vorliegens von Feuchtigkeit, abrasiven Partikeln, Chemikalien (einschließlich Lösungsmitteln) oder anderen Substanzen, die sich auf die Leiterplatte und ihre Bauteile auswirken können.

Von Bedeutung sind zudem die physikalischen Eigenschaften des Beschichtungsmaterials und seine Auswirkungen auf die Leistung des Boards, u.a. bei Betriebsbeanspruchungen und Vibrationen. Eine starre Beschichtung, die sich nicht mit der Leiterplatte bewegt, führt zu mechanischen Spannungen, beispielsweise, wenn ein Objekt von mehreren Bauteilen gehalten wird, einschließlich Bauteilfüßen und Drähten, die an die Leiterplatte gelötet sind. Dies kann Änderungen an der Konstruktion der Platine oder des Gehäuses erforderlich machen, um jene Auswirkungen erfolgreich zu managen.

Aufbringungseigenschaften

Konforme Beschichtungen werden typischerweise durch Tauch-, Sprüh-, Pinsel- oder Dampfabscheidungstechniken aufgetragen. Welche Methode am besten geeignet ist, hängt von verschiedenen Dingen ab: der Größe der Leiterplatte, der Art der Bauteile und ihrer Platzierung, dem Produktionsvolumen und auch dem Budget. Bei kleinen Produktionsmengen ist das Auftragen mit Pinsel oder Spraydose normalerweise die praktischste Methode.

Ein weiterer Gesichtspunkt bei der Wahl der Beschichtung ist die Fähigkeit des Beschichtungsmaterials auf dem Kartonsubstrat zu haften. Leiterplatten sind in einer Reihe von Substratmaterialien erhältlich; diese wiederum können die Haftung der Beschichtungsmaterialien beeinflussen. Darüber hinaus wirkt sich auch die Sauberkeit der Leiterplatte auf die Haftung aus. Die Verwendung von Reinigungstechniken, wie etwa Lösungsmittel oder einem Ultraschallbad vor dem Auftragen der konformen Beschichtung, kann das Risiko von Haftungsproblemen nach dem Auftragen verringern.

Sobald Sie ein Material für Ihre konforme Beschichtung ausgewählt haben, müssen Sie als nächstes die Anforderungen an die Schichtdicke berücksichtigen. Hier ist es wichtig, die richtige Balance zu finden; es gilt entsprechend die Vor- und Nachteile einer dünnen gegenüber dicken Beschichtung abzuwägen. Beispielsweise verringert eine dünnere konforme Beschichtung das Risiko von Rissen oder der Entstehung mechanischer Spannungspunkte aufgrund von Differenzialbewegungen. Im Gegenzug bietet sie jedoch möglicherweise keinen ausreichenden Schutz vor Feuchtigkeit oder chemischen Verunreinigungen, was wiederum eine dickere Beschichtung tun würde.

Ein weiterer wichtiger Faktor für die Beschichtungsdicke ist der Wärmeausdehnungskoeffizient. Dieser Parameter ist für jeden Beschichtungstyp unterschiedlich und kann von Marke zu Marke stark variieren. Der Wärmeausdehnungskoeffizient der Beschichtung kann ein Problem darstellen, wenn Ihre Leiterplatte starken Temperaturschwankungen ausgesetzt und die Beschichtung nicht gut auf die Leiterplatte abgestimmt ist. Diese Situation kann aufgrund mechanischer Belastungen zu einem vorzeitigen Ausfall von Komponenten führen. Wie bereits gesagt hat jeder Beschichtungstyp eine empfohlene Dicke, typischerweise im Bereich von 25 bis 250 Mikrometern.

Design von Conformal Coating

Es ist vorteilhaft, die Spezifikation für Conformal Coating schon als Teil des PCB-Designs zu berücksichtigen. Mit Tools wie Altium Designer kann die Spezifikation der konformen Beschichtung ein integraler Bestandteil des Leiterplatten-Designs sein. Mit dieser Funktion können Sie die Details abhängig vom gewählten Toolset im Rahmen der Designprüfung über die Altium 365-Plattform oder andere Datenexportrouten mit einem Fertigungspartner teilen.

Weitere Informationen zu diesem Vorgang finden Sie im Video zu diesem Artikel.

Zusammenfassung

Das Aufbringen von Conformal Coating auf Ihre Leiterplatte ist wichtig, um Ihr Gerät vor der Betriebsumgebung zu schützen, die Ausfallrate zu verringern und seine Lebensdauer zu verlängern. Die Auswahl des am besten geeigneten Beschichtungsmaterials erfordert jedoch, die Schutzeigenschaften der einzelnen Typen gegen Ihre Bedürfnisse und die praktischen Aspekte der Aufbringung abzuwägen. Manche Materialien eignen sich zum Beispiel nur für die kommerzielle Massenproduktion, während andere ideal für Hobby-Platinenentwickler mit einem knappen Budget und begrenzten Möglichkeiten sind.

Um Ihnen bei der Entscheidungsfindung zu helfen, gibt Ihnen Altium Designer die Möglichkeit, eine Leiterplattenlage für die konforme Beschichtung zu erstellen und festzulegen, welches Beschichtungsmaterial auf welche Leiterplattenbereiche aufgetragen werden soll. Diese Informationen können während des Designprozesses leicht mit dem Leiterplattenhersteller ausgetauscht werden, um Probleme frühzeitig zu erkennen und Kompatibilitätsprobleme schnell zu lösen.