Tutto ciò che devi sapere sul conformal coating dei PCB

Il conformal coating, rivestimento conforme, è un materiale leggero applicato ai PCB che svolge la funzione di strato protettivo. Protegge i circuiti stampati e i componenti PCB da vari fattori ambientali, tra cui: calore, umidità, luce ultravioletta, contaminanti chimici e materiali abrasivi. I rivestimenti conformi hanno anche proprietà di isolamento termico ed elettrico, che aiutano a gestire le caratteristiche operative del circuito.

Il vantaggio principale dell'applicazione di un conformal coating è che la protezione prolungherà la durata del circuito stampato e ridurrà le percentuali di guasti dei componenti dovuti a fattori ambientali. Questa protezione migliora di conseguenza l'affidabilità del tuo dispositivo, riducendo i costi associati alla sostituzione di hardware che si è guastato prematuramente.

Esistono diversi tipi di rivestimento conforme PCB e ciascuno ha caratteristiche, proprietà e vantaggi unici. Questo articolo si propone di spiegare con precisione quali sono i vantaggi del conformal coating e qual è la soluzione migliore per la tua applicazione specifica.

Tipologie di conformal coating per schede elettroniche

Ogni tipo di conformal coating per schede elettroniche ha proprietà e caratteristiche uniche adatte per applicazioni specifiche. Ecco le cinque principali tipologie di rivestimento conforme presenti sul mercato: acrilico, silicone, poliuretano, epossidico e parilene.

Rivestimenti conformi a base acrilica

Le caratteristiche principali dei rivestimenti conformi a base acrilica sono il loro basso costo e la facilità di applicazione, che li rendono ideali per l'elettronica amatoriale. Puoi applicare questo rivestimento utilizzando varie tecniche, tra cui immersione, spruzzatura o spazzolatura. Inoltre, sono semplici da rimuovere utilizzando un solvente non aggressivo come l'isopropanolo, nel caso in cui il circuito stampato debba essere modificato o riparato.

Le resine acriliche proteggono dall'umidità a lungo termine e resistono bene all'esposizione ultravioletta (UV), il che le rende ideali per i circuiti stampati esposti alla luce diretta del sole.

Lo svantaggio di questa soluzione economica e pratica è che il rivestimento offre poca o nessuna resistenza ai solventi e risente negativamente delle temperature superiori a 125 gradi centigradi (250 gradi Fahrenheit ). Questi vincoli possono limitare le applicazioni adatte per questo tipo di rivestimento.

Conformal coating a base di silicone

Le caratteristiche principali dei conformal coating a base di silicone sono l'elasticità mantenuta dopo la polimerizzazione, che offre una buona protezione contro gli effetti delle vibrazioni e degli elevati livelli di stress meccanico sui circuiti stampati. Inoltre, il silicone offre un'eccellente resistenza all'umidità e alla corrosione e una buona resistenza alla contaminazione chimica. Il materiale ha anche buone proprietà di adesione con i materiali per PCB, favorendo così l'applicazione.

Il vantaggio principale di questo materiale è la protezione che offre in un’ampia gamma di temperature. Ad esempio, i circuiti stampati possono includere componenti che generano carichi termici elevati oppure la scheda si trova in un ambiente a temperature estreme. Il rivestimento può gestire facilmente temperature fino a circa 400 gradi Fahrenheit (200 gradi centigradi).

Lo svantaggio del conformal coating a base di silicone è che il rivestimento ha una resistenza termica significativamente più elevata rispetto ad altri tipi di rivestimenti, il che può impedire la dissipazione del calore agendo come una barriera termica tra il circuito stampato e i suoi componenti montati.

Conformal coating per schede elettroniche base di poliuretano

Le caratteristiche principali dei conformal coating per schede elettroniche in poliuretano, o uretano, sono la robustezza, l'adesione e la forte resistenza ai solventi e ad altre contaminazioni chimiche. Di conseguenza, questo materiale protegge i circuiti stampati esposti ad ambienti difficili. La Food and Drug Administration (FDA) statunitense ha approvato il poliuretano anche per i dispositivi medici.

Lo svantaggio di questa protezione robusta è che il processo di polimerizzazione richiede un riscaldamento controllato in un forno per un periodo prolungato o l'esposizione alla luce UV, a seconda della formulazione del materiale a base di uretano. Di conseguenza, questo processo di polimerizzazione è più adatto alla produzione commerciale che alla prototipazione di volumi ridotti o alle schede per hobby.

Un altro svantaggio è che il rivestimento è difficile da rimuovere una volta applicato, impedendo successive modifiche o riparazioni alla scheda.

Rivestimenti conformi a base epossidica

I rivestimenti conformi a base epossidica producono una finitura robusta e liscia, resistente alle scheggiature e alle crepe, e offrono una buona protezione contro l'abrasione e l'ingresso di umidità. Il vantaggio principale delle resine acriliche è la loro protezione contro la contaminazione chimica, inclusi i solventi, ideali per l'uso in ambienti industriali difficili.

Uno svantaggio di questo tipo di conformal coating è la complessità della preparazione e dell'applicazione del materiale epossidico. La resina epossidica è un materiale bicomponente che deve essere miscelato immediatamente prima dell'applicazione a causa del tempo di indurimento molto rapido, generalmente di pochi minuti. Questo processo di preparazione e applicazione richiede attrezzature specializzate per eseguire la fase di miscelazione, applicare il materiale utilizzando tecniche di immersione, spruzzatura o spazzolatura e rimuovere eventuali residui indesiderati prima che la resina indurisca. 

Un altro svantaggio del materiale a base epossidica è che polimerizza formando un rivestimento robusto che non offre flessibilità se il circuito stampato si muove o si flette a causa dell'espansione e della contrazione termica o di forze meccaniche applicate esternamente. Questa rigidità può tradursi in un movimento differenziale tra la scheda e il rivestimento, causando l'applicazione di forze di taglio a qualsiasi componente o cablaggio che attraversa il rivestimento per essere attaccato alla scheda tramite un giunto di saldatura. Inoltre, questa robustezza impedisce anche successive modifiche o riparazioni alla scheda.

Conformal coating a base di parilene

Le caratteristiche principali dei conformal coating a base di parilene sono la bassa espansione termica e l'elevata rigidità dielettrica per le applicazioni specialistiche. Inoltre, questo materiale offre una buona resistenza alla contaminazione chimica e all'abrasione in intervalli di temperatura ragionevoli. L'FDA statunitense approva questo rivestimento per l'uso in applicazioni mediche.

Lo svantaggio principale di questo materiale di rivestimento è che richiede l'applicazione tramite la tecnologia CVD (Chemical Vapor Deposition), che lo rende poco pratico per la maggior parte degli sviluppatori di circuiti stampati non commerciali o in volumi ridotti. Tuttavia, quando questa tecnologia è disponibile, il rivestimento non richiede polimerizzazione, rendendo il processo veloce e ideale per la produzione in grandi volumi.

Altre considerazioni sul conformal coating

Proprietà termiche

La considerazione principale nella scelta del materiale di rivestimento conforme adatto è la temperatura limite di esercizio del circuito stampato. La temperatura massima può limitare la gamma di materiali conformi ideali per l'uso o richiedere la riconsiderazione della strategia di gestione termica per ridurre le temperature all'intervallo accettabile del tipo di rivestimento preferito.

Un altro vincolo è rappresentato dalle proprietà termiche del materiale di rivestimento e dal suo impatto sulla soluzione di gestione termica della scheda in termini di interferenza con i tassi di dissipazione del calore e i percorsi del flusso di energia termica e di alterazione delle proprietà di espansione termica previste. Ad esempio, alcuni rivestimenti conformi sono altamente isolanti e trattengono il calore, mentre altri hanno una maggiore conducibilità termica e dissipano il calore in modo più efficace. Le proprietà termiche possono richiedere modifiche al posizionamento dei componenti o l'inclusione di ulteriori soluzioni di gestione termica.

Proprietà ambientali

Un ulteriore vincolo è rappresentato dall'ambiente operativo del circuito stampato riguardante la presenza di umidità, particelle abrasive, prodotti chimici, inclusi solventi, o altre sostanze che possono intaccare il circuito e i suoi componenti.

Le proprietà fisiche del materiale di rivestimento e il relativo impatto sulle prestazioni della scheda quando sono soggette a sollecitazioni operative e vibrazioni. Un rivestimento rigido che non si muove con la scheda causerà sollecitazioni meccaniche nel caso in cui qualsiasi oggetto venga tenuto da entrambi, compresi i piedini dei componenti e i cavi saldati alla scheda. Potrebbe essere necessario modificare la progettazione della scheda o del suo involucro per gestire l'impatto.

Proprietà dell'applicazione

Il rivestimento conforme viene generalmente applicato utilizzando tecniche di immersione, spruzzatura, spazzolatura o deposizione di vapore. Il metodo più adatto dipenderà dalle dimensioni della scheda, dal tipo di componente e dal posizionamento, dal volume di produzione e dal budget. Per piccole produzioni in quantità ridotte, l'applicazione a pennello o a spruzzo è di solito il metodo più pratico.

Un'altra considerazione nella scelta del rivestimento è la capacità del materiale di rivestimento di aderire al substrato della scheda. I circuiti stampati sono disponibili in una gamma di materiali di substrato che influiranno sull'adesione dei materiali di rivestimento. Inoltre, anche la pulizia della scheda influisce sull'adesione: l'utilizzo di tecniche di pulizia come solventi o un bagno a ultrasuoni prima di applicare il rivestimento conforme può ridurre il rischio di problemi di adesione dopo l'applicazione.

Una volta scelto il materiale del conformal coating, la considerazione successiva riguarda i requisiti di spessore del rivestimento. Questa decisione richiede il bilanciamento dei vantaggi e degli svantaggi di un rivestimento sottile o spesso. Ad esempio, un rivestimento conforme più sottile riduce il rischio di crepe o di creazione di punti di stress meccanico dovuti al movimento differenziale. Tuttavia, potrebbe non offrire una protezione sufficiente contro l'umidità o la contaminazione chimica, come invece farebbe un rivestimento più spesso.

Un'altra considerazione sullo spessore del rivestimento è il coefficiente di espansione termica. Questo parametro è diverso per ogni tipo di rivestimento e può variare notevolmente da una marca all'altra. Il coefficiente di dilatazione termica del rivestimento può rappresentare un problema se la scheda è soggetta a notevoli variazioni di temperatura e il rivestimento non è ben adattato alla scheda. Questa situazione può portare al guasto prematuro dei componenti a causa di sollecitazioni meccaniche. Anche in questo caso, ogni tipo di rivestimento ha uno spessore consigliato, in genere compreso tra 25 e 250 micrometri.

Progettare per il rivestimento conforme

Includere le specifiche del rivestimento conforme come parte della progettazione elettrica del circuito stampato offre vantaggi nella gestione del processo di produzione. Strumenti come Altium Designer consentono di inserire le specifiche del rivestimento conforme come parte integrante della progettazione del circuito. Questa funzione permette di condividere i dettagli con un partner di produzione come parte della revisione del progetto utilizzando la piattaforma Altium 365 o altri percorsi di esportazione dei dati, a seconda del set di strumenti scelto.

Scopri di più su questo processo visualizzando il video che accompagna questo articolo.

Conformal coating PCB e Altium Designer

L'applicazione di un conformal coating al circuito stampato è essenziale per proteggere il dispositivo dall'ambiente operativo, riducendo i tassi di guasto e prolungandone la vita operativa. Tuttavia, per scegliere il materiale di rivestimento più adatto è necessario bilanciare le proprietà protettive di ciascun tipo con le tue esigenze e la praticità dell'applicazione. Ad esempio, alcuni materiali sono adatti solo per la produzione commerciale di massa, mentre altri sono ideali per gli sviluppatori di schede amatoriali con un budget ridotto e strutture limitate.

Per aiutarti in questo processo decisionale, Altium Designer ti permette di creare un layer di scheda per il rivestimento conforme e di specificare quale materiale di rivestimento deve essere applicato a quali aree della scheda. Queste informazioni possono essere facilmente condivise con il produttore della scheda durante il processo di progettazione, per identificare eventuali problemi e risolvere i problemi di compatibilità.