絶縁保護コーティングについて知っておくべきことのすべて

絶縁保護コーティングは、PCBに塗布する軽量素材で、保護層として機能します。熱、湿度、湿気、紫外線、化学汚染物質、研磨材などのさまざまな環境要因から回路基板やコンポーネントを保護します。絶縁保護コーティングには、回路の動作特性の管理に役立つ熱絶縁特性と電気絶縁特性もあります。

絶縁保護コーティングを塗布する主な利点は、回路基板の寿命が延び、環境要因によるコンポーネントの故障率が低減することです。この保護材により、機器の信頼性が向上し、早期に故障したハードウェアの交換に関連するコストが削減されます。

絶縁保護コーティングにはいくつかの種類があり、それぞれに独自の特性、特性、利点があります。この記事では、絶縁保護コーティングがどのような利点をもたらすのか、特定の用途にはどのタイプが最適なのかを正確に説明することを目指しています。

絶縁保護コーティングの種類

どの種類のコーティングにも、特定の用途に適した独自の特性があります。ここでは、市場の5つの主要な絶縁保護コーティングタイプ（アクリル、シリコン、ポリウレタン、エポキシ、パリレン系）を見ていきます。

アクリル系コーティング

アクリル系の絶縁保護コーティングの主な特徴は、低コストと塗布の容易さであり、ホビー電子機器に最適です。このコーティングは、浸漬、スプレー、刷毛塗りなどのさまざまな手法を使って塗布できます。また、回路基板の変更や修理が必要な場合は、イソプロパノールなどの低刺激性の溶剤を使って簡単に除去できます。

アクリル樹脂は長期にわたって湿気から保護し、紫外線（UV）への耐性も優れているため、直射日光にさらされる回路基板に最適です。

価格が手ごろで実用的なこの解決策の欠点は、コーティングの耐溶剤性がほとんどまたはまったくなく、摂氏125度（華氏250度）を超える温度で悪影響を受けることです。このような制約があるため、このタイプのコーティングに適した用途は制限されるかもしれません。

シリコン系コーティング

シリコン系の絶縁保護コーティングの主な特徴は、硬化後の弾力性が保持され、回路基板への振動や高い機械的応力レベルの影響からしっかりと保護します。さらに、シリコーンは湿気や腐食に対する優れた耐性と化学汚染に対する優れた耐性を備えています。この材料は、PCB材との接着特性も良好で簡単に塗布できます。

この材料の主な利点は、幅広い温度範囲で保護を提供できることです。たとえば、回路基板には高い熱負荷を生成する部品が含まれているか、基板が極端な温度環境に置かれている可能性があります。このコーティングは、摂氏約200度（華氏約400度）までの温度に容易に対応できます。

この柔軟なソリューションの欠点は、コーティングの熱抵抗が他のコーティングタイプに比べて著しく高いことで、回路基板と実装部品との間で熱障壁として作用し、放熱を妨げる可能性があります。

ポリウレタン系コーティング

ポリウレタンまたはウレタンの絶縁保護コーティングの主な特徴は、その強靭性、密着性、溶剤などの化学汚染に対する強い耐性です。当然のことながら、この材料は過酷な環境にさらされる回路基板を保護できます。米国食品医薬品局（FDA）も医療機器用にポリウレタンを承認しました。

この強固な保護材の欠点は、硬化プロセスの際、ウレタン系の材料の配合に応じてオーブンで長時間制御しながら加熱するか、紫外線にさらす必要があることです。そのため、この硬化プロセスは少量の試作品製作や趣味で作る基板よりも商業生産に適しています。

もう1つの欠点は、コーティングを一度塗布すると除去するのが難しく、その後の基板の修正や修理ができなくなることです。

エポキシ系コーティング

エポキシ系の絶縁保護コーティングは、欠けやひび割れに強い、丈夫で滑らかな仕上げを実現し、摩耗や湿気の侵入に対して優れた保護を提供します。アクリル樹脂の主な利点は、溶剤などの化学汚染からの保護にあり、過酷な産業環境での使用に最適です。

このタイプのコーティングの欠点の1つは、エポキシ材の準備と塗布が複雑なことです。エポキシは2液性素材であり、硬化時間が通常数分と非常に速いため塗布の直前に混合する必要があります。この準備と塗布のプロセスでは、混合段階を行い、浸漬、スプレー、またはブラッシング技術を使用して材料を塗布し、硬化する前に不要な残留物を除去するための専用機器が必要です。

エポキシ系材料のもう1つの欠点は、硬化して強固なコーティングを形成するので、熱膨張や収縮、または外部から加えられた機械的な力によって回路基板が動いたり曲がったりした場合に柔軟性が得られません。この剛性は、基板とコーティング間の差動運動に変換され、はんだ接合を使って基板に取り付けるためにコーティングを貫通する部品または配線にせん断力が加わります。さらに、この強固さは、その後の基板の改造や修理の妨げにもなります。

パリレン系コーティング

パリレン系の絶縁保護コーティングの主な特徴は、専門用途向けの低熱膨張と高い絶縁耐力です。また、適切な温度範囲において化学汚染や摩耗への優れた耐性があります。米国FDAは、このコーティングを医療用途で使用することを承認しています。

このコーティング材の主な欠点は、化学蒸着（CVD）技術を使って塗布する必要があるため、ほとんどの非営利または少量の回路基板開発者には実用的ではないことです。ただし、この技術が利用可能な場合、コーティングを硬化させる必要がないためプロセスが高速になり、大量生産に最適です。

絶縁保護コーティングに関する考慮事項
 

熱特性

適切な絶縁保護コーティング材を選択する際に主に考慮する必要があるのは、回路基板の最悪の場合の動作温度です。最高温度によって、使用に最適な絶縁保護材が制限される場合や、望ましいコーティングタイプの許容範囲まで温度を下げるために熱管理戦略を再検討する必要がある場合があります。

もう1つの制約は、コーティング材の熱特性と、放熱速度や熱エネルギーの流れの経路への干渉、予想される熱膨張特性の変化という点の、基板の熱管理ソリューションへの影響です。たとえば、絶縁保護コーティングの中には、断熱性が高く熱を保持できるものもありますが、熱伝導性が高く熱をより効果的に放散できるものもあります。熱特性により、部品の配置の変更や追加の熱管理ソリューションの導入が必要になる場合があります。

環境特性

さらに上記以外の制約として、湿気、研磨粒子、溶剤などの化学物質、または回路基板とその部品に影響しかねないその他の物質の存在といった、回路基板の動作環境があります。

コーティング材の物理的特性と、動作ストレスや振動にさらされたときに基板の性能への影響を考慮する必要があります。基板と一緒に動かない硬いコーティングは、基板にはんだ付けされた部品の脚部やワイヤなど、基板とコーティングの両方によって保持された箇所で機械的応力を引き起こします。そのため、基板の設計またはその筐体の設計に変更を加えて影響を管理する必要が生じるかもしれません。

塗布方法の特徴

絶縁保護コーティングは通常、浸漬、スプレー、はけ塗り、または蒸着技術を使って塗布します。どの方法が最適かは、基板のサイズ、部品の種類と配置、生産量、予算によって異なります。少量生産の場合は、通常、刷毛塗りまたは缶スプレーによる塗布が最も実用的な方法です。

コーティングを選択する際にもう一点考慮すべきことは、コーティング材が基板に付着する能力です。回路基板は、コーティング材の接着に影響を与えるさまざまな基板材料で提供されています。さらに、基板の清浄度も接着力に影響します。絶縁保護コーティングを塗布する前に溶剤や超音波洗浄機などの洗浄技術を使用すると、塗布後の付着問題のリスクを軽減できます。

絶縁保護材を選択したら、次に考慮すべきはコーティング厚の要件です。コーティング厚を決めるには、薄いコーティングと厚いコーティングの利点と欠点のバランスをとる必要があります。たとえば、絶縁保護コーティングを薄くすると、差動運動によるひび割れや機械的応力点が発生するリスクが軽減されます。それでも、厚いコーティングほど湿気や化学汚染から十分に保護できないかもしれません。

コーティングの厚さについてもう1つの考慮すべき点は、熱膨張係数です。この特性はコーティングの種類ごとに異なり、メーカーによっても大きく異なる場合があります。基板が大きな温度サイクルにさらされ、コーティング剤が基板にうまく適合していない場合、コーティングの熱膨張係数が問題を引き起こす可能性があります。そのような状況になると、機械的応力によって部品の早期故障につながるおそれがあります。繰り返しになりますが、各コーティング剤のタイプには推奨される厚さがあり、通常は25～250マイクロメートルの範囲になります。

絶縁保護コーティングの設計

回路基板の電気設計の一部に絶縁保護仕様を含めることは、製造プロセスの管理に利点をもたらします。Altium Designerなどのツールを使用すると、絶縁保護コーティングの仕様を回路基板設計の不可欠な部分にすることができます。この機能を使用すると、選択したツールセットに応じて、Altium 365プラットフォームやその他のデータエクスポートルートを使って、設計レビューの一環として製造パートナーと詳細を共有できます。

このプロセスの詳細については、この記事に付属のビデオをご覧ください。

まとめ

機器を動作環境から保護し、故障率を減らし、動作寿命を延ばすには、回路基板に絶縁保護コーティングを塗布することが必要です。ただし、最適なコーティング材を選択するには、各タイプの保護特性とニーズ、塗布の実用性のバランスをとる必要があります。たとえば、材料によっては商業的な大量生産にのみ適しているものもありますが、予算が限られ設備が限られている趣味の基板開発者に最適な材料もあります。

Altium Designerでは、この意思決定を支援するため、絶縁保護コーティング用の基板層を作成し、どのコーティング剤をどの基板領域に塗布するかを指定できます。この情報は、設計プロセス中に基板のメーカーと容易に共有して、潜在的な問題を特定し、互換性の問題を解決できます。