Wszystko, co trzeba wiedzieć o powlekaniu konforemnym

Powłoka konforemna to lekki materiał nakładany na PCB, który działa jako warstwa ochronna. Chroni ona obwody drukowane i komponenty przed różnymi czynnikami środowiskowymi, w tym ciepłem, wilgocią, światłem ultrafioletowym, zanieczyszczeniami chemicznymi i materiałami ściernymi. Powłoki konforemne mają również właściwości izolacji termicznej i elektrycznej, aby pomóc w zarządzaniu charakterystyką pracy obwodu drukowanego.

Kluczową korzyścią płynącą z zastosowania powłoki konforemnej jest to, że ochrona wydłuża żywotność obwodu drukowanego i zmniejsza wskaźniki awaryjności komponentów z powodu czynników środowiskowych. Ochrona ta w konsekwencji zwiększa niezawodność urządzenia, a jednocześnie zmniejsza koszty związane z wymianą sprzętu, który uległ przedwczesnej awarii.

Istnieje kilka rodzajów powłok konforemnych, a każda z nich ma unikatowe cechy, właściwości i zalety. Ten artykuł ma na celu dokładne wyjaśnienie, na czym polega ochrona przez powłokę konforemną i który typ jest najlepszą opcją dla konkretnego zastosowania.

Rodzaje powłok konforemnych

Każdy rodzaj powłoki ma unikatowe właściwości odpowiednie do konkretnych zastosowań. Przyjrzymy się pięciu głównym typom powłok konforemnym dostępnym na rynku: akrylowym, silikonowym, poliuretanowym, epoksydowym i tworzonym na bazie parylenu.

Powłoki na bazie akrylu

Głównymi cechami powłok konforemnych na bazie akrylu są ich niski koszt i łatwość nakładania. Dzięki temu idealnie nadają się do elektroniki hobbystycznej. Można nakładać tę powłokę przy użyciu różnych technik, w tym zanurzania, natryskiwania lub szczotkowania. Są one również łatwe do usunięcia przy użyciu nieagresywnego rozpuszczalnika, takiego jak izopropanol, jeśli obwód drukowany wymaga modyfikacji lub naprawy.

Żywice akrylowe chronią przed wilgocią przez długi czas i są odporne na promieniowanie ultrafioletowe (UV). Dzięki temu idealnie nadają się do obwodów drukowanych narażonych na bezpośrednie działanie promieni słonecznych.

Wadą tego niedrogiego i praktycznego rozwiązania jest to, że powłoka taka zapewnia niewielką lub żadną odporność na rozpuszczalniki i niekorzystnie wpływa na nią temperatura powyżej 125 stopni Celsjusza (250 stopni Fahrenheita). Z tego względu tego typu powłoki można stosować tylko w ograniczonym zakresie.

Powłoki na bazie silikonu

Główną cechą powłok konforemnych na bazie silikonu jest ich dobra elastyczność po utwardzeniu, co zapewnia odpowiednią ochronę przed skutkami wibracji i wysokich naprężeń mechanicznych w obwodach drukowanych. Ponadto silikon daje doskonałą ochronę przed wilgocią i korozją oraz dobrą odporność na zanieczyszczenia chemiczne. Materiał ma również dobre właściwości adhezyjne z materiałami PCB, co ułatwia jego stosowanie.

Kluczową zaletą tego materiału jest zapewnienie ochrony w szerokim zakresie temperatur. Obwody drukowane mogą zawierać komponenty generujące duże obciążenia termiczne lub być używane w środowisku o ekstremalnej temperaturze. Powłoka ta z łatwością wytrzymuje temperatury do około 200 stopni Celsjusza (400 stopni Fahrenheita).

Wadą tego elastycznego rozwiązania jest to, że powłoka ma znacznie wyższą oporność termiczną niż inne rodzaje powłok, co może utrudniać odprowadzanie ciepła, gdyż działa jako bariera termiczna między obwodem drukowanym a zamontowanymi na niej komponentami.

Powłoki na bazie poliuretanu

Głównymi cechami poliuretanowych lub uretanowych powłok konforemnych są ich wytrzymałość, przyczepność oraz silna odporność na rozpuszczalniki i inne zanieczyszczenia chemiczne. W rezultacie materiał ten chroni płytki drukowane narażone na trudne warunki środowiskowe. Amerykańska Agencja ds. Żywności i Leków (FDA) zatwierdziła również poliuretan do urządzeń medycznych.

Wadą tej solidnej ochrony jest to, że proces utwardzania wymaga albo kontrolowanego ogrzewania w piecu przez dłuższy czas, albo ekspozycji na światło UV, w zależności od składu materiału na bazie uretanu. W rezultacie ten proces utwardzania jest bardziej odpowiedni do produkcji komercyjnej niż do wykonywania prototypów w małych ilościach lub płytek hobbystycznych.

Kolejną wadą jest to, że powłoka jest trudna do usunięcia po nałożeniu, co uniemożliwia późniejsze modyfikacje lub naprawy obwody drukowanego.

Powłoki epoksydowe

Powłoki konforemne na bazie żywic epoksydowych tworzą twarde i gładkie wykończenie odporne na odpryski i pęknięcia, które zapewnia dobrą ochronę przed ścieraniem i wnikaniem wilgoci. Kluczową zaletą żywic akrylowych jest ich ochrona przed zanieczyszczeniami chemicznymi, w tym rozpuszczalnikami. Dzięki temu jest to rozwiązanie idealne do stosowania w trudnych warunkach przemysłowych.

Wadą tego rodzaju powłoki jest skomplikowany proces przygotowania i nakładania materiału epoksydowego. Żywica epoksydowa jest materiałem dwuskładnikowym, który należy wymieszać bezpośrednio przed zastosowaniem ze względu na bardzo szybki czas utwardzania, zwykle mierzony w minutach. Ten proces przygotowania i stosowania wymaga specjalistycznego sprzętu do przeprowadzenia etapu mieszania, nakładania materiału za pomocą technik zanurzania, natryskiwania lub szczotkowania oraz usuwania wszelkich niepożądanych pozostałości przed utwardzeniem. 

Kolejną wadą materiału na bazie żywicy epoksydowej jest to, że powłoka po utwardzeniu jest sztywna i nie zapewnia elastyczności w sytuacji, gdy obwód drukowany zmienia kształt lub wygina się z powodu rozszerzalności cieplnej i kurczenia się bądź zewnętrznych sił mechanicznych. Sztywność ta może się przekładać na występowanie przesunięć między płytką a powłoką, co powoduje przyłożenie sił ścinających do dowolnego komponentu lub okablowania, które przechodzi przez powłokę w celu przymocowania do płytki za pomocą połączenia lutowanego. Ponadto ta sztywność nie umożliwia też późniejszych modyfikacji lub napraw obwodu drukowanego.

Powłoki na bazie Parylenu

Głównymi cechami powłok konforemnych na bazie parylenu są ich niska rozszerzalność cieplna i wysoka wytrzymałość dielektryczna w specjalistycznych zastosowaniach. Ponadto powłoka ta zapewnia dobrą odporność na zanieczyszczenia chemiczne i ścieranie w rozsądnych zakresach temperatur. Amerykańska agencja FDA zatwierdziła tę powłokę do użytku w zastosowaniach medycznych.

Główną wadą tego materiału powlekającego jest to, że wymaga on nakładania przy użyciu technologii chemicznego osadzania z fazy gazowej (CVD), co czyni go niepraktycznym w przypadku większości projektów niekomercyjnych lub wykonywanych w małej skali. Jednak w sytuacji, gdy ta technologia jest dostępna, powłoka nie wymaga utwardzania. Dzięki temu proces stosowania jest szybki i idealnie nadaje się do produkcji wielkoseryjnej.

Rozważania dotyczące powłok konforemnych
 

Właściwości termiczne

Podstawową kwestią przy wyborze odpowiedniego materiału powłoki konforemnej jest najgorsza możliwa temperatura pracy obwodu drukowanego. Maksymalna temperatura może ograniczyć idealne materiały konforemne możliwe do zastosowania lub spowodować konieczność ponownego rozważenia strategii zarządzania termicznego w celu obniżenia temperatury do dopuszczalnego zakresu preferowanego rodzaju powłoki.

Kolejnym ograniczeniem są właściwości termiczne materiału powłoki i jego wpływ na rozwiązanie do zarządzania temperaturą obwodu drukowanego. Istotna jest szybkość odprowadzania ciepła i ścieżki przepływu energii cieplnej oraz zmiany związane z właściwościami rozszerzalności cieplnej. Na przykład niektóre powłoki konforemne są bardzo izolacyjne i mogą zatrzymywać ciepło, a inne mają większą przewodność termiczną i mogą skuteczniej odprowadzać ciepło. Określone właściwości termiczne mogą wymagać zmian w rozmieszczeniu komponentów lub uwzględnienia dodatkowych rozwiązań w zakresie zarządzania temperaturą.

Właściwości środowiskowe

Kolejnym ograniczeniem jest środowisko pracy obwodu drukowanego w zakresie obecności wilgoci, cząstek ściernych, chemikaliów, w tym rozpuszczalników lub innych substancji, które mogą wpływać na obwód drukowany i jego elementy.

Właściwości fizyczne materiału powłoki i jego wpływ na wydajność obwodu drukowanego pod wpływem naprężeń roboczych i wibracji. Sztywna powłoka, która nie porusza się wraz z płytką, powoduje naprężenia mechaniczne, gdy jakikolwiek obiekt będzie trzymany przez oba elementy, w tym nóżki komponentów i przewody przylutowane do płytki. Może to wymagać zmian w projekcie obwodu drukowanego lub jego obudowy, aby uwzględnić to zjawisko.

Właściwości nakładania

Powłoka konforemna jest zwykle nakładana przy użyciu technik zanurzania, natryskiwania, szczotkowania lub osadzania z fazy gazowej. Dobór najbardziej odpowiedniej metody zależy od rozmiaru płytki, typów komponentów i ich rozmieszczenia, planowanej wielkości produkcji i budżetu. W przypadku niewielkich ilości produkcyjnych najbardziej praktyczną metodą jest zazwyczaj nakładanie za pomocą pędzla lub puszki z aerozolem.

Kolejnym czynnikiem uwzględnianym przy wyborze powłoki jest zdolność materiału powlekającego do przylegania do podłoża płytki. Obwody drukowane są wykonywane na różnych materiałach podłoża, które wpływają na przyczepność materiałów powłokowych. Dodatkowo czystość płytki ma wpływ na przyczepność powłoki. Stosowanie technik czyszczenia, takich jak rozpuszczalniki lub kąpiel ultradźwiękowa przed nałożeniem powłoki konforemnej, może zmniejszyć ryzyko wystąpienia problemów z przyczepnością po nałożeniu.

Kolejną kwestią po wybraniu materiału do powlekania konforemnego jest rozważenie grubości powłoki. Decyzja ta wymaga zrównoważenia korzyści i wad cienkiej lub grubej powłoki. Na przykład cieńsza powłoka konforemna zmniejsza ryzyko pękania lub tworzenia punktów naprężeń mechanicznych spowodowanych przesunięciami między płytką a powłoką. Powłoka taka może jednak nie zapewniać wystarczającej ochrony przed wilgocią lub zanieczyszczeniami chemicznymi, jaką dawałaby grubsza powłoka.

Inną ważną kwestią przy wyborze grubości powłoki jest współczynnik rozszerzalności cieplnej. Ten parametr będzie się różnić dla każdego rodzaju powłoki i może się znacznie różnić u poszczególnych producentów. Współczynnik rozszerzalności cieplnej powłoki może stanowić problem, jeśli płytka jest poddawana znacznym zmianom temperatury, a powłoka nie jest dobrze dopasowana do płytki. Taka sytuacja może prowadzić do przedwczesnej awarii komponentu z powodu naprężeń mechanicznych. Każdy rodzaj powłoki będzie miał zalecaną grubość, zwykle w zakresie od 25 do 250 mikrometrów.

Projektowanie powłok konforemnych

Uwzględnienie specyfikacji powłoki konforemnej jako części projektu elektrycznego obwodu drukowanego zapewnia korzyści przy zarządzaniu procesem produkcyjnym. Narzędzia takie jak Altium Designer umożliwiają uwzględnienie charakterystyki powłoki konforemnej, aby była integralną częścią projektu obwodu drukowanego. Ta funkcja umożliwia udostępnianie szczegółów partnerowi produkcyjnemu trakcie weryfikacji projektu przy użyciu platformy Altium 365 lub innych możliwości eksportu danych, w zależności od wybranego zestawu narzędzi.

Możesz dowiedzieć się więcej o tym procesie, oglądając film towarzyszący temu artykułowi.

Wnioski

Nałożenie powłoki konforemnej na obwód drukowany ma zasadnicze znaczenie w kontekście ochrony urządzenia przed negatywnym wpływem środowiska pracy. Pozwala zmniejszyć wskaźniki awaryjności i wydłużyć żywotność obwodu. Wybór najbardziej odpowiedniego materiału powłoki wymaga jednak zrównoważenia właściwości ochronnych każdego typu powłoki z aktualnymi potrzebami i praktycznymi aspektami jej nakładania. Niektóre materiały nadają się na przykład tylko do masowej produkcji komercyjnej, a inne są idealne dla twórców hobbystycznych obwodów drukowanych z napiętym budżetem i ograniczonymi możliwościami.

Aby pomóc w podejmowaniu decyzji, program Altium Designer umożliwia utworzenie warstwy obwodu drukowanego dla powłoki konforemnej i określenie, który materiał powłoki powinien zostać zastosowany do poszczególnych obszarów płytki. Informacje te można łatwo udostępnić producentowi obwodu drukowanego podczas procesu projektowania, aby zidentyfikować potencjalne trudności i rozwiązać problemy z kompatybilnością.