Обзор методов влагозащиты печатного монтажа
Современная радиоэлектронная аппаратура (РЭА) не обладает свойствами саморегулировки, которая позволяет ей приспособиться к изменениям температуры и влажности воздуха в широких пределах.
Повышение влажности воздуха, а в предельных случаях и конденсация влаги, приводят к ухудшению диэлектрических свойств изоляционных материалов и в первую очередь – оснований печатных плат (ПП).
Величина отказов РЭА под воздействием влаги составляет 6–21% и 19–42%, на этапах испытаний и эксплуатации. Исходя из этого необходимо предусматривать специальные защитные меры при разработке аппаратуры.
Эти меры позволяют устранить или снизить вредное воздействие климатических факторов.
Полная изоляция РЭА от любых внешних воздействий или, наоборот, ее абсолютная открытость при постоянной продувке инертным газом или осушенным воздухом – лишь крайние случаи из всего многообразия используемых методов.
Далее будем говорить о способах, основанных на дополнительной защите печатных узлов (ПУ) с использованием достижений химии полимеров.
Разработкой различных компаундов для герметизации узлов и блоков РЭА занимается целое направление прикладной полимерной химии.
В большинстве случаев эти компаунды представляют собой не содержащие растворителей наполненные эпоксидные или эпоксидно-акрилатные композиции, которыми заливаются небольшие по размерам ПУ.
Отверждение таких компаундов в большом объеме сопровождается значительной усадкой и высокими остаточными напряжениями, приводящими к разрыву проводников. Отработка рецептуры и режимов их отверждения для каждой реальной конструкции часто индивидуальна и порой даже близка к шаманству.
Существенный недостаток этого метода – неремонтопригодность изделий.
Нанесение дополнительного полимерного покрытия на ПУ – один из наиболее распространенных методов защиты от влаги. Это более универсальный и, что немаловажно, более экономичный метод по сравнению с заливкой изделий полимерными компаундами.
Традиционно для нанесения покрытия используют лаки, а формирование полимерной пленки на поверхности ПУ происходит чаще всего в результате одновременно протекающих процессов испарения растворителя и реакции поликонденсации связующего.
Сравнительные результаты испытаний на влагостойкость и воздействие климатических факторов на печатные платы без покрытия и с лаковым покрытием показывают, что скорость изменения (уменьшения) сопротивления изоляции в ПП с лаковым покрытием значительно меньше.
В печатных платах с лаковым покрытием немного больше и конечное значение сопротивления изоляции, хотя при увеличении времени испытаний, вероятно, эта разница исчезнет.
Полимерное покрытие работает как дополнительный диффузионный барьер на пути влаги к поверхности ПП, а эффективность этого барьера будет тем выше, чем ниже его диффузионная проницаемость.
Как известно, влагопроницаемость полимеров изменяется в довольно широких пределах. Диапазон изменения коэффициента их влагопроницаемости составляет в зависимости от химической природы полимеров (0,01–20)·10-10 г/см·ч·Па.
Так как не все полимеры подходят для формирования влагозащитного покрытия, удовлетворяющие другим многочисленным специфическим требованиям, на практике этот диапазон значительно меньше.
Поэтому требовать от разработчиков создания абсолютно влагонепроницаемых полимерных покрытий невозможно. Важно заметить, что помимо функции диффузионного барьера, полимерное покрытие выполняет также и не менее важную функцию защиты поверхности ПП от загрязнений и/или случайных замыканий проводников.
Наибольшее распространение для влагозащиты специальной техники получил эпоксидно-уретановый лак УР-231. В состоянии поставки – это двухкомпонентная система, состоящая из раствора алкидно-эпоксидной смолы Э-30, изготовленной из смеси тунгового и льняного масел, и отвердителя (70%-ного раствора уретана ДГУ в циклогексаноне).
Массовое практическое использование лака УР-231 подтверждает то, что по совокупности свойств он превосходит другие аналогичные лаки, предлагаемые отечественными производителями. Портят всю картину лишь жалобы производителей о нестабильности свойств, получаемых из данного лака покрытий. Проанализировав химический состав лака и реальные условия его применения, можно предположить несколько возможных причин этого явления.
Проблемы возникают как у производителя, так и у потребителя. Использование в рецептуре полуфабриката лака экзотического тунгового масла в силу объективных и субъективных причин постоянно провоцирует предприятие-изготовитель на уменьшение количества этого компонента, а в идеале – на отказ от него.
Технические характеристики лака, изготовленного только на основе льняного масла, значительно хуже. Кроме того, известно, что получить продукт со стабильными свойствами на основе исходных материалов растительного происхождения, отличающихся нестабильным химическим составом, тоже непросто.
У потребителя же проблемы могут возникнуть из-за другой составляющей – уретана ДГУ. Это связано с ограниченным сроком хранения и особыми условиями хранения лака, обусловленными высокой чувствительностью уретана ДГУ к влаге воздуха и повышенной температуре.
Особо следует остановиться на использовании влагозащитных покрытий на кремнийорганической основе.
Казалось бы, использование эффекта гидрофобности в таких покрытиях позволит совершить качественный скачок в разработке высокоэффективных влагозащитных покрытий. Однако в нормативно-технической документации покрытия на основе жидкости, содержащие кремний (ранее ГКЖ-94) рекомендованы для применения лишь в легких и средних условиях эксплуатации.
Вероятно, это объясняется низкой гидролитической устойчивостью полисилоксановых полимеров, а также сравнительно большим коэффициентом их влагопроницаемости.
На эффекте гидрофобности основан принцип действия новых материалов типа "эпилам”. Эпиламирующие составы содержат раствор фторсодержащих поверхностно-активных веществ в специально подобранных растворителях.
При обработке ПУ фторсодержащее поверхностно-активное вещество адсорбируется поверхностью и образует на ней очень тонкую пленку. После закрепления на поверхности пленка обладает высокими гидрофобизирующими свойствами, а также высокой химической и термической стабильностью.
ПП с такими покрытиями при испытаниях на влагостойкость демонстрируют существенное превышение нормы, указанной в п. 2.5.4. ГОСТ 23752 "Платы печатные. ОТУ".
Для получения влагозащитного полимерного покрытия вовсе не обязательно использовать лакокрасочные материалы. Возможно использование метода вакуумной пиролитической полимеризации.
Первые сообщения об использовании формируемых этим методом полипараксилиленовых (париленовых) покрытий относятся к восьмидесятым годам. Преимущество данного метода состоит в возможности получения покрытия одинаковой толщины (от единиц ангстрем до десятков микрометров) по всей поверхности, в том числе в труднодоступных местах (щелях, глухих и сквозных отверстиях и др.).
К сожалению, это преимущество одновременно является и недостатком, так как влечет за собой усложнение защиты контактных поверхностей на ПУ и соединителях. Для реализации метода разработано специализированное оборудование. По целому ряду причин, особенно экономических, будущее этого метода видится в первую очередь в области микроэлектроники.
Обзор различных полимерных защитных покрытий был бы неполным без упоминания о так называемой "зеленке", хотя зеленый цвет такого покрытия совершенно не обязателен. Так как паяльная маска остается на поверхности ПП, то одновременно выполняет и роль влагозащитного покрытия.
Различают маску поверх оплавленного припоя (SMOTL) и маску поверх открытой меди (SMOBC). Нанесение маски поверх оплавленного припоя предпочтительнее для ПП, которые работают в жестких условиях.
Важно заметить, что при использовании групповой пайки волной припой под маской также расплавляется. При этом возможны разрушение маски, появление раковин и образование перемычек между соседними проводниками при высокой плотности монтажа.
На печатной плате с поверхностно монтируемыми компонентами чаще всего наносят маску поверх открытой меди. К сожалению, паяльная маска при всех ее преимуществах не обеспечивает влагостойкость ПУ на 100%, так как места пайки ЭРЭ остаются незащищенными.
Влагозащитное покрытие – лишь диффузионный барьер на пути влаги.
Если этот барьер будет пройден, влага окажется один на один с диэлектриком печатной платы. И влагостойкость будет определяться уже свойствами диэлектрического основания, в первую очередь свойствами его поверхностного слоя.
В качестве основания обычно используется стеклотекстолит. Для него, как и для всех композиционных материалов, характерна дефектность структуры, особенно на границе раздела стекло – эпоксидная смола.
Следствием этого являются капиллярная пористость, повышенное влагопоглощение и, наконец, снижение электроизоляционных свойств во влажной среде при воздействии климатических факторов.
Эта проблема не новая, и, следовательно, в арсенале разработчиков композиционных материалов накопилось множество приемов, позволяющих уменьшить дефектность структуры. Полностью же устранить ее практически невозможно.
О получаемом результате производители стеклотекстолита могут узнать лишь по завершении технологического процесса изготовления ПП. Однако электроизоляционные характеристики оснований ПП, независимо от исходного состояния стеклотекстолита, можно повышать, используя так называемое полимеризационное наполнение.
В основе технологии, предложенной автором, лежит то, что дефекты структуры стеклотекстолита устраняются в готовой ПП методом порозаполнения, известным из других областей техники.
Для порозаполнения используются полимеризационноспособные композиции на основе бифункциональных мономеров, содержащие вещественные инициаторы полимеризации.
Основные операции при этом:
- заполнение дефектов структуры стеклотекстолита, в том числе дефектов структуры эпоксидной смолы, простым погружением ПП в композицию;
- удаление избытка композиции с поверхности ПП промывкой в воде;
- полимеризация композиции в объеме стеклотекстолита при термообработке.
Особенности технологии и состава композиции гарантируют отсутствие заполимеризованной композиции на поверхности контактных площадок и стенок переходных металлизированных отверстий.
Использование данной технологии позволяет повысить сопротивление изоляции ПП в среднем на 1–3 порядка, а в отдельных случаях (ремонт многослойных ПП) даже на восемь порядков.
Полимеризационное наполнение не исключает использования дополнительного лакового покрытия и/или паяльной маски. Как оказалось, оно эффективно даже для ПП, уже имеющих паяльную маску.
Один из вариантов применения данной технологии для ремонта ПП с пониженным сопротивлением изоляции. Экономическая и техническая эффективность этого решения не вызывает сомнений.
Второе направление – использование технологии в массовом масштабе для повышения надежности ПП. Для изготовителя ПП это потребует дополнительных расходов, а экономический эффект перейдет к потребителю.
И, наконец, полимеризационное наполнение может быть успешно использовано для решения актуальной проблемы микроминиатюризации ПП.
В настоящее время на российском рынке широко предлагаются аэрозольные химические препараты различного назначения для производства, эксплуатации и сервисного обслуживания электронного оборудования (растворители, лаки, смазки и т.п.).
Преимущества аэрозольных препаратов очевидны. Очевидны и потенциальные их потребители. Не вызывает сомнений и эффективность, в том числе экономическая, применения данных препаратов, в первую очередь на стадии освоения производства новых изделий (макетирование, изготовление опытных образцов и установочных партий).
Среди многообразия препаратов есть и лаки, предназначенные для защиты печатных усройств от влаги и воздействия климатических факторов.
Многими производителями предлагаются различные гидрофобизирующие жидкости, в том числе жидкости, способные вытеснять воду. При полимеризационном наполнении дефекты структуры стеклотекстолита в ПП заполняются жидкой композицией, которая при термообработке превращается в твердый полимер с высокими электроизоляционными свойствами.
Печатные узлы на ПП с паяльной маской, поверхность которых дополнительно обработана такой жидкостью, успешно эксплуатируются на объектах нефтедобычи уже в течение нескольких лет.
Автор: Уразаев В.
Смотрите по теме: "Воздействие климатических факторов"