Прецизионное нанесение защитных покрытий для ответственной электроники (часть I)

Прецизионное нанесение защитных покрытий для ответственной электроники (часть I)

Требования к сроку эксплуатации и безукоризненности работы ответственных узлов электроники постоянно растут, а сфера применения электронных компонентов становится все шире. Для надежной защиты электронных компонентов был разработан селективный метод нанесения влагозащитных покрытий, благодаря которому современная электроника надежно выполняет свои функции.

Автор статьи: Мануэль Шварценбольц
Перевод: Олег Полухин, Игорь Щербаков

Процесс селективного нанесения влагозащитного покрытия


Рисунок 1. Процесс селективного нанесения влагозащитного покрытия

Тенденция к использованию селективного метода нанесения влагозащитных покрытий, при изготовлении электронных блоков, начинает преобладать все больше. Постоянное усовершенствование электронных технологий приводит к появлению все более сложных печатных узлов. Условия эксплуатации электроники становятся все многообразнее. Факт, что навигационные системы могут бесперебойно работать как летом при +30°С, так и зимой при –20°С, является сегодня очевидностью. Правильно и точно нанесенное влагозащитное покрытие защищает электронные компоненты от влажности, пыли, вибрации и других воздействий окружающей среды. Миниатюризация электронных устройств и требования повышения точности нанесения материала между элементами, которые должны быть покрыты и которые должны оставаться свободными от защитного покрытия, создали потребность поиска правильного метода нанесения.

При проектировании будущего электронного узла не учитывается, каким способом будет нанесен защитный материал и какие системные ограничения будет иметь оборудование для нанесения. Это приводит к тому, что, несмотря на имеющуюся на предприятии автоматическую установку нанесения влагозащитного материала, защитный материал будет наноситься вручную. Это приводит к значительным потерям времени и повышению материальных затрат.

Ключевые моменты (иконка) КЛЮЧЕВЫЕ МОМЕНТЫ
 

Индивидуальность установки нанесения покрытия

При поиске нужного решения, абсолютно все факторы играют важную роль. Наряду с техническими возможностями оборудования, принимаются во внимание такие факторы как: сервис, консультации, поддержка и компетентность. Компания Rehm разработала установку нанесения влагозащитных покрытий Protecto, отличающуюся исключительной гибкостью применения. Новейшие запатентованные клапаны и насадки обеспечивают непрерывное, автоматическое и при этом повторяемое нанесение защитного материала.

Универсальная установка нанесения влагозащитных покрытий

Для сокращения времени простоя компания Rehm Thermal Systems при содействии компании KC-Produkte создали универсальную установку нанесения влагозащитных покрытий Protecto. Установка Protecto позволяет наносить защитный материал на печатные узлы разной геометрии и применять в процессе все возможные способы нанесения. Установка Protecto доступна как в стандартном исполнении с одним дозатором для решения несложных задач, так и в специальном, с 4-мя дозаторами, которые могут быть специально подобраны в соответствии с требованиями заказчика для решения комплексных задач.

Рис. 2 Максимально возможная комплектация с 4 дозаторами

Подготовительный этап и производственное планирование

Рис. 3 Влагозащитное покрытие под ультрафиолетовым светом

Перед непосредственным нанесением конформного материала необходимо прояснить целый ряд условий. Для начала нужно определить в каких условиях будет эксплуатироваться будущее изделие, а именно: температура окружающей среды, изменения температуры, УФ-излучение, влажность, пыль или вибрация. На основе данных факторов можно определить какой защитный материал будет соответствовать всем предъявленным требованиям. Следующим этапом необходимо точно установить, какая область будет покрыта защитным материалом, а какая останется свободной. Как правило, нельзя наносить покрытие на разъемы, соединения, контрольные контакты, так как соприкосновение влагозащитного покрытия с последними, может вывести из строя целый печатный узел.

Рис. 4 Попадание влагозащитного материала под корпус

Кроме всего прочего, между участками с покрытием и свободными от покрытия зонами должен предусматриваться минимальный зазор, так как определенное количество материала может пересечь намеченную линию. Из-за капиллярного эффекта материал может попасть либо на разъемы, либо под корпус компонента, что будет препятствовать электрическому контакту с ответственной частью. Итог: выход изделия из строя. Поэтому целесообразнее учитывать этот факт уже на этапе проектирования печатной платы.

Тип влагозащитного материала определяет технологию нанесения

При выборе защитного материала очень важно учесть все факторы, так как на данный выбор влияет не только вязкость материала. С точки зрения защиты окружающей среды есть некоторые пункты, на которые также нужно обращать внимание. Например, нужно учитывать внутризаводские правила, касающиеся защитных материалов содержащих растворители.

При выборе типа материала также важнейшую роль играет оборудование, которым предприятие уже оснащено. Оборудование для сушки влагозащитного покрытия может быть на базе модулей ИК-излучения, конвекции, или УФ-излучения. Тип передачи тепла значительно сокращает ширину выбора влагозащитного покрытия.

Прежде всего, тип влагозащитного покрытия определяется способами нанесения, с которыми может работать установка. Именно по этой причине, компания REHM разработала универсальную установку Protecto, которая гибко подстраивается под требования практически любой производственной среды. Установка Protecto в базовом исполнении с одним дозатором, является оптимальным решением для несложных задач. Но конструкция установки позволяет одновременно оснащать машину 4-мя различными дозаторами. С одной стороны, это позволяет наносить покрытие синхронно на четыре печатные платы в режиме «ведущий-ведомый». С другой стороны, наличие 4-х дозаторов делает возможным одновременное использование до 4-х видов защитных материалов, без потерь времени на их замену. Посредством такой гибкости стал возможным выбор дозатора и материала с необходимыми физико-химическими характеристиками индивидуально для каждой программы.

Разные виды клапанов для гибкого процесса нанесения

 

Для нанесения влагозащитного покрытия посредством установки Protecto предлагается широкий выбор клапанов и насадок. Здесь также действует вышеозвученный принцип: процесс и используемый тип материала определяют оснащение установки. Мембранный клапан подходит при использовании агрессивных материалов. Клапан игольчатого типа отличается высокой прочностью и используется при наличии небольших «мертвых пространств». Клапан распыления отлично подходит для нанесения покрытия на большие пространства. Поршневой клапан позволяет работать с высоковязкими материалами. Эксцентриковый шнековый клапан обеспечивает однородность нанесения, а клапан завесы может без брызг заполнять большие зоны. Для повышения гибкости можно также использовать каплеструйный клапан. Прежде всего, в комбинации с запатентованными насадками StreamCoat. Наружный диаметр 2,4 мм и длина 100 мм делает возможным оптимальное нанесение покрытия между высокими компонентами в условиях плотного монтажа. Диспенсирование, распыление, каплеструйное нанесение – ключевые слова, которые объединяют вместе сложный и высокотехнологичный процесс. Для каждой производственной задачи возможно подобрать свой способ нанесения, который, при правильном подборе материала, будет обеспечивать отличные результаты. В одной установке Protecto возможно использовать все известные способы нанесения влагозащитного покрытия, которые будут точно соответствовать требованиям заказчика.

 

 

Рассмотрим принцип действия и возможности использования каждого клапана в отдельности.

 

Мембранный клапан

 

Мембранный клапан относится к большой группе пропорциональных двухпозиционных регуляторов давления. Специальная мембрана (2) удерживает материал (1) под давлением внутри клапана. Под действием сжатого воздуха (3), мембрана равно как и пружина (4) поднимаются в крайне верхнее положение, в результате чего материал, поступая через насадку (5), наносится на печатный узел. После отключения сжатого воздуха, пружина возвращает мембрану в исходное положение- подача материала прекращается. Сверху головки дозатора предусмотрена специальная рифленая гайка (6), с помощью которой возможно настраивать интенсивность потока материала вручную.

Рис. 5 Устройство мембранного клапана

Главным преимуществом данного вида клапана является обособление подачи материала от органов управления, в результате чего могут быть использованы агрессивные жидкости. Другими немаловажными плюсами являются прочность и долгий срок его эксплуатации. Недостатками мембранного клапана являются большой объем между мембраной и позицией выхода материала из насадки, так называемое мертвое пространство, а также замедленное время реакции. Обусловленное некоторыми факторами стремление к образованию капель, в частности некорректный обрыв нити материала, особенно при использовании высоковязких веществ, может приводить к ошибкам на конечной стадии нанесения.

Мембранные клапаны применяют в основном для нанесения конформного материала на небольшие участки изделия. В процессе нанесения материала необходимо учитывать правильность установки зазора между насадкой и поверхностью печатного узла. Слишком маленький зазор может привести к тому, что насадка погрузится в только что нанесенный материал и при извлечении образуется его растягивание. Также и слишком большой зазор может стать причиной некачественного нанесения. Отличие ожидаемого результата от фактического может сильно проявиться в особенности при нанесении материала по дуге. На рисунке можно увидеть, что с увеличением расстояния насадки от тестовой бумаги, нанесение материала на уголках становится менее четким. Оптимальное расстояние, в зависимости от наносимого объема материала и скорости передвижения дозатора, составляет примерно 0,5 мм- 5 мм.

Рис. 6 Нанесение влагозащитного материала мембранным клапаном

Скорость перемещения дозатора также должна соответствовать давлению, с которым наносится материал. При быстром перемещении дозатора нарушается однородность нанесения материала, что может приводить к «пустотам» (рис.6). Приемлемой скоростью нанесения считается диапазон от 10 до 100 мм/сек. С помощью изменения давления можно легко настраивать объем и толщину наносимого материала.

Для данного типа клапана Rehm Thermal Systems предлагает специальные запатентованные насадки, разработанные компанией KC Produkte. C помощью насадок Stream-Coat и опционально подключаемого скрытого воздушного сопла возможно наносить материалы как средней, так и высокой вязкости.



Рис.7 Насадки Stream-Coat

С помощью опционального сопла возможно значительно увеличить ширину наносимого материала. Ширина, в зависимости от типа материала, может составлять от 2 до 20 мм. Таким способом можно быстро и равномерно покрывать большие зоны печатных узлов.

Игольчатый клапан

Игольчатый клапан также относится к группе дозаторов, управляемых посредством давления. В деактивированном состоянии влагозащитный материал (1) удерживается в клапане за счет закрытого седла иглы (2). Поступающий сжатый воздух (3) поднимает посредством поршня (4)напряженную пружину (5) и вместе с ней клапан (6). Материал начинает поступать на насадку. После отключения сжатого воздуха подача материала прекращается. Сверху головки дозатора предусмотрена специальная рифленая гайка (7), с помощью которой возможно настраивать поток материала вручную.

 

 

 

 

 

Рис.8 Устройство игольчатого клапана

Преимуществами данного клапана являются возможность его использования в небольших «мертвых пространствах» и высокая прочность. К недостаткам относятся медленное время реакции, а иногда неправильный обрыв нити материала на конечной стадии нанесения. 

Рис.9 Неправильный обрыв нити материала

Причина неправильного обрыва нити материала может быть обусловлена некоторыми системными факторами. Например, закрытие заслонки в игольчатом и мембранном клапане происходит в момент движения материала внутри трубки. Это приводит к тому, что оставшийся материал попадает в насадку и образует каплю.

Данный клапан позволяет наносить материалы высокой и средней вязкости.При использовании игольчатого клапана необходимо учитывать, что материал может наноситься с избытком из-за небольшой ширины линии нанесения и (или) плотного потока. Это приводит к тому, что в процессе отверждения высыхает только верхний слой материала, а нижний остается жидким. Впоследствии это может стать причиной образования трещин, через которые будет попадать влага. Особенно высок риск образования трещин при резкой смене температуры окружающей среды.  

Распылительный клапан

Распылительный клапан представляет собой усовершенствованную версию игольчатого клапана. Принцип открытия и закрытия отсеков распылительного клапана точно совпадает с предыдущим описанием. Отличительной особенностью является возможность подключения регулируемого потока воздуха. При нагнетании воздуха (2) на насадку, начинается распыление материала (1). В зависимости от геометрии насадки пятно распыления может иметь разную форму. Преимущество данного клапана заключается в возможности нанесения покрытия на большую область за очень короткое время. К недостаткам можно отнести тот факт, что при данном способе нанесения, мельчайшие брызги создают облако тумана, из-за которого конформный материал попадает на нежелательные участки печатного узла.

Рис. 10 Устройство распылительного клапана

 

Поршневой клапан

Поршневой клапан применяется для нанесения материалов средней и высокой вязкости, а также для заливочных компаундов. Поршневой шток (2) удерживает материал (1) под давлением и не дает ему просочиться сквозь пропускное отверстие (3). Под действием сжатого воздуха (4) поршневой шток опускается вниз – начинается подача материала. При отключении подачи воздуха, поршневой шток с помощью пружины (5) возвращается в верхнее положение, перекрывая поток материала.

Рис.11 Устройство поршневого клапана

Закрытие клапана против потока материала создает условия ограниченного вакуума, благодаря чему материал возвращается назад в насадку (см. рисунок)

Рис.12 Возвратный эффект

Благодаря возвратному эффекту поршневого клапана исключается неправильный обрыв нити материала (рис 9). С помощью рельефной гайки (6) возможно настраивать ход поршня и интенсивность возвратного эффекта. Преимуществами данного клапана являются возможность возврата материала обратно в насадку, а также высокая прочность и простота. Недостатками клапана являются ограничения применения материалов с низкой вязкостью.

 

 

Эксцентриковый шнековый клапан

Эксцентриковый шнековый клапан относится к большой группе систем объемного дозирования. С помощью данного клапана материал наносится равномерно, без пульсаций, вне зависимости от давления или вязкости.

Влагозащитный материал под давлением находится в дозаторе (1). Подача материала осуществляется с помощью винтовой пары, которая состоит из статичного элемента — эластомерного статора (3) и подвижной части- ротора (2).Возможность вращения ротора в обоих направлениях обеспечивает возвратное движение материала и исключает как неправильный обрыв нити, так и неконтролируемое падение капель в конце цикла. Данный аппликатор можно применять как для низко-, так и для высоковязких материалов.

 

Рис 13. Устройство эксцентрикового шнекового клапана

 

Клапан завесы

Принцип работы клапана завесы основан на работе игольчатого клапана. Быстрое открытие и закрытие иглы обеспечивается при помощи электропневматического управления. Давление воздуха (1) в клапане, постоянно поддерживается при помощи соленоида (2). При подаче питания на катушку (3), сердечник втягивается, открывая отверстие для подачи воздуха. Давление воздуха поднимает поршень (4) и соединенную с ним иглу (5). Материал (6) начинает свободно поступать через насадку (7). При снятии питания с катушки сердечник перекрывает ход воздуха по каналу. Пружина принудительного подъема возвращает иглу в исходное положение, прекращая подачу материала. С помощью рельефной гайки (8) возможно настраивать ход иглы и интенсивность подачи материала.

Рис. 14 Устройство клапана завесы

Посредством насадки со специальной формой образуется завеса, ширину которой можно настраивать путем изменения давления подачи материала. В зависимости от давления ширина завесы может находиться в диапазоне от 3мм до 20 мм.

Рис. 15 Клапан завесы

Интуитивное программное обеспечение Protecto с функцией автоматического измерения ширины завесы позволяет точно установить желаемую ширину. В рамках одной программы возможно использование завес с разной шириной. Преимуществом данного клапана является возможность нанесения материала со скоростью до 600 мм/сек. Это позволяет наносить конформное покрытие за возможно короткий промежуток времени. Нанесение материала при таком способе происходит без подачи воздуха на насадку, что сокращает риск появления брызг и попадания материала на нежелательные участки.

Рис.16 Образец нанесения материала клапаном завесы

Однако, клапан завесы может работать только с низковязкими материалами. При работе с высоковязкими материалами исключается возможность подбора завесы нужной ширины. Из-за большого расхода материала данный способ не подходит для нанесения покрытий в случаях, где предусмотренное расстояние между участками с материалом и свободными от него критично мало. Недостатком этого способа является также появление теневых зон при нанесении материала на высокие компоненты. Для заполнения теневых зон необходимо менять направление нанесения или сразу заполнять необходимые участки небольшим количеством материала. 

Каплеструйный клапан

Конструкция каплеструйного клапана предусматривает возможность быстрого точечного нанесения материала. Облегченный вес конструкции клапана позволяет наносить материал с частотой до 120 Гц. Это означает, что машина может наносить до 120 точек в секунду. В выключенном состоянии материал (1) удерживается в седле иглы (2) с помощью затвора (3). При подаче электрического импульса на соленоид (4), толкатель (5) открывает подачу воздуха. Под давлением воздуха (6),затвор поднимается в крайнее верхнее положение. При снятии электрического импульса с соленоида, пружины (7) опускают затвор в седло иглы. Материал, скопившийся в игле в открытой фазе, выходит под воздействием импульса из отверстия (8). 

Рис.17 Устройство каплеструйного клапана

С помощью программного обеспечения возможно индивидуально настраивать такие параметры, как скорость работы приводов, частоту нанесения точек, длительность фазы и давление материала. Изменение частоты нанесения точек определяет количество точек в секунду. В зависимости от частоты нанесения и скорости работы приводов, система может наносить материал или отдельными точками, или линиями (Рис. 18).

Рис 18. Зависимость нанесения материала от частоты

С помощью параметра длительности фазы возможно задавать настройки широтно-импульсной модуляции, т.е. отношение между активной напряжением) и пассивной (без напряжения) фазой длительности периода (частоты).

 Рис 19. Принцип широтно-импульсной модуляции

 

Данный принцип позволяет легко регулировать размер точки, не прибегая к изменению давления наносимого материала.

 Рис.20 Зависимость размера точек от длительности фазы

При растущей тенденции применять все меньшие по размеру компоненты и плотном монтаже, данная технология представляет собой единственную возможность точного и качественного нанесения влагозащитного материала. Из-за отсутствия других альтернатив нанесения – это технология будущего. Скорость нанесения при данном способе достигает 350 мм/сек.

Для данного типа клапана Rehm Thermal Systems предлагает специальные запатентованные насадки Vario Coat, разработанные компанией KC Produkte. C помощью насадок Vario Coat и опционально подключаемого скрытого воздушного сопла, возможно нанесение материала под корпуса компонентов. Реализуемый показатель – это ширина линии 20 мм и более. Для полного нанесения материала на бумагу формата А4 и толщиной 70 мкм достаточно всего 14 секунд.

 Рис. 21 Ширина нанесения покрытия насадкой Vario Coat

Используя насадки Vario Coat, в рамках одной программы, без потерь времени на переоснащение, но изменяя настройки программы, возможно нанесение материала сразу тремя способами (распылением, каплеструйно и линиями).

 Рис.22 Возможности насадок Vario Coat

Преимущества данного клапана заключаются в способности селективно наносить материал как на компоненты так и под них, а также легко программно настраивать ширину линии.

 

 

Выводы:

Постоянное усовершенствование электронных технологий приводит к появлению все более сложных узлов. Условия эксплуатаций электроники становятся все многообразнее. Факт, что навигационные системы могут бесперебойно работать как летом при + 30Со, так и зимой при — 20Со является очевидностью. Большую роль в достижении таких результатов стало появление селективного метода нанесения защитных покрытий. Миниатюризация электронных устройств и требования обеспечения высокой точности нанесения материала между элементами, которые должны быть покрыты и которые должны оставаться свободны от защитного материала, создали потребность поиска правильного метода нанесения. Каплеструйный клапан с запатентованными насадками VarioCoat позволяет решить эту задачу и делают возможным точно наносить материал разными способами: распылением, каплеструйно и линиями. В силу разносторонности электронной промышленности имеются задачи, где не важна точность нанесения материала, но скорость является ключевым фактором. Клапан завесы делает возможным нанесение материала со скоростью 600 мм/сек. Для нанесения тиксотропных материалов как нельзя лучше подходит поршневой клапан с эффектом возврата материала обратно в насадку.

 

 

Сравнительная таблица клапанов

 

 

Падение капли после нанесения

Мертвое пространство

Склонность попадания материала на нежелательные участки

Прочность

Точность

Ширина линии

Скорость

Цена

Диапазон вязкости

Мембранный клапан

--

--

+

++

0

++*

+

++

+

Игольчатый клапан

-

++

+

++

0

+

+

++

+

Распылительный клапан

-

++

-

+

-

++

+

++

-

Поршневой клапан

++

+

+

++

0

+

+

++

-

Эксцентриковый шнековый клапан

++

--

+

+

0

+

+

-

++

Клапан завесы

+

++

+

+

+

++

++

+

--

Каплеструйный клапан

+

++

+

+

+

++*

+

+

++

++ Отлично

+ Хорошо

0 Удовлетворительно

— Неудовлетворительно

-- Крайне неудовлетворительно

*Только с применением насадок Stream Coat и Vario Coat

 

О компании Rehm

Компания Rehm является ведущим производителем инновационных системных термических решений и пользуется доверием у клиентов по всему миру. Благодаря филиалам в Европе, Америке и Азии, а также 26-ти представительствам, имеется возможность быстрой поставки оборудования и комплектующих на международной арене, а также предложение отличного сервиса на местах – по всему миру и в любое время суток!


14 июня 2017, Санкт-Петербург

Практическая конференция
«Сборочно-монтажное оборудование.
Технологии и практические решения»

Вернуться на сайт Подробнее