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三防漆涂敷前与涂敷后可能导致电路板出现故障的变量
  2022-05-24      717

作者: Phil Kinner,Electrolube公司三防漆全球业务与技术总监

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为了保证电路板在关键应用中的高可靠性与安全性,在电路板上广泛使用三防漆,因为出现电子故障可能会造成非常严重的后果,甚至包括危及生命。为了确保三防漆的可靠性与安全性达到要求,涂敷三防漆的组件必须在适当的测试条件下、在一系列不同的环境中暴露,以确定适合电路板功能的性能范围和限制。基本测试包括电气性能测试和加速湿度测试,其中的高级测试可以模拟各种严酷环境条件,诸如盐雾、极端温度或快速环境变化测试。在电路板设计中涂敷三防漆的目的是保护PCB,确保它们在最终的使用环境中能够有效地工作。不过,在一些情况下,即使电路板涂敷了三防漆,电路板也可能存在局部功能不良,甚至可能出现完全失效的情况,这时,这些三防漆测试反而成为电路板组装厂商的一个昂贵且耗时的噩梦,还会影响组装厂商的声誉。Electrolube公司全球三防漆业务与技术总监Phil Kinner在本文中探讨针对涂敷三防漆电路板的测试为何如此重要,分析了可能导致电路板故障的各种变量。

随着电子技术的发展,要在更小的尺寸里实现更多的功能,电路板发生故障的几率也随之增加。随着元件尺寸越做越小,间距变得越来越窄,许多设计逐渐接近设计规则的极限,有时候甚至在挑战可制造性的极限。设计师越是突破可制造性的极限,失败的几率必然也会明显提高。

除了与电路板设计有关的故障问题,电路板处在潮湿及有离子污染物的环境中时,由于元件的密度比以前更高,各个元件互相靠得更近,这就使电路板上的硬件更容易受到腐蚀,这是一个在暴露金属表面产生的复杂的、扩散控制电化学过程。在涂敷三防漆之前清洗电路板,是去除腐蚀条件的一种办法,可以更有效地涂敷三防漆,提高这些敏感性设计中的表面绝缘电阻,并减轻工作环境导致的故障。

由于PCB非常复杂,可能引起电路板出现故障的变量很多。一些故障机制发生得很慢,这有助于检测、维护甚至修复,不过有些故障机制是突发的、无法预料到的,这种情况下PCB 完全失效的可能性更大。尽管电路板上已经涂敷了三防漆,但仍然会出现故障,出现这种情况的原因是在进行三防漆涂敷工艺之前PCB上已经存在问题,还有一种情况是涂层材料本身可能不适合这种电路板,或者涂敷方法不适合这种电路板。还有许多其他因素也会影响PCB的正确涂敷,包括在涂覆前没有清洁组件、没有清除表面上原来的三防漆、静电放电,甚至可能是待涂敷的单元本身的结构不良。

对电路板涂敷三防漆,第一步,也是最关键的一步是在涂敷之前检查电路板。这个步骤至关重要,因为这一步骤是验证待涂敷的PCB的整体质量,确保它是适合涂敷这种涂层材料的,符合客户的规格要求。在这个阶段进行的检查对检测任何可能导致电路板故障的情况也是至关重要的,例如元件故障、电路板的厚度不足、影响连接性能的连接松动。在保护电路板方面,三防漆确实有它的局限性,在进行涂敷操作时,电路板上原先就存在的污染物会被涂层密封起来,可能会导致长期的问题——这些污染物可能包括指纹、助焊剂残渣和水分,以及其他的大气污染物。为了使电路板达到最佳性能,在涂敷三防漆之前,应该经常对电路板进行清洗和干燥。即使组装电路板时是使用所谓的免清洗助焊剂,涂敷三防漆之前进行清洗也有助于提高电路板的性能和可靠性。

大家都知道,热量对PCB和它上面的元件的影响非常大,是电路板的另一个敌人。在电路板的运行过程中,PCB内部的各种材料会经历一个很宽的温度变化范围,而每个元件都有一个规定的热变化范围,元件会吸收热量,吸收多少热量在很大程度上取决于它的大小和形状。功率越高、密度越大的电子产品产生的热量会越多,而热量过多会产生明显的机械应力,从而影响焊锡的连接并烧坏元件。要延长器件的寿命和防止故障,有效的管理热传递至关重要。电路板上的过热情况不仅会加速故障机制,还会导致器件变得过热而无法处理,在某些情况下还会带来火灾风险。

除了与热量相关的问题外,对小型化的持续推动意味着电子产品没有空间容纳多块电路板,采用混合技术的设计在增加,设计中模拟电路、数字电路和射频(RF)电路与高压电路紧密结合,满足间隙和爬电设计要求变得越来越困难。即使电路板所处环境中只是出现非常微小的变化,无论是灰尘增加、湿度增加、溅水或暴露在潜在的腐蚀性气体中,都足以使原本安全的功能设计超出安全操作间隙和爬电范围,并导致性能故障。

导致电路板和元件故障的其他因素包括焊点不良、未消耗掉或过多的助焊剂以及锡须。冷焊点是指在组装过程中焊锡没有完全熔融时形成的焊点,这种焊点造成表面贴装元件的不良连接,会烧坏元件并造成电源问题。残留的助焊剂也会由于吸收水分而导致腐蚀,产生短路和损坏元件。锡须也会导致短路。在器件的运行过程中,三防漆通常可以防止锡须的形成,但是,如果在涂敷涂层之前,组件中已经存在锡须,涂敷三防漆的效果会差一些。一般来说,三防漆缓解锡须的效果主要取决于涂层的覆盖范围,而不是涂层的性能,虽然一些含糊不清的数据表明,越硬越坚韧的涂层能更好的缓解锡须,但是,这种缓解必须与延长焊点寿命的影响相互平衡。总的来说,把注意力放在实现金属表面100%覆盖上可能是一种更有效的锡须缓解的策略。

电涌、雷击和过热都会造成电路板的走线损坏。银或铜导电通路的损坏通常肉眼可见,但情况并非总是如此。走线损坏会导致出现相当严重的问题,包括导电性问题、组件问题和器件的可靠性问题。幸运的是,这些走线损坏在最初的检查中通常都可以检测出来,进行修复。

尽管这并不是每种单一因素导致PCB故障的详尽清单,但是提供了导致PCB故障关键因素的全面概述,在出现电路板故障时可以用它来帮助寻找引起故障的原因。最后,电路板设计本身可能要对PCB故障承担责任。为了提高电路板的寿命,必须确保选择的元件和材料是适合的,电路板的布局是充分的,并且对设计上的特殊要求进行了设计验证。在确定恰当的涂敷方法方面,设计也很重要,电路板的设计会涉及三防漆涂敷工艺的周期和成本。有些简单的事情,比如尝试把连接器或其他的无需涂敷区域都放在组件的同一侧,就可以很方便地涂敷,这可以对组件涂敷的便利性、涂敷成本以及整体可靠性产生巨大的影响。

涂敷三防漆后的PCB故障

有许多变量可能会导致印刷电路板在涂敷工艺完成之后出现故障。一般来说,出现这些故障可能的原因是选择的涂层材料、涂敷方法不合适,或者是由于表面处理工作做得不充分,或者是在涂层下面会发生一些与涂层材料完全无关的化学作用。当凝露和离子性杂质结合,在PCB的走线之间形成导电通道时,性能差的涂层有可能在PCB表面失去绝缘性能。毫无疑问,凝露会严重考验涂层的绝缘电阻。有许多涂层产品可以经受这类考验,因此,可以通过在开始设计时选择合适的材料来避免这类问题的出现。

如果涂层没有完全固化,就不能充分发挥它的保护作用。在出现这种情况时,涂敷工艺就是罪魁祸首。正确的涂敷工艺是成功涂敷的先决条件,只要涂敷工艺是正确的,一系列涂敷问题就可以一次性解决。例如,覆盖不良、厚度不够和尖锐边缘的覆盖,很多涂敷材料都很难解决这些问题,在容易出现这些问题的区域涂层很难到达足够的厚度,也就很难保证涂层的防护作用。这些问题将通过材料选型与涂敷技术、工艺相结合的办法来解决。IPC规范允许的干膜厚度在30-130微米之间,更厚的涂层是通过涂敷多次来实现的。例如,试图得到130微米的干膜厚度,使用溶剂型丙烯酸材料通过选择性涂敷工艺、一次性达到130微米的干膜厚度是一种灾难,涂层中形成过多的气泡、漆膜收缩、涂层分层,并且会在元件上产生额外的应力。这种涂敷的结果是涂层的保护作用比较差,没有在整体水平上提高对电路的保护。涂敷工艺要以30-50微米的均匀厚度为目标,把重点放在每一次涂敷都实现完美的覆盖,这是提高三防漆对电子电路的保护更好的方法。

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涂敷三防漆时,得到正确的涂层厚度很重要;请记住,如果涂层太厚,可能会导致溶剂滞留在涂层未完全固化的区域。与这种情况相似的是,涂层过厚还会导致涂层在固化时开裂,甚至会导致所涂敷的元件自身的涂层开裂,这种开裂或是由于温度变化引起的,或是由于机械冲击与振动引起的。决定涂层可靠性的首要因素在于涂敷工艺。通常情况下,一种性能较差的材料涂敷得好,而另一种性能很好的材料涂敷得不好,两种情况对比,效果可能相当,有时甚至前者效果更好。涂敷时,要在锋利的边缘做到足够的覆盖,而不是在所有的金属表面上涂敷过厚的材料。当然,有些材料比其他材料“更容易涂敷”,并且使涂敷工艺尽可能地简单;但最终液体应用涂料的性能将始终取决于它们的涂敷效果。

由分立元件构成的大型阵列还将面临一个巨大的涂敷挑战,这是由于在涂敷时会出现很强毛细作用力,其造成的结果往往是灾难性的,由于电路板上存在无需涂敷的区域和必需涂敷的区域,在这两种区域的交界处,在涂层过厚的地方涂层很容易出现应力开裂、漆膜层离和其他的涂层缺陷。这种情况最终会导致组件过早出现故障,要尽量避免!

出现涂层缺陷的另一个原因还可能是用来准备、制造PCB的其他工艺材料之间发生意外的相互作用。助焊剂残留物就是这类问题的典型例子。例如,在一个“免清洗”工艺中,免清洗工艺使用的一些材料会抑制某些类型涂层的固化,或导致系统的绝缘性能下降,这比任何一种材料单独存在的问题都要严重。要避免出现这种情况,唯一的办法是一丝不苟地进行涂敷前的准备工作或执行涂敷前的预清洗制度,否则,有腐蚀性的残留物会造成PCB的导电走线出现桥接,随着时间的推移,可能会导致故障。虽然涂层可能会使电路板发生故障的时间推迟许多年,但电路板在某个时间点出现故障的情况是不可避免的。

在电路板通电时对三防漆性能进行的最重要测试是在潮湿条件下进行的,三种测试条件是三防漆上有冷凝水、浸泡或盐雾。含有可溶性杂质的水是导电的,它会在涂层中找出所有薄弱的点,最终导致PCB的表面短路。为了在这些情况下提供保护,必须用三防漆对PCB的金属表面实现100%的无缺陷覆盖,这对涂层材料本身和涂敷工艺都是一个真正的挑战。幸运的是,一种被称为“2K”的新型双组分三防漆材料能够实现更厚的涂层厚度和完美的涂敷覆盖效果,从而实现更高水平的保护。Electrolube公司的2K涂层材料的优势是性能优异,它把封装树脂的坚韧、耐腐蚀性能和涂层的易使用结合起来,在涂敷材料都可能经历的三种最苛刻的测试中都得到了积极的证明,这些测试中包括电力冷凝测试和电力盐水浸泡测试。

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结论

我们每天的生活与工作都要依靠各种各样的电子设备,从智能手机、平板电脑、个人电脑和笔记本电脑,再到路灯、电视、冰箱、微波炉和汽车,而PCB是所有电子设备能够发挥作用的基础,是电子设备生命力之所在。当PCB出现故障时,它会造成巨大的破坏,在航空航天等应用中PCB至关重要。因此,为保护电子组件而选择的材料实际上可以决定印刷电路板的成败,特别是当电路板必须承受大量的物理冲击和热循环的情况下。在涂敷前后的检查和测试对确保PCB的可靠运行和提高寿命至关重要,特别是对那些注定要在恶劣环境下工作的PCB而言更是如此。要选择恰当的材料来对电路板进行必要的保护,用这些材料进行良好的涂敷,并且要让涂层完全地固化。要检查涂敷材料与其他工艺使用的化学品之间的相互作用,并且在涂敷之前彻底清洗组件。如果可能的话,在设计阶段花一些时间简化涂层工艺。连接器不涂敷涂层,把连接器和尽可能多的无需涂敷的元件放置在组件的同一侧,这是一个很简单的做法,这个做法会简化三防漆的涂敷工艺。不幸的是使用了三防漆后,PCB还可能发生故障,但是积极的消息是,电路板的故障是可以预防的,通过系统性的预涂敷检查、正确的材料选择、涂敷方法,以及更加严格的涂敷后测试,可以有效防止电路板出现故障。

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