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PCBA涂覆技术:我们能做到不用遮蔽工序实现选择性精密涂覆吗?
  2024-03-15      403

PCBA涂覆技术:

我们能做到不用遮蔽工序实现选择性精密涂覆吗?

苏州康尼格电子科技股份有限公司 许文蓉 陆昊然

摘要

在电路板上涂敷三防漆的目的是保护印刷电路板和安装在电路板上的元件不受潮气、颗粒物和腐蚀性气体及恶劣环境的影响,增加其安全系数,并保证其使用寿命。涂覆设备的出现,提高了生产效率和一致性,越来越成为SMT后道制程中不可或缺的一环。用涂覆设备完成选择性精密涂覆时,仍然需要大量人工操作的环节,如遮蔽及去遮蔽环节,这为整个流程带来众多不可控因素。本文介绍的是一种创新的更智能的数字化精密涂覆技术,不需要使用遮蔽胶/贴纸预处理,即可完成选择性精密涂覆。

这种智能的数字化精密涂覆技术是将喷胶(墨)3D打印技术和涂覆工艺相结合,是技术的跨界创新。通过精确控制喷胶(墨)的量和位置,在PCBA表面形成一层均匀、致密的保护涂层,并通过多层堆叠形成3D形态;喷胶(墨)3D打印技术是其技术原理,因此涂覆处理遵从打印逻辑,不需要遮蔽环节,一遍成像,成型图像具有400dpi像素精度,具有高精度和智能化数字化的特点。本文根据传统涂覆设备与数字化智能涂覆设备在PCBA涂覆制程及最终效果上的明显差别,讨论不同特点PCBA实现选择性精密涂覆的最佳技术。

引言

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三防漆涂覆技术已有50多年的历史,它在PCB表面形成一层绝缘保护层,被视为最常见的焊后表面涂覆方法(英文名为coating或conformal coating)。通过将敏感的电子元器件与恶劣环境隔离,三防漆涂覆技术可以显著提升电子产品的安全性、可靠性,并延长其使用寿命。所谓的“三防”,通常包括防湿热、防盐雾、防霉菌,但这一理解较为狭隘。实际上,“三防”的意义远超这三个方面,如防振动、防摩擦、提高绝缘强度等。

若对PCBA的涂覆质量要求不高,且无需要精密遮蔽区域,可采用刷涂、浸涂、喷涂等传统涂覆方式。若PCBA价值较高,且对三防漆涂覆的生产效率、一致性以及材料节约有更高需求,可选用选择性喷涂设备。当禁涂区域距离>5mm时,选择性喷涂设备无需额外遮蔽保护工序。然而,实际情况是PCB尺寸越来越小,元器件越来越多,禁涂区域距离<5mm,需规避的测试点直径往往只有1mm。此外,还存在众多需严格规避的区域,如金焊盘、金手指、金属通孔、测试孔;电池及电池固定架;连接器;传感器等。

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不同工艺流程图

随着电子元器件的升级发展,电子产品设计者和制造商需要将电子产品制造地更加小型化,同时又需要让电子产品使用更多的电子元器件来增加更多的功能,留给产品保护工艺的压力很大并且空间极其有限。三防漆涂覆技术面临的遮蔽保护要求日益严苛。

这种情况下要达到选择性精密涂覆的要求,选择性喷涂设备需要在PCBA喷涂前进行遮蔽处理。前道遮蔽工序可以选用人工或者自动化设备点涂遮蔽胶,或者贴敷遮蔽胶带。喷涂后的后道去遮蔽工序往往只能由人工完成,遮蔽胶固化后形状并不一致,并且尺寸极小,每块PCBA的去遮蔽情况不同,需要有经验的工人按照实际评估处理,使用小镊子细致的揭除,难以实现完全自动化的去遮蔽过程。为选择性精密涂覆的实现增加了成本,带来了复杂性。

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遮蔽胶-遮蔽胶带

是否可以摆脱这种遮蔽/去遮蔽工序,高效高质量的实现选择性精密涂覆?

技术跨界创新

解决原有问题,有时候需要跳出原有领域的视野和洞见,需要技术的跨界和创新。

这种创新的数字化精密涂覆技术,将喷胶/墨3D打印技术应用于PCBA等电子产品的封装保护领域,将UV胶水精准的喷射至需要防护的区域,并通过多层堆叠形成3D形态,为PCBA、FPC等产品提供高强度的保护。单个工业喷头喷孔数量>1000个,每个喷孔独立驱动,喷射频率最大可达20KHz/s。两个喷孔间距约0.0635mm,单个胶点体积80±10%皮升,每个胶点均匀致密。单层厚度约0.016mm(厚度可调),通过UV Led随动固化,层层固化层层堆叠,形成3D形态铠甲。

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从左至右:喷雾阀-点胶头-工业打印喷头

这种创新的数字化精密涂覆技术是在融合传统平面喷墨打印与3D打印技术特点的基础上,实现技术与工艺的突破创新。它能够取代传统的点胶、涂覆、灌封等工艺,并适用于芯片系统级封装。数字化精密涂覆技术整合了上述两种技术,针对平面特定位置的三维器件封装,既要确保平面打印技术的位置精度,防止封装层偏离设定的元器件封装区域,同时又要实现3D堆叠成型效果,确保能紧密包裹需要保护的元件。此外,还需考虑工艺的效率、稳定性以及对元器件防护后的可靠性。因此,这并非简单的技术整合,而更多地体现为技术拓展和工艺创新。

1000余个喷孔的工业打印喷头每个喷孔独立驱动,可以实现极高选择性。不需要点涂遮蔽胶/贴敷胶带,通过控制喷孔的开合即可实现指定区域规避,直径1mm的测试点也可精准规避;80±10%皮升的胶点体积,约0.0635mm的喷孔间距,使得胶点紧紧相连,零气泡无间隙。涂覆层表面平滑、均匀,无空洞或气泡,无波纹、橘皮现象。50μm-100μm极细线宽,0.2mm极细围栏,16μm单层厚度,为PCBA选择性涂覆带了更高的可控性。20KHz/s的最大喷射频率为精密涂覆带来高质量和高效率。

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从左至右:围栏-厚层选择性涂覆-薄层选择性涂覆-全区域涂覆

如何将涂覆区域转化成可打印的图形,并且可以层层堆叠?这就需要打印控制软件和封装建模软件。基于PCB Gerber图纸,通过开发的配套软件,将PCBA需要涂覆保护的区域转化成可打印的图像。由于该项技术是平面喷墨和3D打印的技术整合加创新,所以软件不仅要解决平面打印的图形栅格化问题,还要解决3D打印中的模型堆叠打印难点,同时也是最重要的是基于封装工艺的特点,需要开发专用建模软件对封装区域进行3D建模。软件集成了模型切分、视觉定位、打印工程制作、打印实时监控、IO状态监控、墨量统计等功能。用户通过该软件可以进行快速绘制封装模型。

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GerbView封装建模软件

一种可喷射的功能性UV胶

喷墨打印工艺决定了可喷射材料的粘度限定在极低的范围(5-30cps,常温)。传统喷绘、喷码以及字符行业的墨水均能满足粘度上要求,但是这种墨水为薄涂覆(约20um以下)硬质膜层材料,起色彩显示和标识作用,并不具备物理机械防护性能,且通过堆叠打印做成三维结构后易橘皮或者开裂,无法满足3D封装要求。3D打印模型使用的墨水为硬且韧的结构型材料,本体强度高且具备一定的物理机械防护性能,但这种胶水在复杂PCBA基材上无粘接能力,在机械与冷热环境交变冲击下容易脱落,无法形成真正的防护效果。点胶与喷涂用的胶水材料能很好的满足物理机械防护性能要求,但它们的粘度均超过100cps,大多在1000-10000cps级别甚至更高,因此此类材料也不合适3D喷墨打印封装工艺应用要求。

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低粘度功能性胶水

因此,要实现喷墨打印的封装工艺,必须使用一种极低粘度墨态化,且具有胶态化功能性效果的封装材料。数字化精密涂覆技术配套胶水是一种单组份、超低粘度,紫外光固化电子封装用无溶剂型胶水材料。在一定波长的紫外线(365-395nm)照射条件下,1s内便可完成固化。固化后具有优异的防水抗湿、抗冷热冲击以及抗霉菌等性能,适用于各种表面贴装的PCBA焊点、引脚或分立元器件保护。该胶水具备超低粘度特性,适合喷墨打印方式进行选择性喷射覆盖,固化后可在紫外光下发出荧光,方便进行封装效果检查。已通过Rohs和Reach认证。

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胶水性能

这种封装材料固化后封装层韧性优异,对机械冲击、冷热冲击、高温高湿等都有很好的抵抗效果。具有较高的表面电阻和体积电阻,即使在潮湿条件下也可对PCBA提供很好的绝缘保护。100%固含量绿色环保,固化过程无溶剂挥发,具有安全健康环保、无毒无害、不易燃易爆等特点。纯UV固化,相比UV+湿气固化,固化干燥时间极大缩短,提高固化效率。超低粘度与表张,可实现均匀铺展无气泡,表面平滑,边缘平直齐整,确保不出现过度喷涂,涂覆材料仅涂覆在需要的区域。

封装产品测试

目前,已有消费电子、工业电子、智能家电这类产品价值高,对精密涂覆有更高要求的产品,选用数字化精密涂覆技术进行PCBA封装保护。这类产品的PCBA通常具有这些特点:PCB尺寸小而要实现的功能多。需要选用扁平化的小元件,采用细间距贴装,测试点/通孔较多,才能兼顾电路板的尺寸、重量和功能性。

只涂覆需要的区域,规避测试点/通孔,达到需要的涂覆厚度,要满足这些涂覆要求,如果选用传统的涂覆设备,需要前道增加遮蔽工序,后道增加去遮蔽工序,工序增加无法进行自动化生产,并且成本增加,效率下降,质量的不可控性增加。而这种创新的数字化精密涂覆技术从底层逻辑上突破,采用图像打印逻辑,层层固化层层堆叠,精准规避测试点,并且厚度可控。工序上并不需要加法,可以接入SMT产线进行全自动化生产。

选用创新的数字化精密涂覆技术封装保护的PCBA,通过了客户的严格测试,测试包括:满电电压、内阻、潮态测试、高温高湿搁置测试、盐雾测试、交变湿热试验、温度冲击、胶附着力测试、浸盐水试验、浸水后充电试验、放电中淋水、充电中淋水、金属粉尘、加速寿命测试等。

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3D电子显微镜下涂覆区域平面图像

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3D电子显微镜下涂覆区域侧面图像

结论

当传统涂覆方法(如手工喷涂、全浸涂或选择性涂覆设备)无法满足多样化精密化的涂覆要求,无法提供高效高一致性的保护涂层时,可以考虑创新的数字化智能精密涂覆技术。这是一种具有创新性和前瞻性的技术,根据不同产品的形状和尺寸进行定制化涂覆,适应性强,且涂层厚度可高度定制,能够满足不同的保护需求,它的出现为涂覆领域带来了新的机遇和可能性。涂覆设备也向着更加智能、绿色、环保的方向发展。

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