Нанесение защитных покрытий является одним из наиболее часто применяемых методов для защиты электронных устройств от влияния окружающей среды. При защите чувствительной электроники особенно важна точность, так как даже небольшие отклонения могут иметь серьезные последствия. К тому же при реализации данного процесса часто возникают следующие вопросы: как обеспечить надежность и воспроизводимость результатов покрытия? Как предотвратить попадание покрытия на контактные зоны, соединители или чувствительные элементы в процессе нанесения? Как реализовать подключение к MES и автоматизированный сбор данных для большей отслеживаемости? Эта статья ответит на некоторые поставленные вопросы.
Миниатюризация элементов электронных устройств, рост их плотности на плате и уменьшение зазоров между ними — эти и другие тенденции электронной промышленности повышают требования не только к качеству нанесения покрытия и исключению дефектов при выполнении такой операции, но и к повышенной точности оборудования, задействованного в данном процессе. В то же время рынок стимулирует ускорение технологического цикла. Для разрешения подобного противоречия производители систем нанесения покрытий стремятся к большей повторяемости системы осей и процесса нанесения. То есть со временем устройства становятся все быстрее и лучше.
При работе в областях, требующих высокой точности, необходимо понимать, что нанесение жидкостей несравнимо с механическими процессами, такими как обработка металла. Например, точность детали, подвергаемой фрезеровке, легко проверить, и этот результат может быть воспроизведен повторно. В случае с жидкостями и покрытиями ситуация иная. Однако и в этом случае возникает необходимость в повторяемости результатов, что почти удается технически реализовать. Но что значит «почти»? Каждый вид покрытия обладает различными свойствами, такими как зависимость от температуры, вязкость, рекомендованные производителем параметры обработки и т. д. Для нанесения покрытия на печатную плату с заданной точностью имеются различные виды клапанов и сопел.
Текучие свойства покрытий затрудняют процесс нанесения тонких линий и соблюдение точности краев, как, например, при частичном покрытии участков рядом с элементами, которые должны остаться без покрытия (рис. 1).
Большой интерес вызывает тема выдерживания точности или остроты кромок. Острый край, как у твердого тела, не может быть получен при работе с жидкостями. Углы получаются закругленными, линия или край никогда не отличаются стопроцентной прямизной, а имеют скорее едва заметную волнистость, которая присутствует всегда, даже при использовании дозаторов с очень маленькими внутренними диаметрами.
При этом эффект капиллярности может быть как помощником, так и помехой. Если элемент находится точно на краю области нанесения покрытия, материал распространится вокруг элемента благодаря капиллярности. В одних случаях это может быть желаемым эффектом, а в других — нет (рис. 2). Если рядом с элементом находится SMD-соединитель, материал покрытия может также попасть на него из-за действия капиллярного эффекта. Это может оказаться достаточным для загрязнения соединителя.
Постоянно усложняющееся строение плат и ускорение производственного цикла делает целесообразным комбинированное использование нескольких дозаторов. Каждый из них может быть предназначен для различных типов нанесения, что позволяет обеспечить точность и скорость процесса.
Для сочетания точности и скорости возникает потребность в гибкой, полностью автоматизированной системе, в которой были бы одновременно реализованы все виды нанесения покрытия (таблица). Таким образом, можно обеспечить высокую производительность, точность и надежность процесса на основе программного обеспечения, без инструментов и долгой настройки. Это позволяет отказаться от наложения масок и предварительных работ, зачастую выполняемых вручную. Процессы регулируются и характеризуются несколькими уровнями автоматизации.
Надежность процесса
Уровень точности клапанов и дозаторов — необходимое условие для повторяемого процесса. Одновременно с этим системы, контролирующие давление, вес, поток и положение в пространстве, могут следить за тем, чтобы параметры, указанные пользователем при формировании задания, надежно воспроизводились в ходе процесса нанесения.
Таблица. Методы нанесения
 | Занавесное нанесение | Подходит для плоских плат, укомплектованных SMD-элементами, что позволяет добиться ускорения производственного цикла. |
 | Диспенсирование | Нанесение вязких толстослойных покрытий позволяет защищать SMD-разъемы от загрязнения текучими покрытиями. Кроме того, диспенсер может выполнять такие задачи, как склеивание, заполнение, наложение масок, создание уплотнителей, и т. д. |
 | Распыление | Используется для быстрого покрытия больших участков. С помощью технологий распыления и вытеснения покрытие может быть точно нанесено рядом с элементами и под ними. |
 | Капельное нанесение | Позволяет добиться предельно точного позиционирования и применяется на критических, не покрываемых участках или при нанесении очень тонкого слоя покрытия. Самые мелкие элементы могут быть покрыты с большой точностью. |
 | 2К | Двухкомпонентные материалы могут использоваться для заливки, диспенсирования или покрытия в зависимости от поставленной задачи. 2K-система соединяет обе составляющие компонента материала, которые, застывая, делают возможным соответствующие методы нанесения. |
Базы данных различных типов покрытий делают возможным применение вспомогательных инструментов при создании проекта нанесения. Среди прочего, к ним относятся предустановка параметров и отображение на экране покрываемых областей, практически идентичное тому, как они затем будут выглядеть на печатной плате (рис. 3).
Датчики уровня, автоматические очистные станции, измерители вязкости и автоматическая калибровка, а также мониторинг температуры дополняют картину надежного процесса нанесения покрытия.
Точность движения по осям и воспроизводимость результатов могут быть оценены. Для создания точного процесса, этих данных, как правило, достаточно. Определение универсального поля допуска лишено смысла из-за уникальных свойств каждого изделия. Эти свойства предусматривают размер покрываемой области, расположение элементов на плате или зазор между элементами.
Системы AOI (automated optical inspection — автоматизированное оптическое исследование) при необходимости могут инспектировать толщину слоя и допуски и сортировать изделия, отбраковывая не прошедшие проверку. При работе с системами оптического контроля приходится сталкиваться с такими проблемами, как прозрачность, отражательная способность и цвет покрытия. Производители устройств AOI в будущем должны провести значительное усовершенствование своих систем.
Наиболее характерными ошибками нанесения покрытий являются брызги и туман (рис. 4), которые могут возникать по нескольким причинам:
- При быстром движении пленка из покрытия разрывается элементом. При этом капли попадают друг на друга или разлетаются. Образовавшиеся капли могут отлетать на большое расстояние от изделия.
- Из-за работы в воздушной атмосфере. Однако и в этом случае имеется сильная зависимость от типа материала.
- Из-за поверхностного натяжения покрытия могут образовываться шарообразные капли, перекатывающиеся на пленке. Эти шарики могут перемещаться на многие сантиметры при отсутствии препятствий.
- Слишком большой напор при капельном нанесении. Капля разлетается или лопается в воздухе.
- Брызги и капли попадают на уже влажную поверхность, что схоже с каплями, попадающими в лужи.
- Особо быстросохнующие покрытия могут засыхать прямо в воздухе и образовать туман или нити. Такие покрытия могут засыхать непосредственно на кончике сопла и отклонять поток покрытия при его подаче. В подобных случаях важно использовать качественную систему очистки для клапанов и сопел.
Многие из перечисленных моментов затрудняют воспроизводимость профиля покрытия, так как зачастую они проявляются спорадически. Можно снизить или избежать влияния подобных дефектов, используя подходящий метод нанесения и оптимизируя параметры под используемый материал. К подобным способам относятся, например, мониторинг давления, расстояния от сопла до изделия и контроль потока расходных материалов.
С помощью уже упомянутых баз данных покрытий эти параметры могут быть предустановлены для пользователя. Однако важно, чтобы производители систем осуществляли поддержку пользователей и помогали им своим опытом в организации процесса.
Покрытие краев
Так называемого ухода краев покрытия едва ли можно избежать, поскольку он является естественным явлением. Толщина слоя покрытия на основе растворителя составляет согласно нашему опыту 1-5 мкм.
Чем выше вязкость покрытия, тем больше толщина слоя на краю. По этой причине для надежной защиты краев предпочтительны толстослойные покрытия.
Исправление
Не каждое покрытие поддается исправлению. Поэтому первым делом необходимо выяснить, может ли конкретное покрытие быть удалено и вновь нанесено. Техническая документация производителя покрытия содержит необходимую информацию.
В настоящее время, как правило, для этого используется два метода:
- Растворение покрытия с помощью растворителя или средства для удаления покрытий.
- Обдув ESD-совместимыми гранулами (рис. 5)
Акриловые покрытия могут быть полностью удалены с помощью растворителя. Покрытия, основанные на прочих искусственных смолах, могут быть удалены только частично, как чистящими средствами, так и гранулами. Покрытия на основе эпоксидных смол устойчивы к воздействию растворителей и настолько прочны, что их удаление невозможно без повреждения платы.
При нанесении нового слоя на не до конца очищенную печатную плату необходимо сделать тест на совместимость нового покрытия с остающимся на плате. В противном случае возможно образование «морщинок». Для некоторых видов покрытий склеивание нового слоя с застывшим покрытием того же типа невозможно в принципе.
В целом необходимо всегда брать в расчет возможность повреждения припойной маски или элементов при удалении покрытия.
Защитный эффект и пригодность покрытия
Перед выбором подходящего покрытия рекомендуется уточнить место для его размещения и оценить целесообразность его защиты. Затем определяются требования к покрытию: чем больше требований предъявляется к покрытию, тем выше затраты на обработку и стоимость материала (рис. 6).
Кроме того, защитный эффект зависит от чистоты поверхности, пригодности покрытия и метода нанесения, то есть от качества покрытия.
Пригодность покрытия определяется его толщиной: чем толще слой, тем выше его защитный эффект.
Так называемые толстослойные покрытия позволяют добиться большего защитного эффекта, чем покрытия на основе растворителей.
Кроме того, благодаря низкому содержанию растворителя в толстослойных материалах, предназначенных для защитного нанесения, в процессе затвердения покрытие не так сильно уменьшается в объеме и накапливает меньше механических сопротивлений. Однако к толстослойным покрытиям применяются более строгие требования в плане обработки и сушки. По этой причине перед использованием толстостенного покрытия необходимо сначала подобрать подходящее покрытие с помощью технических данных производителей и протестировать его.
Помимо толстослойных покрытий, существует широкий спектр покрытий на основе растворителей; их свойства подбирают в зависимости от конкретного применения:
- хорошее схватывание;
- высокая термостойкость;
- возможность нанесения покрытия поверх старого;
- гибкость (например, на гибких платах);
- отсутствие пузырей;
- устойчивость к химическим веществам;
- быстрая сушка;
- непрозрачность;
- легкая обработка в воздушной атмосфере.
В настоящее время все более гибкие системы позволяют одновременно обрабатывать несколько материалов параллельно и одновременно выполнять такие процессы, как уплотнение, маскирование, треппинг и конформное покрытие. При этом необходимо проверить совместимость материалов между собой. Поскольку дополнительные процессы обычно требуют больших затрат, выбор системы покрытия, ее характер и гибкость, а также возможность одновременной работы с несколькими материалами имеют большое значение.
