Обзор методов влагозащиты печатного монтажа

Подробности

Автор: Владимир Уразаев

 

            Существующей ныне ситуации с проблемой обеспечения влагостойкости, а, следовательно, и надежности радиоэлектронной аппаратуры, в немалой степени способствует разрозненность и однобокость информации о современных разработках. На информационном поле ситуацию коротко можно охарактеризовать так: «Всяк кулик свое болото хвалит». В связи с этим любая попытка систематизировать и критически оценить существующие и перспективные методы влагозащиты печатного монтажа, по меньшей мере, будет не бесполезна.

            В начале девяностых годов мне довелось побывать на одном из предприятий, изготавливающих радиоэлектронную аппаратуру для космической техники. На сборочном участке я увидел необычную картину. По меньшей мере, десяток «белых косынок» занимались тем, что заостренными деревянными палочками что-то выковыривали из отверстий в печатных платах. Оказалось, что еще во времена Юрия Гагарина была разработана такая технология влагозащиты печатных узлов, при которой печатная плата погружалась в битумный лак, после сушки этот лак вручную удалялся из отверстий, проводилась пайка ЭРЭ и т.д. Такие изделия успешно слетали в космос. Благодаря этому счастливому событию несколько десятков лет целый сборочный участок на предприятии был обеспечен подобной работой. Шли годы. Были разработаны более эффективные способы влагозащиты, но заказчик упрямо не разрешал изменять проверенную технологию без проведения натурных испытаний. А стоимость таких испытаний равнялась стоимости запуска одной ракеты, и предприятие не могло решиться на такие затраты. Единственное, чего смогла добиться за долгие годы служба главного технолога, так это  разрешения использовать дополнительное покрытие лаком УР-231. Печатный узел превратился в своеобразный «бутерброд». Внутренний слой начинки этого бутерброда (битумный лак) способен аккумулировать влагу, а внешний слой (лак УР-231) препятствует ее удалению. Хуже не придумаешь. Однако же сверхосторожные заказчики, руководствуясь принципом «кашу маслом не испортишь», дали добро на  далеко не бесспорное решение. Конечно эта ситуация лежит за пределами здравого смысла как с позиции заказчика, так и с позиции предприятия, на котором долгие годы функционировал насос по бессмысленному выкачиванию денег. Скорее всего, вся эта история  является исключением из общего правила. О технических и экономических последствиях этого исключения можно только догадываться.

            В настоящее время предприятия,  вынужденные  проводить  дополнительные мероприятия по повышению влагостойкости изготавливаемой аппаратуры, можно условно поделить на две группы.

            К первой группе относятся те, для которых еще долгие годы верхом совершенства будут лак УР-231 или даже битумный лак. Это в основном предприятия «оборонки».  Свойственный им консерватизм гарантирует от явных провалов и одновременно противодействует использованию всего нового. К положительным моментам  на таких предприятиях можно отнести  продуманную организацию производства, двойную систему контроля, опыт и традиции. К отрицательным моментам  – упоминаемый выше консерватизм и целый ряд проблем, вытекающих из их полунищенского состояния и в первую очередь потерю квалифицированных кадров.

            Вторая группа предприятий является зеркальным отражением первой. Это предприятия малого и среднего бизнеса, сформировавшиеся в последнее десятилетие и сориентированные преимущественно на платежеспособную часть рынка (нефтегазовый комплекс, энергетика, связь и др.). Такие предприятия восприимчивы к новшествам. В то же время выбор того или иного метода влагозащиты аппаратуры на них часто ничем не мотивирован, а контроль на производстве иногда вообще отсутствует. Хотелось  бы соединить положительные моменты одной группы предприятий  с достоинствами других.  Однако с момента появления «Женитьбы» Гоголя прошел не один десяток лет, а проблема создания идеального облика не решена до сих пор.

            К сожалению, все мы живем далеко не в комфортных условиях. Температура и влажность воздуха в зависимости от месторасположения, времени года, времени суток  постоянно изменяются в широком диапазоне. Даже человеку, который является саморегулирующейся системой, сложно приспособиться к этим изменениям. Радиоэлектронная аппаратура не наделена такими способностями. Увеличение влажности воздуха, а в предельных случаях и конденсация влаги, приводят к ухудшению диэлектрических свойств изоляционных материалов  и в первую очередь подложки печатных плат, основного конструктивного элемента современной радиоэлектронной аппаратуры. Поэтому при разработке приходится предусматривать специальные меры защиты, позволяющие устранить или уменьшить вредное влияние внешних факторов. Абсолютная герметизация аппаратуры и, наоборот,  ее абсолютная открытость при постоянной продувке осушенным воздухом лишь крайние случаи из всего многообразия используемых методов. В данной статье речь пойдет лишь о методах, основанных на дополнительной защите печатных узлов с использованием достижений химии, преимущественно химии полимеров.

            Целое направление прикладной полимерной химии занимается разработкой различных компаундов, для герметизации узлов и блоков радиоэлектронной аппаратуры (1). Чаще всего это наполненные эпоксидные или эпоксидно-акрилатные композиции, не содержащие растворителей. Такие компаунды довольно широко используются для герметизации заливкой небольших по размерам печатных узлов в сборе. Отверждение компаундов в большом объеме сопровождается значительной усадкой и высокими остаточными напряжениями,  приводящими к  разрыву проводников. Отработка рецептуры и режимов отверждения компаундов  для каждой реальной конструкции часто индивидуальна и порой даже близка к шаманству. Существенный недостаток метода – неремонтопригодность изделий.

            У многих специалистов  слово «влагозащита» ассоциируется с двумя другими словами: «лаковое покрытие». Нанесение дополнительного полимерного покрытия на печатный узел является одним из наиболее распространенных методов влагозащиты. Это более универсальный и, что немаловажно, экономичный метод по сравнению с заливкой изделий полимерными компаундами. Традиционно для нанесения покрытия используют лаки, а формирование полимерной пленки на поверхности печатных узлов происходит чаще всего  в результате одновременно протекающих процессов испарения растворителя и реакции поликонденсации связующего. В монографии (2), приведены сравнительные результаты испытаний на влагостойкость печатных плат без покрытия и с лаковым покрытием. Действительно, в процессе испытаний скорость изменения (уменьшения) уровня сопротивления изоляции в печатных платах с лаковым покрытием значительно меньше. Несколько выше и конечное значение этого уровня, хотя  при увеличении времени испытаний, вероятно, эта разница исчезнет. Таким образом, дополнительное полимерное покрытие работает как диффузионный барьер на пути влаги к поверхности печатной платы, а эффективность этого барьера будет тем выше, чем ниже его диффузионная проницаемость. Как следует из (3) влагопроницаемость полимеров изменяется в довольно широком диапазоне. Коэффициент влагопроницаемости полимеров в зависимости от химической природы изменяется в диапазоне (0,01 *10-8 – 20*10-8 ) г/см*ч*мм.рт.ст. Поскольку не из всех полимеров можно сформировать покрытия, удовлетворяющие другим многочисленным специфическим требованиям к влагозащитному покрытию, реально этот диапазон значительно уже. Поэтому невозможно требовать от разработчиков создания абсолютно влагонепроницаемых полимерных покрытий. Покрытие может быть только более или менее проницаемым. Следует отметить, что кроме функции диффузионного барьера  дополнительное полимерное покрытие выполняет также и не менее важную функцию защиты поверхности печатной платы от загрязнений и/или случайных замыканий проводников.

            Для влагозащиты специальной техники наибольшее распространение получил эпоксидно-уретановый лак УР-231 (4). В состоянии поставки это двухкомпонентная система, состоящая из раствора алкидно-эпоксидной смолы Э-30, изготовленной на смеси тунгового и льняного масел, и отвердителя  (70% раствора уретана ДГУ в циклогексаноне). Массовое практическое использование этого лака уже само говорит о том, что по совокупности свойств, он видимо превосходит другие лаки аналогичного назначения, предлагаемые отечественными производителями. «Бочку меда» портят лишь жалобы производственников на «капризность» этого лака, выражающуюся в нестабильности свойств получаемых из него покрытий. Анализируя химический состав лака и реальные условия его применения, можно предположить несколько возможных причин этого явления. Проблемы могут идти как от производителя, так и от 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 его использования. Технические характеристики лака, изготовленного только на основе льняного масла значительно хуже. Кроме того, известно, что получить продукт со стабильными свойствами, на основе исходных продуктов растительного происхождения, отличающихся нестабильным химическим составом, тоже непросто. У потребителя проблемы могут возникнуть из-за другой составляющей – уретана ДГУ.  Это связано с ограниченным сроком хранения и особыми условиями хранения, обусловленными его высокой чувствительностью к влаге воздуха и повышенной  температуре.

            Особо следует остановиться на использовании влагозащитных покрытий на кремнийорганической основе. Казалось бы, что использование эффекта «гидрофобности» таких покрытий позволит совершить качественный скачок в разработке высокоэффективных влагозащитных покрытий. Однако в нормативно-технической документации кремнийорганические покрытия, на основе жидкости 136-41 (ранее ГКЖ-94), рекомендованы лишь для применения в легких и средних условиях эксплуатации. Видимо, это объясняется низкой гидролитической устойчивостью полисилоксановых полимеров, а также сравнительно большим коэффициентом их влагопроницаемости (3). Во всяком случае, резервы для развития работ в этом направлении наверняка  далеко не исчерпаны. Об этом в частности свидетельствует рекламируемое ЦКБ РМ силоксановое покрытие «универсал», предназначенное для различных целей и в том числе для нанесения влагозащитных покрытий на печатные платы. (5). В отличие от жидкости 136-41 это однокомпонентная система (раствор полимера в органическом растворителе). Удельное объемное сопротивление этого покрытия (1*1015 Ом*см) внушает оптимизм.

            На том же эффекте основан принцип действия новых материалов типа «эпилам» (6). Эпиламирующие составы содержат раствор фторсодержащих поверхностно-активных веществ в специально подобранных растворителях. При обработке печатных узлов фторсодержащее поверхностно-активное вещество адсорбируется поверхностью и образует на ней очень тонкую пленку. После закрепления на поверхности эта пленка обладает высокими гидрофобизирующими свойствами, а также высокой химической и термической стабильностью. Печатные платы  с такими покрытиями при испытаниях на влагостойкость существенно превышают нормы, указанные в п. 2.5.4. ГОСТ 23752 "Платы печатные. ОТУ".

            Для получения влагозащитного полимерного покрытия вовсе не обязательно использовать лакокрасочные материалы. В работе (7) предлагают для этого использовать метод вакуумной пиролитической полимеризации. Первые сообщения об использовании полипараксилиленовых (париленовых) покрытий, формируемых этим методом, относятся к восьмидесятым годам. За рубежом их использовали для нанесения покрытий на корпуса часов, в военной и космической технике. Привлекательность этого метода обусловлена возможностью получения покрытия одинаковой толщины (от единиц ангстрем до десятков Мкм.) одновременно на всей поверхности, в том числе в труднодоступных местах (щелях, глухих и сквозных отверстиях и др.). К сожалению, это преимущество одновременно является и недостатком, усложняя  защиту контактных поверхностей на печатных узлах и разъемах. Для реализации метода разработано специализированное оборудование. По целому ряду причин, особенно экономических, будущее этого метода видится все-таки в первую очередь в области микроэлектроники.

            Обзор различных полимерных защитных покрытий был бы не полным, без упоминания о так называемой «зеленке», хотя и, как следует из (8), зеленый цвет такого покрытия совершенно не обязателен. Поскольку паяльная маска остается на поверхности печатной платы, она одновременно  выполняет также и роль влагозащитного покрытия. Различают маску поверх оплавленного припоя (SMOTL) и маску поверх открытой меди (SMOBC). Нанесение маски поверх оплавленного припоя предпочтительнее для печатных плат, работающих в жестких условиях. Следует отметить, что при использовании групповой пайки «волной» припой под маской также расплавляется. При этом возможны: разрушение маски, появление «пазух» и образование «мостиков» между соседними проводниками при высокой плотности монтажа. Печатные платы с компонентами поверхностного монтажа (SMT) чаще всего делают  с использованием маски поверх открытой меди. Паяльная маска бывает двух основных типов: наносимая через шаблон и фотопроявляемая. Трафаретная печать, для которой чаще всего используются композиции на основе эпоксидной смолы, ограничена в точности нанесения. Фотопроявляемые маски на основе жидких или сухих пленочных композиций, позволяют получить разрешение примерно в 3 раза выше. Наносимый в жидком состоянии композит покрывает проводники лучше и более полно, чем сухой пленочный, особенно когда плотность проводников высока. Что предпочтительнее с точки зрения влагостойкости предоставляю судить читателю. К сожалению, защитная паяльная маска при всех ее преимуществах не решает задачу обеспечения влагостойкости печатных узлов на 100%, поскольку места пайки радиоэлементов остаются незащищенными.

            Принципиально иной подход к решению проблемы повышения влагостойкости печатного монтажа предложен в работе (9). Как уже упоминалось выше, влагозащитное покрытие является лишь диффузионным барьером на пути влаги. Что же будет, если этот диффузионный барьер пройден? Влага окажется один на один с диэлектриком печатной платы. И влагостойкость будет определяться уже свойствами диэлектрической подложки, в первую очередь, свойствами поверхностного слоя этой подложки. Диэлектрической подложкой служит обычно стеклотекстолит. Для него, как и для всех композиционных материалов, характерна дефектность структуры, особенно на границе раздела: стекло – эпоксидная смола. Следствием этого является наличие капиллярной пористости, повышенное водопоглощение и, наконец, снижение электроизоляционных свойств во влажной среде. Проблема не нова.  В арсенале разработчиков композиционных материалов есть множество приемов, позволяющих  уменьшить дефектность структуры. Полностью же устранить ее практически невозможно. Таким образом, изготовители печатных плат являются своеобразными заложниками мастерства разработчиков и изготовителей фольгированных стеклотекстолитов. А о получаемом результате они узнают лишь по завершении технологического процесса изготовления печатных плат. Оказалось, что электроизоляционные характеристики подложки печатных плат, независимо от исходного состояния стеклотекстолита можно повышать, используя так называемое «полимеризационное наполнение». Суть технологии заключается в том, что дефекты структуры стеклотекстолита  устраняются в готовой печатной плате, а для этого применяют известный из других областей техники метод порозаполнения. Для порозаполнения используются полимеризационноспособные композиции на основе бифункциональных мономеров, содержащие вещественные инициаторы полимеризации.       

Основные операции:

- заполнение дефектов структуры стеклотекстолита, в том числе дефектов структуры эпоксидной смолы, простым погружением печатной платы в композицию;

- удаление избытка композиции с поверхности печатной платы 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 такой технологии позволяет повысить уровень сопротивления изоляции в печатных платах в среднем на 1 – 3 порядка, а в отдельных случаях (ремонт многослойных печатных плат) даже в 108 раз. Полимеризационное наполнение не исключает использование дополнительного лакового покрытия и/или паяльной маски. Более того, как оказалось, оно эффективно даже для печатных плат уже имеющих паяльную маску.

            На критику собственного детища не поднимается рука. Предоставлю право на это своим оппонентам. Могу лишь сказать, что использование технологии возможно в нескольких вариантах. Первый вариант предусматривает ее применение для ремонта печатных плат с пониженным уровнем сопротивления изоляции. Доказано, что экономическая и техническая эффективность, этого решения не вызывает сомнений. Второе направление – это использование технологии в массовом масштабе для повышения надежности печатных плат. Для изготовителя печатных плат это потребует дополнительных расходов. Экономический эффект при этом переходит к потребителю. И, наконец, полимеризационное наполнение может быть успешно использовано для реализации актуальной ныне проблемы микроминиатюризации печатных плат.

            В настоящее время на Российском рынке широко предлагаются аэрозольные химические препараты различного назначения для производства, эксплуатации и сервисного обслуживания  электронного оборудования (10). Это растворители, лаки, смазки и др. Препараты поставляются целым рядом зарубежных фирм под торговыми марками CRAMOLIN, CONTAKT CHEMIE, CHEMTRONICS и др. Преимущества аэрозольных препаратов очевидны. Очевидны и потенциальные потребители таких препаратов. Не вызывает сомнений эффективность, в том числе и экономическая эффективность, при использовании 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 влагозащиты печатных узлов. Специалистов, видимо, больше всего заинтересует аналог лака УР-231 полиуретановый лак URETHANE 71. По данным разработчиков покрытие  этим лаком образует прочную и гибкую водоотталкивающую пленку с хорошими электроизоляционными свойствами, высокими химической стойкостью и термостойкостью.  Предлагаются  акриловые изоляционные лаки (PLASTIK 70), кремнийорганические лаки (SILISOL 73).

            Зарубежными фирмами предлагаются также различные гидрофобизирующие жидкости, в том числе и жидкости, способные вытеснять воду (FLUID 101). Аналогичные жидкости, правда, в менее широком ассортименте, изготавливают и отечественные предприятия. При «полимеризационном наполнении» дефекты структуры стеклотекстолита в печатной плате заполняются жидкой композицией, которая при термообработке превращается в твердый полимер с высокими электроизоляционными свойствами. А если жидкость уже сама обладает высокими электроизоляционными, да еще и гидрофобными свойствами, стоит ли ее отверждать? Иногда бывает и так, что натурные испытания проще и дешевле общепринятой процедуры, заканчивающейся типовыми испытаниями. Так вот, печатные узлы, изготовленные на печатных платах с паяльной маской и дополнительной обработкой поверхности жидкостью FLUID 101, успешно эксплуатируются на объектах нефтедобычи в течение нескольких лет. Конечно, это решение не следует воспринимать, как абсолютную истину. Годами сложившуюся систему постановки изделий на производство никто не отвергает. И будет даже очень хорошо, если кто-то возьмется за детальную проверку этого решения по классическим канонам. Во всяком случае, при положительном исходе даже в частных случаях, просматривается очень удачное решение проблемы 100% защиты поверхности печатных узлов с паяльной маской и тем самым ухода от дополнительных лаковых покрытий.

            В заключение следует отметить, что проблема повышения влагостойкости печатного монтажа несомненно, комплексная. Конечный результат, как правило, определяется, удачным сочетанием конструктивно-технологических характеристик  изделий и тщательным соблюдением технологии изготовления на всех ее этапах. Автор не претендует на абсолютную полноту  обзора всех направлений в области влагозащиты печатного монтажа, а также абсолютную правоту своих высказываний и с благодарностью воспримет любые  замечания и предложения в той или иной мере касающиеся данной проблемы.

 

ЛИТЕРАТУРА

1.Электроника: Энциклопедический словарь / Гл. ред. В.Г. Колесников, - М.: Сов. энциклопедия, 1991, - 688 с.

2. Медведев А.М. Надежность и контроль качества печатного монтажа. – М.: Радио и связь. 1986. – 216 с.

3. Химическая энциклопедия: В 5 т. т.1 / Гл. ред. И.Л. Кнунянц,  - М.: Сов. Энциклопедия, 1988, - 623с.

4. Лаки эпоксидно-уретановые УР-231 и УР-231Л  ТУ 6-21-14-90.

5. http://ckbrm.ru/page46.html.

6.Синюгина Л.А., Белов Е.Н., Комлевский А.В. и др. Материалы типа «эпилам» для влагозащиты микросборок и узлов на печатных платах// Приложение «Технологии оборудование материалы» к журналу  Экономика и производство. – 1999, - № 7.

7. Костин А.С., Крутько А.Т., Нефедов Т.В. Применение покрытий на основе парилена для влагозащиты и герметизации изделий РЭА//  Приложение «Технологии оборудование материалы» к журналу Экономика и производство. – 1999, - № 5.

8. http://www.eworld.ru/support/smpcb r.htm.

9. Уразаев В.Г. Повышение влагостойкости многослойных печатных плат// Электронные компоненты. – 2002, - № 3.

10. Переятенец А. Химия для электроники // Компоненты и технологии. – 2001, - №  5.

Источник: http://urazaev.narod.ru/Statja.htm