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Basics für das Conformal Coating

Wege zu höherer Zuverlässigkeit elektronischer Baugruppen
Basics für das Conformal Coating

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Immer mehr Hersteller elektronischer Produkte haben erkannt, dass dem Wettbewerbsdruck aus sogenannten Billiglohnregionen nur durch die Konzentration auf technologisch anspruchsvollere und vor allem zuverlässigere Endprodukte begegnet werden kann. Zudem stellen fortschreitende Miniaturisierung, neue Einsatzgebiete mit wechselnden klimatischen Bedingungen sowie strengere Garantierichtlinien hohe Anforderungen an Lebensdauer und Zuverlässigkeit.

Gerhard Reusch, Multi-Components, Schwabach

Neben den grundlegenden Maßnahmen bei Entwicklung, Konstruktion und den Produktionsmethoden eines Produktes ist am Ende des Prozesses ein zuverlässiger Schutz der elektronischen Baugruppen vor mechanischen und umgebungsbedingten Einwirkungen durch einen Schutzüberzug immer wichtiger.
Schutzüberzug für sichere Produkte
Zielsetzung der Beschichtung ist die Reduzierung von Korrosion und deren Folgeschäden mit der daraus resultierenden Verbesserung von Lebensdauer, Funktionssicherheit und Zuverlässigkeit der Endprodukte. Der Schutz gegen Feuchtigkeit und Betauung sowie chemische Verunreinigungen verhindert Kurzschlüsse und Leckströme, Spannungsüberschläge und Entladungen. Beim Baugruppendesign können engere Leiterbahnführung und höhere Leistungen realisiert werden. Whisker- und Dendritenwachstum sowie Elektromigration werden verhindert und die Ermüdung von Lötverbindungen reduziert. Bevorzugte Anwendungsgebiete sind alle Industriezweige, wo hohe Zuverlässigkeit bei kritischen Umgebungsbedingungen gefordert ist. Richtlinien zur Bewertung von Schutzbeschichtungen finden sich in den Normen IEC 61086, IEC60464, IPC CC 830, IPC HDBK-830. Neben dem bisher bekannten Verguss kompletter Baugruppen oder der Beschichtung von Leiterplatten mit relativ großen Schichtstärken, kommt der Dünnfilmbeschichtung oder Conformal Coating eine immer größere Bedeutung zu.
Als Conformal Coating bezeichnet man einen, den Konturen elektronischer Baugruppen und den darauf befindlichen Bauteilen folgenden, dünnen Auftrag flexibler Schichten mit klebefreien Oberflächen von meist transparenten polymeren Materialien, der in Farbe und Gefüge gleichförmig ist. Dabei soll eine möglichst gleichmäßige, nicht zu dicke oder zu dünne Schichtstärke erzielt werden. Die Schichtdicke hat einen wesentlichen Anteil an der Schutzwirkung, was aber nicht bedeuten muss – je dicker desto besser. Die gängigen Beschichtungsmaterialien trocknen umso langsamer, je dicker die Schichtstärke ist. Eine nicht komplett durchgehärtete Beschichtung hat schlechte Haftung und Isolationseigenschaften zur Folge. Neben dem Einschluss von Lösungsmittel kann ein zu dicker Auftrag Lufteinschlüsse zur Folge haben sowie, je nach Material, zu übermäßigem Schrumpfen oder Rissbildung führen. Zu dünne Schichten wiederum haben ganz einfach zu wenig Schutzwirkung. Insbesondere an Bauelementekanten kommt es dann zu ungenügenden Schichtstärken. Die heute bei Dünnschichttechnik empfohlenen Schichtstärken variieren je nach Material und liegen bei ca. 20 bis 150µm.Trotz dünner Schichtstärken ist auch ein guter mechanischer Schutz gegen Vibrations- und Stoßbelastung gegeben.
Beste Voraussetzungen
Die Effektivität der Beschichtung kann durch eine vorherige gründliche Reinigung der Baugruppen wesentlich verbessert werden. Ausfälle beschichteter Baugruppen sind fast immer auf Verunreinigungen auf der Leiterplatte und Bauteilen zurückzuführen. Dies können neben Stäuben mit ionischen Bestandteilen oder Fingerprints mit fett- oder säurehaltigen Rückständen vor allem Stoffe wie Harze, Aktivatoren aus Flussmittelrückständen vom Lötprozess oder auf Bauelementeoberflächen Rückstände von Formtrennmitteln sein. Diese Verunreinigungen verschlechtern die Haftung der Beschichtung und fördern Delamination. Unter der Beschichtung eingeschlossene ionische Rückstände führen in Verbindung mit Feuchtigkeit zu Migration und fördern langfristig den Ausfall einer Baugruppe. Für die Auswahl geeigneten Materials für die Beschichtung sind neben den Einsatzkriterien der Verarbeitungsprozess, die Aushärtekriterien sowie Fertigungsdurchsatz wichtig, die es zu bedenken gibt und im Vorfeld abgeklärt werden sollten.
Bevor jedoch die Beschichtung erfolgt ist die Prüfung der eingesetzten Materialien notwendig. Auf dem Markt ist eine Fülle von Produkten auf Basis unterschiedlichster polymerer Bindemittel verfügbar. Diese bestimmen wesentlich die Eigenschaften der Beschichtung. Die wichtigsten Vertreter sind die Silikone mit einer bevorzugten Schichtstärke von 50 bis 200µm. Sie kommen auf Grund ihrer hervorragenden Temperaturstabilität überall dort zum Einsatz, wo mit weitem Einsatztemperaturbereich zu rechnen ist. Die Beschichtung bleibt flexibel und bietet guten mechanischen Schutz. Die Epoxide eignen sich besonders für Schichtstärken 25 bis 75µm und sind bis ca. 150°C einsetzbar. Polyurethane sowie Acrylate ähneln der Eigenschaften der Epoxide. Bei den Acrylaten handelt es sich meist um Einkomponentenlacke auf Lösungsmittelbasis mit einer physikalischen Trocknung. Weiter unterscheidet man nach dem Aushärteverfahren oder der „Trocknung“. Lösungsmittelhaltige Beschichtungsmaterialien sind über einen weiten Bereich chemischer Stoffe verfügbar und trocknen durch die Verdunstung des Lösungsmittels. Sie zeichnen sich durch gute Benetzung, einfaches Auftragen, Reparaturmöglichkeit und schnelles Aushärten aus. Nachteilig sind, je nach Lösungsmittel, leichte Entzündbarkeit, Geruch und eventuell VOC-Emission. Eine Alternative sind wasserverdünnbare Beschichtungsstoffe. Das Wasser wird als Dispersionsmittel eingesetzt. Die Vorteile wasserbasierender Materialien entsprechen weitgehend denen der lösungsmittelhaltigen Produkte, jedoch sind weder Geruchsbelästigung noch Entflammbarkeit gegeben. Je nach Temperatur sind auch kurze Aushärtezeiten zu verzeichnen und die automatische Verarbeitung ist schwieriger. Ferner sind sie gegen Verunreinigung empfindlicher. Bei lösungsmittelfreien Beschichtungsmaterialien sind insbesondere Silikone und UV-härtende Typen vertreten. UV-härtende Stoffe zeichnen sich durch schnelle Aushärtezeiten im Bereich von 25 bis 30 Sekunden aus. Sie können sehr niedrigviskos sein und sind damit prädestiniert für hohe Durchsatzraten. Die Reaktion findet bei Umgebungstemperaturen statt. Es werden keine platzverschwendenden Härteeinrichtungen benötigt. Der Härteprozess erfolgt von der Oberfläche aus. Dies ist mit der Gefahr einer ungenügenden Nachhärtung im inneren Bereich verbunden. Nachteilig ist auch eine eventuelle unterschiedliche Aushärtung infolge Schattenbildung. Mittlerweile sind jedoch Materialien verfügbar, die mit 2 Härteprozessen diese Nach-teile kompensieren. Mehrkomponenten-Beschichtungsstoffe wie Epoxidmaterial härten chemisch aus. Nach dem Mischen der Komponenten läuft die chemische Reaktion ab. Die begrenzte Topfzeit ist der wesentliche Nachteil dieser Technik. Insbesondere bei automatischen Beschichtungssystemen kann dies zu erheblichen Stillstandszeiten führen. Nach Wahl einer Materialgruppe wird die weitere Entscheidung durch Prozess-, Produktions- und wirtschaftliche Kriterien beeinflusst.
Auftragsverfahren
Neben den meist für Kleinserien gebräuchlichen Auftragsverfahren wie Streichen oder manuelles Aufsprühen mit Sprühpistolen oder Sprühdosen sind im Großserienbereich das Tauchverfahren und die Beschichtung mit Robotersystemen verbreitet. Die Ergebnisse bei manuellen Verfahren führen je nach Erfahrung des Verarbeiters zu ungleichmäßiger, dickerer Schichtstärke und der Gefahr von Lufteinschlüssen. Als Großserienprozess ist das Tauchverfahren als einfacher Prozess mit hohem Durchsatz und guter Reproduzierbarkeit durchaus gut geeignet. Investition und Betriebskosten sind gering. Das Verfahren ist nicht geeignet für UV-härtendes Material. Die Baugruppe wird entweder senkrecht oder waagerecht mittels einer Handlingseinrichtung in den Tank, der das Beschichtungsmaterial, enthält eingetaucht. Zur Vermeidung von Lufteinschlüssen und für gute Durchdringung kann die Tauchzeit durchaus bis zu 10 Minuten betragen. Größere Schichtdicken, insbesondere an Kanten, können durch mehrmaligen Tauchprozess erzielt werden. Ober- und Unterseite des Produktes können in einem Arbeitsgang beschichtet werden. Da das Material jedoch überall hin gelangt müssen Bereiche, die nicht beschichtet werden dürfen, wie Steckerkontakte, Relais usw., durch arbeitsintensives Abdecken geschützt und hinterher das Abdeckmaterial wieder entfernt werden. Ein Nachteil ist auch die aufwendige Umrüstung der Anlage bei Verwendung unterschiedlicher Beschichtungsmaterialien. Als weiteres Großserienverfahren mit hoher Flexibilität hat sich das Sprühverfahren mit Robotersystemen etabliert. Insbesondere das selektive Conformal Coating gewinnt mit der Technologie hochentwickelter Sprühköpfe immer mehr an Bedeutung. Dabei handelt es sich um einen sehr effektiven Großserienprozess, der dennoch auf Grund des programmgesteuerten Ablaufes hohe Flexibilität ermöglicht. Ein programmierbares Koordinatensystem verfährt einen oder auch mehrere Sprühköpfe über dem zu beschichtenden Produkt an ausgewählte Bereiche. Das Material wird aus Druckbehältern oder ein Pumpensystem dem Applikationskopf zugeführt. Dabei handelt es sich je nach Material z.B. um ein geschlossenes System, so dass die Materialeigenschaften absolut konstant bleiben. Für konstante Viskosität des Materials kann über eine Temperatursteuerung die Temperatur des Beschichtungsmaterials überwacht und konstant gehalten werden. Die aufzutragende Materialmenge wird über ein Nadelventil im Millisekundentakt gesteuert. Für konstante Qualität und Nachverfolgbarkeit kann die jeweilige Materialmenge über ein Durchflussmesssystem überwacht werden. Speziell gestaltete Düsen begrenzen die Form des Sprühstrahls. Von Mitarbeitern des Herstellers TTnS (Vertretung Multi-Components GmbH) entwickelte Sprühköpfe ermöglichen linienförmige Sprühvorhänge mit präziser Randbegrenzung ohne Sprühnebel oder spiralförmige Sprühmuster. Diese Technologie, bei der das Medium nicht durch Druckluftbeimischung zerstäubt wird und deswegen keine Sprühnebel entstehen, ermöglicht 40 bis 60% Materialeinsparung gegenüber herkömmlichen Sprühtechniken. In Kombination mit Sprühköpfen können zusätzlich zum Auftrag hochviskoser Medien auch Nadeldosierköpfe montiert werden. Für die in unseren Fertigungsstätten häufig notwendigen Produktwechsel ist eine einfache, bedienerfreundliche Programmiermöglichkeit unerlässlich. Dies kann z.B. durch vorprogrammierte Arbeitsparameter vereinfacht werden. Für unterschiedliche Beschichtungsmaterialien und Beschichtungsdicken bieten die Maschinenhersteller Bibliotheken, in denen die jeweils relevanten Parameter bereits definiert sind. Für die Programmierung der zu beschichtenden Bereiche wird ein Bild der Leiterplatte erzeugt, anhand dieser graphischen Daten dann sehr einfach mit Hilfe von Mausfunktionen die einzelnen Beschichtungsbereiche festgelegt werden können. Alternativ kann dies auch durch Eingabe von Koordinaten erfolgen. Zur Realisierung einer kompletten Beschichtungsstraße gehören neben Handlingseinrichtungen die Trocken- oder Härteöfen. Wichtig ist dabei ein detailliert regelbares Temperaturprofil, um Blasenbildung des Beschichtungsmaterials zu vermeiden. Eine interessante Lösung im Vergleich zu den bisher üblichen sehr großen Durchlauföfen stellt die ECCO99 von TTnS dar. Bei dieser Lösung können komplette Leiterplattenmagazine durch das System befördert werden. Bei Durchlaufzeiten von z.B. 5 bis 6 Minuten pro Magazin wird ein sehr hoher Durchsatz erreicht. Das ausgeklügelte Konvektionssystem und eine spezielle Wärmeisolation reduzieren den Energieverbrauch auf lediglich 50% gegenüber sonst üblichen, mehrere Meter langen Härteeinrichtungen. Die kompakten Grundmaße von 1,1m x 2,4m sparen zusätzlich Ressourcen.
Beschichtungsfehler im Griff
Auf Grund der dünnen Schichtstärke und Transparenz der Beschichtung ist es nicht so einfach möglich, Fehlstellen zu erkennen. Abhilfe kann hier fluoreszierendes Material schaffen, das unter UV-Beleuchtung die beschichteten Flächen sichtbar macht. Auch eingefärbte Schutzlacke sindhilfreich. Neben der Beurteilung durch das Auge, können mittlerweile Automatische Optische Inspektionssysteme insbesondere bei hohem Durchsatz zum Einsatz kommen. Wichtig ist neben der Vermeidung von Fehlstellen eine gleichmäßige Schichtdicke in allen Bereichen zu erhalten. Allerdings ist die Messung der Schichtdicke auf einer komplexen Baugruppe nahezu unmöglich. Daher konzentriert man sich üblicherweise darauf, vor Beginn der Produktion auf einem planen Substrat die gewünschte Schichtstärke durch praktische Tests zu ermitteln, und die zugehörigen Arbeitsparameter festzulegen. Das einfachste Hilfsmittel ist ein Messkamm mit unterschiedlich hohen Aussparungen, der über die „nasse“ Beschichtung geführt wird. Auch Schichtdickenmessgeräte, wie das Positest, die bei ausgehärteten Beschichtungen verwendet werden, sind gebräuchlich. Eine Sammlung von Teststreifen mit unterschiedlichen Beschichtungsstärken und den zugehörigen Prozessparametern sind sehr hilfreich. Blasen entstehen durch eingeschlossene Lufttaschen unter der Beschichtung. Dringen die Lufteinschlüsse bei niedriger Viskosität des Lackes an die Oberfläche und zerplatzen entstehen kraterförmige Fehlstellen. Ursachen sind entweder zu dicker Nassauftrag, zu hochviskoses Material, Luft unter Bauteilen, die bei fortschreitender Aushärtung entweicht. Dies kann durch moderate Temperaturprofile beim Aushärten vermieden werden. Zu hoher Druck beim Sprühen kann zur Schaumbildung führen. Fehler wie Orangenhaut oder Runzeln sind anhand einer matten, unregelmäßigen Oberfläche charakterisiert. Zu großer Abstand beim Sprühen führt zum Auftrag von teilweise bereits „trockenem“ Material. Bei schnell härtendem Material können falsche Temperaturprofile zu ähnlichem Fehlerbild führen. Speziell bei schnell trocknenden Lacken ist eine Fadenbildung zu beobachten. Abhilfe kann die Reduzierung des Sprühabstandes und der Zerstäubungsluft oder Zugabe von mehr Verdünnung schaffen.
Wie bereits beschrieben, ist die Hauptursache in Verunreinigungen der Baugruppe vor dem Beschichten zu finden. Trennmittel auf Bauelementegehäusen, Fingerabdrücke, schlecht gehärteter Lötstopplack, silikonhaltige Kleber zur Bauteilebefestigung, Flussmittelreste sind die häufigsten Ursachen. Auch Feuchtigkeit in der Baugruppe oder Umgebung führen zu dem Fehlerbild.
Auf Grund der Komplexität des Zusammenwirkens von Baugruppeneigenschaft, der Auswahl des Beschichtungsmaterials, Auftragsverfahren und Aushärte- bzw. Trocknungsparametern ist es für zufriedenstellende Ergebnisse unerlässlich, dass sich Baugruppenhersteller mit den Experten der Materialseite, Reinigungsverfahren und Ausrüstungsherstellern austauschen, um für das jeweilige Endprodukt die optimale Lösung zu finden.
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