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Maximale Leistung des Prozess der Schutzlackierung

Die wichtigsten Überlegungen zur Auswahl des Schutzlacks
Maximale Leistung des Prozess der Schutzlackierung von Electrolube

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In diesem Artikel werden die verschiedenen Aspekte von Schutzlacken erkundet und dabei viele Lack-Themen so umfangreich wie möglich behandelt, damit das Maximale beim Lackierverfahren herausholt werden kann. Ein durchdachtes Design sorgt am Ende immer für enorme Einsparungen – und die Entwickler werden sich bei den Kollegen in der Produktion sicherlich gute Freunde machen, wenn sie deren Job etwas erleichtern! Werden mögliche Fertigungsprobleme schon in der Designphase erkannt, ist die Behebung viel einfacher und naheliegender, als die Lösung der Probleme erst nach dem Abschluss der technischen Zeichnungen in Angriff zu nehmen. Deshalb wird jetzt einmal genauer angesehen, wie absolute Leistung aus dem Schutzlackverfahren herauszuholen ist.

Phil Kinner, Electrolube

Erst einmal muss der erwartete Betriebstemperaturbereich für die Platine festgelegt werden – die obere und untere Grenze. Wenn er beispielsweise größer als 150 – 160 °C ist, ist höchstwahrscheinlich ein Schutzlack aus Silikon erforderlich anstatt aus Acryl oder Polyurethan. Außerdem sind kurzzeitige Übertemperaturen zu beachten; denn wenn thermische Schocks oder thermische Wechselbelastungen nicht berücksichtigt werden, könnte Rissbildung auftreten und die Schutzeigenschaften des Lacks beeinträchtigt werden.

Zum Zweiten stellt sich die Frage, welcher Grad an chemischer Beständigkeit erforderlich ist. Acrylmaterialien sind zwar bestens für Nacharbeiten geeignet, sind aber auch sehr empfindlich gegenüber Lösungsmitteln; Polyurethane dahingegen bieten höhere chemische Beständigkeit, sind im Nachhinein aber schlechter bearbeitbar. Geprüft werden sollte, ob Beständigkeit gegen Eintauchen oder Spritzer erforderlich ist und ob der Lack möglicherweise einer erhitzten Lösung potenzieller Schadstoffe ausgesetzt wird, was deren Fähigkeit, als Lösungsmittel zu wirken, erhöhen wird.

Drittens ist zu prüfen, welcher Grad des Korrosionsschutzes erforderlich ist. Feuchtigkeit wird meistens erst dann zu einem Problem, wenn Kondensation auftritt. In dem Fall ist die Dicke und Abdeckung des Schutzlacks ein sehr wichtiger Punkt. Dabei darf aber nicht vergessen werden, dass eine dickere Lackschicht zwar besseren Schutz in Umgebungen mit Kondenswasser oder Salzsprühnebel bzw. Schadgas bieten, eine Zieldicke von über 50 µm jedoch bei thermischem Schock oder thermischer Belastung schneller reißt.

Wie wichtig ist die Auftragungsmethode
für die Beschichtungszuverlässigkeit?

Es ist vielleicht sogar der allerwichtigste Faktor für den Erfolg. Oft kann ein gut aufgetragenes aber schlechtes Material genauso gut oder sogar besser sein, als ein Material mit tollen Eigenschaften, das schlecht aufgetragen ist. Beim Auftragen von Schutzlacken geht es darum, dass die scharfen Kanten und Metalloberflächen ausreichend abgedeckt werden, ohne dass das Material an den anderen Stellen zu dick aufgetragen wird. Natürlich sind einige Materialien leichter aufzutragen als andere, sodass dieser Vorgang so einfach und idiotensicher wie möglich wird. Aber am Ende zählt für die Leistung von flüssig aufgetragenen Lacken nur, wie gut sie aufgetragen wurden.

Die Kennwerte der Schutzlacke verstehen

Bei der Auswahl eines Schutzlacks sollten Designer sich dessen bewusst sein, dass die im Herstellerdatenblatt aufgeführten Werte normalerweise für frisch ausgehärtete Lacke bei Raumtemperatur gelten. Designer müssen in Erfahrung bringen, wie sich das Verhalten von Materialien mit Temperaturänderungen im Laufe der Zeit verändert. Kurzzeitige Übertemperaturen müssen ebenfalls berücksichtigt werden, denn wenn beispielsweise thermische Schocks oder thermische Belastung vergessen werden, kann Rissbildung auftreten.

Das Platinenlayout vereinfachen

Indem Steckverbinder und Komponenten, die nicht lackiert werden müssen, „ganz einfach“ an einer Kante der Baugruppe angeordnet werden, wird das Auftragen des Schutzlacks vereinfacht. Es ist auch empfehlenswert, große Felder mit diskreten Bauteilen zu vermeiden, da diese für die Beschichtung aufgrund der vorhandenen hohen Kapillarkräfte sehr schwierig sind. Auch hohe Komponenten stellen eine Herausforderung dar, weil es zur Bildung sogenannter Schattenbereiche und schwierig zu erreichender Bereiche kommt. Auch Lackspritzer können eine Folge sein. Hier ist der Trick, hohe Komponenten nicht neben Komponenten zu platzieren, die lackiert werden müssen.

Kenntnis der Komponenten

Für einen erfolgreichen Lackierprozess ist es wesentlich, die einzelnen Komponenten zu kennen. Beim Aufbau einfach zu wissen, welche Art Komponenten lackiert werden sollen und welche nicht, gibt dem Lackierer mehr Flexibilität an die Hand. Wenn eine Komponente nicht lackiert werden soll, wird es ein „Freihalten“-Bereich. Die technische Zeichnung sollte diese Komponenten nicht nur kennzeichnen, sondern auch die Toleranz für diesen freizuhaltenden Bereich angeben. Dabei ist eine ganz genaue Toleranzangabe sehr wichtig. Der Hersteller muss genau wissen, wo Schutzlack erwünscht ist und wo nicht. Dabei ist es am besten, alle Bereiche entsprechend zu kennzeichnen, also die, die lackiert werden sollen, die die nicht lackiert werden dürfen und die, bei denen es egal ist, um den Prozess so einfach wie möglich zu gestalten. Unklare Angaben in technischen Zeichnungen sind absolut zu vermeiden. Dies gilt besonders in den Bereichen um Anschlüsse herum.

Beachtung der Prozesse, die einen Einfluss auf die Beschichtung haben können

Es ist unbedingt darauf zu achten, welche Herstellungsverfahren nach dem Auftragen und Aushärten des Schutzlackes noch durchgeführt werden, da andere Materialien wie z. B. Wärmeleitpasten/
-kitte und Chemikalien zum Nacharbeiten/Reparieren die Integrität und Gesamtleistung eines Schutzlacks beeinträchtigen können. Bei der Auswahl von Klebstoffen für den Zusammenbau sollte darauf geachtet werden, dass sie mit den ausgewählten Beschichtungsmaterialien und -prozessen kompatibel sind. Nicht kompatible Klebstoffe können einen negativen Effekt auf die Gesamtleistung des Schutzlackes haben.

Die Bedeutung der Reinigung vor dem Auftragen des Schutzlackes

Die allgemeine Sauberkeit des Untergrunds bzw. eine mögliche Anwesenheit von Rückständen ist ein kritischer Faktor für die Leistung des Schutzlacks. Wenn der Untergrund nicht sauber genug ist, können die vorhandenen Rückstände die Aushärtemechanismen beeinträchtigen, zu schlechter Haftung des Schutzlacks auf dem Untergrund führen und leitende/ionische Materialien unter dem Schutzlack einschließen. Wurden die Vorbereitung oder Reinigungsmethoden der Untergründe nicht überaus gründlich durchgeführt, können korrosive Rückstände die Leiterbahnen der Leiterplatte miteinander verbinden und im Laufe der Zeit zu Ausfällen führen.

Pufferzonen vereinfachen den Auftragsvorgang

Schutzlacke sind beim Auftragen normalerweise in einem flüssigen Zustand und fließen mit einer Kombination aus Schwerkraft und den vorhandenen Kapillarkräften. Dieses Materialverhalten und seine Auswirkungen auf die Benetzung durch den Schutzlack zu verstehen und zu beherrschen, ist wesentlicher Schlüssel dafür, dass lackierte Baugruppen dann auch unter rauen Umgebungsbedingungen bestehen. Egal ob im Prozess mit wieder entfernbaren Abdeckmasken gearbeitet, oder selektiv beschichtet wird: Das Produktionsteam freut sich immer über eine Pufferzone von mindestens 3 mm zu den zu beschichtenden Bereichen. Diese schmale Pufferzone vereinfacht den Produktionsprozess und verhindert, dass später in der Fertigung Probleme auftreten.

Die richtigen Beschichtungsdicken

Es ist unablässig, die richtige Dicke der Lackschicht zu erreichen. Bedenken Sie, dass eine zu dicke Lackschicht zum Einschluss von Lösemitteln in Bereichen führen kann, in denen der Lack nicht vollständig aushärtet. In ähnlicher Weise kann dies zur Bildung von Rissen im Lack während des Aushärtens führen, sei es aufgrund von Temperaturänderungen oder mechanischen Stößen und Schwingungen. Schutzlacke sollten nicht dicker als erforderlich bzw. angegeben aufgetragen werden.

Wie wichtig ist es, den Schutzlack nachbearbeiten zu können?

Die Möglichkeit der Nachbearbeitung eines Schutzlacks ist oft ein sehr wichtiger Punkt bei der Auswahl des Lacks, besonders wenn die Leiterplatten sehr hochwertig sind und lange Betriebsdauererwartungen haben, wie z. B. in Baugruppen für das Militär oder Luft- und Raumfahrtanwendungen. Ein Schutzlack kann viele vorteilhafte Eigenschaften für den Schutz der Baugruppe im Betrieb aufweisen, es gleichzeitig aber sehr schwierig machen, die Baugruppe im Einsatz nachzuarbeiten bzw. zu reparieren. Ein schwer nachzubearbeitender Lack sorgt nicht nur für zeitraubende Reparaturen und Upgrades, sondern macht das Produkt auch teurer und komplexer.

Es dreht sich alles um die Aushärtung

Folgende Aushärtemechanismen werden für die wichtigsten Schutzlackmaterialien angewendet: Trocknen, durch Oxidation, Feuchtigkeit, Wärme, chemisch oder mit UV. Welche Methode letztendlich verwendet wird, hängt von verschiedenen Faktoren ab, wie die Leistungsanforderungen der Anwendung und physische Einschränkungen, einschließlich der maximal erlaubten Aushärtetemperatur und der für das Aushärten verfügbaren Zeit. Besonders die Aushärtezeit variiert stark von Anwendung zu Anwendung. Beispielsweise dauert die Aushärtung durch Oxidation lang, oft viele Stunden bei 80 – 90 °C, um die optimalen Eigenschaften zu entwickeln, während UV-aushärtbare Materialien, wie z. B. die UVCL-Reihe von Electrolube, extrem schnell (in Sekunden) aushärten, wenn sie UV-Strahlung mit der richtigen Wellenlänge und Intensität ausgesetzt werden. Wenn Sie Fragen zu den Aushärtemechanismen haben, sprechen Sie mit Ihrem Schutzlackanbieter.

Warum können Schutzlacke versagen?

Schutzlacke können aus den unterschiedlichsten Gründen versagen – einige treten häufiger und andere weniger häufig auf. Die Hauptgründe für das Versagen sind im Großen und Ganzen auf eine schlechte Auswahl und/oder Auftragung oder ein grundlegendes Problem wie unzureichende Oberflächenvorbereitung bzw. chemische Aktivität unter dem Lack, die nichts mit der chemischen Zusammenstellung des Lacks zu tun hat, zurückzuführen. Weitere mögliche Gründe können außerdem zu kurze Aushärtungszeit, schlechte Abdeckung oder unzureichende Dicke oder eine unerwartete Interaktion mit einem anderen Verfahrensmaterial sein. Oder es liegt an etwas anderem, was nicht direkt mit dem Schutzlack zusammenhängt, wie z. B. korrosive Rückstände, die die Leiterbahnen auf der Platine überbrücken und im Laufe der Zeit zu Ausfällen führen.

Schutz gegen Kondensation, Eintauchen und Salzsprühnebel

Die härteste Prüfung der Leistung des Schutzlacks ist der Betrieb der Baugruppe unter feuchten Bedingungen, egal ob wegen Kondensation, Eintauchen oder Salznebel. Flüssiges Wasser mit löslichen Unreinheiten ist elektrisch leitfähig und führt letztendlich zu Kurzschlüssen an der Oberfläche der Leiterplatte, falls der Lack Schwachstellen aufweist. Um unter diesen Bedingungen Schutz zu bieten, müssen die Metallflächen der Leiterplatte zu 100 % fehlerfrei abgedeckt werden und dies ist sowohl für das Material als auch für den Auftragungsprozess eine echte Herausforderung.

Eine neue Schutzlackklasse mit der Kennzeichnung „2K“ ermöglicht eine viel größere Dicke und perfekte Anwendungsabdeckung, was wiederum zu einem höheren Schutzniveau führt. Die Zweikomponentenmaterialien von Electrolube haben sich in den härtesten Tests bewährt, einschließlich in Kondenswasserprüfungen und beim Eintauchen in Salzwasser in eingeschaltetem Zustand.

Taktzeit der Beschichtung

Die Beschichtungstaktzeit ist für den reibungslosen Ablauf in der Fertigungslinie äußerst wichtig. Was sind die typischen Probleme bezüglich Lackierqualität und Taktzeit an einer typischen selektiven Beschichtungsanlage?

Selektive Beschichtungsmaschinen tragen einen Streifen Beschichtungsmaterial auf, und können auf Anforderung starten und anhalten. Die Lackstreifen können so aufgetragen werden, dass ein Beschichtungsmuster entsteht und Bereiche wie Schalter, Anschlüsse und Testpunkte ausgelassen werden, um Beeinträchtigungen der Form, Passung oder Funktion zu vermeiden. Die Breite der Beschichtungsstreifen liegt normalerweise im Bereich 8 – 15 mm. Wenn der zu beschichtende Bereich kleiner als 8 mm breit ist, ist ein weiterer Dosierungsschritt erforderlich, was die Taktzeit verlangsamt.

Aufgrund der Kombination der X-/Y-Positionsgenauigkeit der Maschine, der Materialflussdynamik und Komponententopographie sind 2 – 3 mm normalerweise für einen wiederholbaren Beschichtungsprozess zu nah an Bereichen, die nicht beschichtet werden sollen. Beschichtungs- und Freihaltebereiche, die nur 2 – 3 mm voneinander entfernt liegen, befinden so nah aneinander, dass ein Dosierungsschritt erforderlich ist, der die Taktzeit verlängert.

Testen, testen und nochmal testen

Umwelttests sind unentbehrlich, um sicherzustellen, dass Schutzlacke für den Zweck geeignet sind und auch unter den widrigsten Bedingungen bestehen. Solche Umwelttests beinhalten: extrem hohe und niedrige Temperaturen; schnelle Temperaturwechsel, die thermische Schocks verursachen; Salzspray und Salznebel; sehr hohe Luftfeuchtigkeit oder kondensierende Bedingungen; gesättigte Umgebungen; Aussetzen an Schimmelwachstum, Schadgase und Sonneneinstrahlung, sowie hohe und niedrige Luftdrücke (besonders für Luft- und Raumfahrtausrüstung).

Im echten Einsatz wird eine beschichtete Platine verschiedenen Umwelteinflüssen gleichzeitig ausgesetzt, nicht nur einem. Der Prüfling sollte darum den Bedingungen im Test so ausgesetzt sein, dass es für das, was im echten Einsatz vernünftigerweise erwartet werden kann, repräsentativ ist.

Wenn Design und Produktion zusammenarbeiten, führt es eigentlich immer zum Erfolg. Nachdem die Bedeutung guter Design-Entscheidungen in einer frühen Phase dargelegt wurde, ist ein Verständnis von „was verursacht was“ auf der Platinenoberfläche wichtig, um sicherzustellen, dass eine erfolgreiche Schutzlackschicht erstellt wird. Mit der Umsetzung dieser Maßnahmen können mögliche Fertigungskatastrophen verhindert werden, und zwar nicht nur beim Schutzlack, sondern auch in anderen Produktionsbereichen. Kurz gesagt: das richtige Material für den erforderlichen Schutz wählen und für die korrekte Auftragung und Aushärtung sorgen. So sollte auf Interaktionen mit anderen Prozesschemikalien die Baugruppe vor der Beschichtung geprüft, gereinigt und getrocknet werden, um letztendlich einen soliden und zuverlässigen Prozess für die elektronische Baugruppe zu erhalten.

www.electrolube.de



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