Beschichtungsmaterialien, die auch unter Druck nicht reißen

Zweikomponentige (2K) Schutzlackmaterialen im Test

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Die Leistungsanforderungen für Schutzlacke werden immer anspruchsvoller, da elektronische Geräte immer aggressiveren Betriebsumgebungen ausgesetzt werden. Gleichzeitig entwickelt sich die Umweltgesetzgebung stets weiter, wodurch die Verwendung von Lösungsmitteln und die Freisetzung von flüchtigen organischen Verbindungen (VOC) eingeschränkt werden. Die Verwendung von lösungsmittelfreiem Schutzlack aus Silikon ist inzwischen ausgereift. Allerdings können diese Materialien oft nicht verwendet werden, da das Risiko einer Silikonkontamination besteht oder bei aggressiven Umgebungsbedingungen – vor allem einem hohen Grad an Feuchtigkeit und korrosiver Schadbegasung – kein ausreichender Schutz gewährleistet werden kann.

Die Verwendung einkomponentiger Materialien, die mit UV ausgehärtet werden können, hat in den letzten Jahren einen erheblichen Marktanteil erlangt, da die schnelle Aushärtung oftmals große Produktivitätsvorteile birgt. Bei den aktuellen 1K-UV-Materialien treten jedoch bei Leiterplatten mit hohen Komponenten oft Aushärteprobleme auf, da diese zu Schattenbereichen während der Aushärtung unter UV-Belichtung führen und eine nicht optimal fokussierte Höheneinstellung der Belichtungseinheit erforderlich machen, wodurch die Lichtintensität und der Grad der Aushärtung geringer ausfallen. Aus diesem Grund muss neben dem UV-Härten ein weiterer Aushärtemechanismus eingeführt werden, meist ein feuchtigkeits- oder wärmeaktivierter Mechanismus.

Electrolube hat eine neue Reihe innovativer, VOC-freier, schnell härtender Hochleistungsschutzlacke aus zwei Komponenten für die Verwendung in selektiven Beschichtungsverfahren entwickelt und zur Marktreife geführt. Die grundlegende Chemie hinter den neuen „2K“-Beschichtungsmaterialien ist nicht neu, aber der lösungsmittelfreie selektive Beschichtungsvorgang für 2K-Materialien ist ein technologischer Durchbruch mit ganz neuen Möglichkeiten, der alle Vorteile von 2K-Beschichtungsmaterialien zur Geltung bringt.

Die 2K-Materialien bieten eine lösungsmittelfreie Alternative zu sowohl UV- als auch Silikonmaterialien, da sie weniger Investitionen in Anlagentechnik als UV-Materialien erfordern und die Leistungsfähigkeit, welche die meisten Silikone unter harten Bedingungen zeigen, übertreffen. Das Unternehmen hat die neue 2K-Reihe Seite an Seite mit UV-und Silikon-Lacken genauen Prüfungen unterzogen, unter anderem Thermischer Schock, Salzsprühnebeltest unter permanenter Bestromung der Prüflinge, Betauung und Schadbegasung.

Fortschritte in der Beschichtungstechnologie für selektiven Schutzlack

Bei Beschichtungsanwendungen ist die größte Herausforderung den Prozess auch bei der niedrigst möglichen Durchflussrate zu kontrollieren und gleichzeitig das richtige Mischverhältnis beizubehalten. Für diesen Zweck wurden niedrig volumig arbeitende Exzenterschneckenpumpen entwickelt.

Mit den Pumpen können die Durchflussraten der individuellen Komponenten des 2K-Materials bis auf ±1 % kontrolliert werden. Hierdurch werden das volumetrische Mischungsverhältnis gesteuert und ein korrektes Aushärten sowie die Eigenschaften der aufgetragenen Materialien sichergestellt. Darüber hinaus sind die Sprühkopfgeschwindigkeiten bis zu drei Mal schneller als bei herkömmlichen Sprühanwendungen mit 100 % Feststoffmaterial, wodurch die Beschichtungszyklen erheblich verkürzt werden können. Während es einerseits möglich ist die 2K-Beschichtungsmaterialien als dünnen Film aufzutragen (50–75 µm), wurden sie doch für viel größere Schichtstärken (250–300 µm) entwickelt, formuliert und getestet, um eine verbesserte Kapselung von Komponenten und deren Anschlüsse zu gewährleisten.

Es wurde eine neue bestückte Prüfleiterplatte zum Test des Oberflächendurchgangswiderstands (Surface Insulation Resistance – SIR) entwickelt, um die realen Bedingungen für Schutzlacke besser simulieren zu können. Dabei sind nichtfunktionale elektronische Bauteile auf die Leiterplatte mit aufgelötet.

Thermoschockprüfung

Thermoschock ist ein Hochgeschwindigkeits-Belastungstest, der vor allem in der Automobilindustrie beliebt ist, um die Wahrscheinlichkeit zu beurteilten, ob eine Beschichtung während des Einsatzes reißt. Viele UV-Beschichtungen überstehen die aktuellen Anforderungen von 1.000 Thermoschockzyklen nicht ohne zu reißen.

Die in der Tabelle aufgezeigten Schutzlacke wurden auf ein Asymtek SelectCoat SL-940E aufgetragen. Alle Beschichtungen werden mit einer minimalen und einer maximalen Zieldicke aufgetragen, mit gleichmäßiger Abdeckung und gemäß den Industriestandards. Die Beschichtungen wurden gemäß Herstellerempfehlungen ausgehärtet und weitere vier Wochen zum Resthärten gelagert. Die Leiterplatten wurden 1.000 Thermoschockzyklen (-40 °C bis +130 °C) in einer ESPEC TSA-102EL-Kammer ausgesetzt und nach 100 Zyklen, 200 Zyklen und dann alle weiteren 200 Zyklen bis zu 1.000 Zyklen mit 50-facher Vergrößerung untersucht.

Aus den Ergebnissen wurde ersichtlich, dass die 2K-Materialien in dieser Thermoschockprüfung im Vergleich zu Lösungsmittel verdünnbaren und den konkurrierenden UV-härtbaren Materialien außerordentlich gut abschnitten. Die Widerstandsfähigkeit gegen die Thermoschockzyklen lag auch höher als bei 2,5-facher Dicke der UV-Materialien und glich so der Belastbarkeit von Silikonmaterialien, die als sehr widerstandsfähig in Thermoschockprüfungen bekannt sind.

Salzsprühnebel unter permanenter Bestromung der Prüflinge

Nach Abschluss der Thermoschockprüfung und der Sichtprüfung, wurden die Leiterplatten 96 Stunden lang Salzsprühnebel ausgesetzt (5 % NaCl(aq)). Die 2K-Materialien weisen eine hervorragende Beständigkeit gegen Salzsprühnebel auf, sowohl während der nassen Phase als auch nach erfolgter Trocknung, ähnlich wie Silikonmaterialien. Die UV- und lösungsmittelverdünnten Polyurethanmaterialien, die während der Thermoschockprüfung gerissen sind, wiesen relativ geringen Schutz während des Tests und minimale Verbesserung von SIR bei Abschluss des Tests auf.

Prüfung unter Schadbegasung

Die Leiterplatten wurden 28 Tage einer korrosiven Gasumgebung ausgesetzt, gemäß IEC 68–2–60, Klasse 3. SIR-Messungen wurden bei Umgebungsbedingungen im Labor (25 °C, 50 % rel. Feuchtigkeit) vor Beginn des Tests, in wöchentlichen Abständen und 24 Stunden nach dem Abschluss des Tests, durchgeführt.

Wie erwartet haben die Materialien, die in der vorangegangenen Thermoschockprüfung nicht gerissen sind, ein besseres Ergebnis in der Schadgasprüfung erzielt. Die Silikonmaterialien wiesen in dieser Prüfung ein ähnliches Verhalten wie die gerissenen UV-Materialien auf, was darauf hinweist, dass Silikonmaterialien gegenüber diesen korrosiven Gasen ziemlich porös sind. Die dickeren 2K-Beschichtungen und das nicht gerissene Acryl-Material haben sehr gute absperrende Eigenschaften gegenüber diesen korrosiven Gasen gezeigt.

Betauungsprüfungen

Betauungsversuche werden immer wichtiger, vor allem in der Automobilindustrie. Aufgrund von Inkonsistenzen bei herkömmlichen Tests hat das nationale britische Labor für Physik (UK National Physical Laboratory – NPL) eine alternative Betauungsprüfung entwickelt, wobei die Kammerbedingungen stabil bleiben, die Temperatur des Prüflings unter den Taupunkt abgesenkt und so für eine kontrollierte Taubildung auf der kühleren Oberfläche des Prüflings gesorgt wird.

Wenn die zwei häufigst verwendeten Bauformen, Ball Grid Array (BGA) und Small Outline Integrated Circuit (SOIC), als repräsentativ angesehen werden, kann erkannt werden, wie sich der Schutzgrad der Beschichtungen mit den Betauungszyklen verändert.

SIR blieb während den Kondensations- und Trocknungszyklen für das 2K-Material auf beiden Anordnungen grundsätzlich konstant, was beweist, dass das Material eine sehr wirkungsvolle Barriere gegen Kondensation darstellt. Das Acrylmaterial zeigt sich ebenfalls als konsistente Barriere an den SOIC Bauteilen, jedoch waren bei den BGA Chips Anzeichen von unter den BGA eingedrungener Feuchtigkeit sichtbar, welche letztendlich trocknete, aber zu niedrigeren Werten während der Betauungsphasen führte. Die unbeschichteten Baugruppen zeigten einen erheblichen Abfall im SIR während der Betauungsphasen, der BGA tendierte zu einem Kurzschlusszustand und möglicher Korrosion oder Dendritenwachstum.

Fazit

In strengen Tests haben die 2K-Polyurethanmaterialien im Vergleich zu anderen Beschichtungstypen eine sehr beeindruckende Leistung gezeigt. Die Tatsache, dass der Lack in hoher Schichtdicke aufgetragen werden kann und bei Thermoschockprüfungen nicht reißt, ermöglicht einen höheren Grad der Abdeckung von Bauteilen und deren Anschlüsse, was zu einer verbesserten Leistung während der Thermoschockprüfung, der Salzsprühnebelprüfungen unter Bestromung, der Schadbegasung und Betauungsprüfungen geführt hat – traditionell sehr extreme Prüfungen, die üblicherweise während Qualifikationen in der Automobilbranche zur Anwendung kommen.

productronica, Stand A4.466

www.electrolube.com



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